NO322717B1 - System og fremgangsmate for maling av egenskaper i eller under overflaten til et materiale, samt anvendelse av dette - Google Patents
System og fremgangsmate for maling av egenskaper i eller under overflaten til et materiale, samt anvendelse av dette Download PDFInfo
- Publication number
- NO322717B1 NO322717B1 NO20042724A NO20042724A NO322717B1 NO 322717 B1 NO322717 B1 NO 322717B1 NO 20042724 A NO20042724 A NO 20042724A NO 20042724 A NO20042724 A NO 20042724A NO 322717 B1 NO322717 B1 NO 322717B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- light
- movement
- length
- light paths
- impressed
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 30
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims description 18
- 238000010422 painting Methods 0.000 title 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 17
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 14
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 5
- 230000032798 delamination Effects 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 26
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 10
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 9
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 8
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 6
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 3
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- 238000004154 testing of material Methods 0.000 description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 208000010201 Exanthema Diseases 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 239000004035 construction material Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 201000005884 exanthem Diseases 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 206010037844 rash Diseases 0.000 description 1
- 231100000817 safety factor Toxicity 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 238000013024 troubleshooting Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02097—Self-interferometers
- G01B9/02098—Shearing interferometers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
- G01B11/161—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means
- G01B11/162—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means by speckle- or shearing interferometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
- G01B9/02—Interferometers
- G01B9/02055—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
- G01B9/02075—Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration of particular errors
- G01B9/02082—Caused by speckles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/42—Absorption spectrometry; Double beam spectrometry; Flicker spectrometry; Reflection spectrometry
- G01J3/433—Modulation spectrometry; Derivative spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/45—Interferometric spectrometry
- G01J3/453—Interferometric spectrometry by correlation of the amplitudes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B2290/00—Aspects of interferometers not specifically covered by any group under G01B9/02
- G01B2290/35—Mechanical variable delay line
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N2021/8472—Investigation of composite materials
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Application Of Or Painting With Fluid Materials (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
Denne oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og et system for måling av egenskaper ved, hvilket vil si i eller under, overflaten av materialer.
Materialtesting og ikke-destruktiv prøving (NDT) av materialer representerer et fagområde av stadig økende betydning. Bruken av slanke og lette konstruksjoner samt bruk av nye og spesialtilpassede materialer krever stadig bedre redskaper for testing av de ulike strukturene. Mange av de tradisjonelle NDT-metodene er i begrenset grad egnet for testing og feilsøking i mer moderne konstruksjonsmaterialer, som for eksempel polymere komposittmaterialer, og behovet for nye og forbedrede testemetoder er økende.
Testing av materialer og deteksjon av defekter er nyttig og påkrevd i ulike sammenhenger, både under utvikling, produksjon, produkttesting og ved regelmessig inspeksjon av strukturer i bruk. Slik testing kan være tidkrevende og kostbar både fordi utstyret og testingen er kostbar i seg selv, og fordi produktet som skal testes blir tatt ut av bruk under testingen. Typiske eksempler på produkter hvor regelmessig testing er en krevende og kostbar prosess er innen flyindustri, skipsfart, og i mange andre sammenhenger hvor høye sikkerhetsfaktorer er påkrevd.
En teknologi som har begynt å få fotfeste innen testing av materialer, og spesielt komposittmaterialer, er elektronisk shearografi. Dette er en optisk interferometrisk metode hvor små bevegelser av objektets overflate blir målt over en hel flate (full felts måling). Ved ulike pålastninger av objektet vil overflatedefekter og defekter under overflaten kunne påvirke bevegelsesmønsteret av overflaten, og således kan disse defektene detekteres og registreres. Pålastningen kan være dynamisk med påtrykk av vibrasjoner med en enkelt frekvens eller mange frekvenser samtidig, eller pålastningen kan være statisk ved hjelp av ulike metoder som trykk eller vakuum, oppvarming, mekanisk belastning med mere.
Beskrivelse av et typisk shearografisk system
Det benyttes ulike betegnelser på shearografiske systemer, som shearografi, elektronisk shearografi, digital shearografi osv. Felles for de fleste systemer i dag er at de benytter såkalt faseskift-teknikker for beregning av overflatebevegelsen, enten bevegelsen er dynamisk eller statisk. Det grunnleggende prinsippet i shearografi er at objektets overflate belyses med en eller flere ekspanderte laserstråler eller andre koherente lyskilder, og at det belyste objektarealet avbildes inn på et detektorarray, for eksempel et ccd array ved hjelp av et linsesystem. Ved hjelp av optiske komponenter som for eksempel en stråledeler, splittes lysbølgen fra objektet i to bølger, enten før det går gjennom avbildningssystemet, eller etter at lyset har gått gjennom avbildningssystemet. På denne måten får man to separate bilder av objektet overlagret hverandre på ccd arrayet, der det ene bildet kan være litt forskjøvet sidelengs i forhold til det andre. Figur 1 viser et typisk shearografisk oppsett, basert på et såkalt Michelsons interferometer. Stråledeleren BS splitter lyset i to bølger, og den ene bølgen går via speil Ml og til ccd-arrayet 5, mens den andre bølgen går via speil M2 og til ccd-arrayet 5. De to strålene former hvert sitt bilde av objektet på ccd-arrayet, og ved å tilte eller vri det ene eller begge speilene M1,M2 kan den innbyrdes forskyvningen av de to bildene (= shearet) justeres både i størrelse og retning. Et eksempel på en slik løsning er gitt i EP 1099947.
På denne måten oppnås det at hvert punkt på ccd-arrayet 5 mottar lys fra to nabopunkter på objektoverflaten. Lyset fra disse to nabopunktene på objektoverflaten interfererer i billedplanet, og denne interferensen gir informasjon om hvor mye det ene punktet beveger seg i forhold til det andre punktet.
Denne effekten gjelder for hvert punkt i hele ccd-arrayet, og det oppnås en måling som er følsom for gradienten av overflatebevegelsen, mens homogene forflytninger (forflytninger som et stempel) registreres i liten grad.
Figur 1 illustrerer den kjente teknikk.
Det faktum at stempel-lignende bevegelser ikke registreres betyr at systemet er relativt lite følsomt for eksterne støykilder og vibrasjoner, i motsetning til mange andre interferometriske teknikker. Støysignaler og vibrasjoner fra omgivelsene vil gjerne få objektet til å vibrere med relativt lave frekvenser, og disse lavfrekvente vibrasjonsmodene har relativt lave romlige gradienter i bevegelses-mønsteret, og dermed vil de i begrenset grad bli registrert av det shearografiske systemet.
Når de to lysbølgene interfererer kan dette beskrives med intensiteten I(x,y) i punktene (x,y) på ccd-arrayet ved likningen:
der Ix ( x, y) er intensiteten i lysbølge 1 (bilde 1) på ccd-arrayet (x,y)
I2( x, y) er intensiteten i lysbølge 1 (bilde 2) på ccd-arrayet (x,y)
<Xi( x, y) er den optiske fasen til lysbølge 1
a2 ( x, y) er den optiske fasen til lysbølge 2
Informasjonen om objektets bevegelse (eller gradienten av bevegelsen) er gitt av endringen i den optiske fasedifferansen mellom de to lysbølgene, det vil si endring av leddet ( a^ x, y)- a2{ x, y)) i likning (1).
Når såkalt faseskift-tekninkk anvendes, gjøres dette typisk ved at et av speilene forflyttes en liten avstand fra eller mot stråledeleren BS i figur 1, slik at man får en kontrollert endring av den optiske fasen afay) eller cc2( x, y) til en av de interfererende strålene. Ved å gjøre dette gjentatte ganger kan man hente inn flere bilder (også kalt interferogram) og bruke intensitetsverdiene I(x,y) i disse såkalt faseskiftede bildene til å beregne den optiske fasedifferansen ( ax ( x, y) - a2 ( x, y)) i likning (1). På denne måten kan man få numeriske verdier for statiske deformasjoner, og man kan også benytte metoden til å øke kontrasten i stripebilder ved måling av dynamiske forskyvninger (vibrasjoner).
Shearografi brukes typisk til deteksjon av defekter i polymerbaserte komposittmaterialer som honeycomb-materialer, laminater og andre limte strukturer. Typiske feil man detekterer er delamineringer, debonds, kjernebrudd osv. Den mest typiske testemetodikken med shearografi er basert på vakuumbelastning, hvor man måler statisk bevegelse av overflaten mens man endrer trykket mot objektets overflate. Slik testing kan gjøres inne i tette rom eller beholdere hvor luft-trykket kan endres, eller det kan benyttes vakuumklokker som holdes mot objektets overflate og hvor en shearografisk målehode er integrert i vakuumklokken.
Shearografisk testing med dynamisk pålastning benyttes også, og en typisk metode er basert på bruk av et helt bånd av frekvenser ("hvit støy"), hvor man får områder hvor det er defekter til å vibrere mens feilfrie områder vibrerer i mindre grad eller med mindre utslag.
Beskrivelse av oppfinnelsen
Denne oppfinnelsen omfatter utstyr og fremgangsmåte for målinger av vibrasjoner med shearografi, der følsomheten til målingen er betydelig forbedret i forhold til konvensjonell shearografi. Denne økningen av følsomhet gjør at defekter i materialet kan detekteres når man pålaster og vibrerer objektet med en enkelt frekvens om gangen. Dermed er det et formål med denne oppfinnelsen å tilveiebringe et forbedret system og fremgangsmåte for å måle egenskaper, og da særlig defekter, i eller under overflaten til et materiale.
Nærmere bestem er de ovennevnte formålene oppnådd slik som angitt i kravene.
Oppfinnelsen omfatter også en midlingsteknikk for statiske målinger med shearografi, slik at oppløsningen av defekter økes betydelig sammenlignet med tradisjonelle shearografiske målinger.
Oppfinnelsen vil bli beskrevet nærmere nedenfor med henvisning til de vedlagte figurene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.
Figur 1 illustrerer shearografi-målinger i henhold til den kjente teknikk
Figur 2 illustrerer en foretrukket utførelse av oppfinnelsen.
Figur 3-5 illustrerer forskjellige måleresultater.
Figur 2 viser en prinsippskisse av oppfinnelsen, hvor det vises et tilfelle der det er valgt et shearograflprinsipp basert på et Michelsons interferometer. Man projiserer lys mot objektet 2 fra en egnet lyskilde 1 med en tilstrekkelig koherenslengde til å oppnå interferens mellom de to grenene i intereferometeret, og der en del av lyset 3 reflekteres eller spres mot interferometeret. Oppfinnelsen innebærer at man kan flytte ett Ml eller begge speilene Ml og M2 i interferometeret i små step mot eller fra stråledeleren BS kontollert av et styringssignal 7. Ifølge oppfinnelsen vil ett eller begge speilene påtrykkes 9 en vibrasjonsbevegelse eller annen periodisk bevegelser i retning mot/fra stråledeleren BS, der både stepforflytningen og vibrasjonen fortrinnsvis kontrolleres av systemets datamaskin. Dessuten kan ett eller begge speilene tiltes slik at shearet kan justeres både i størrelse og retning.
Objektet vibreres ved hjelp av en shaker 6 eller en annen iimretning, og vibrasjonen er fortrinnsvis kontrollert av systemets datamaskin med et signal 8. Datamaskinen kan justere frekvens og amplitude både for objekteksitasjonen og for speilet, og samtidig også kontrollere den relative vibrasjonsfasen mellom objekt- og speil-vibrasjonen. Oppfinnelsen baserer seg på en opptaksalgoritme der både speil og objekt blir vibrert med samme eller tilnærmet samme frekvens, og der fasen mellom de to vibrasjonssignalene til objekt og speil varieres etter en gitt algoritme.
Objektet blir belyst med en eller flere ekspanderte laserstråler, og oppfinnelsen omfatter også en enhet 10 som foretar en geometrisk endring i belysningsgeometrien. Når laserlys reflekteres fra en vanlig ru overflate vil det reflekterte lyset innholde såkalt specklestøy på grunn av lysets høye koherens. Når det foretas en geometrisk endring i belysningsgeometrien blir dette specklemønsteret endret, og ved å hente inn mange slike bilder med endrede eller dekorrelerte specklemønster og deretter summere disse sammen (midle), kan man helt eller delvis midle bort denne specklestøyen. Endringen i belysningsgeometrien kan gjøres på forskjellig vis, for eksempel ved å la laserstålen eller laserstrålene gå gjennom en eller flere skråstilte glassplater 10, og der glassplaten(e) vippes eller roteres omkring en akse 11 slik at belysningspunktet (punktkilden) flyttes (tilsynelatende) i rommet, for eksempel langs en sirkel. Belysningsgeometrien kan også endres ved å fysisk flytte laseren (laserne), ved bruk av speil som kan vippes eller roteres, ved små forflytninger av hele det optiske hodet, eller ved små forflytninger av hele objektet. Det er også mulig å utføre specklemidlingen ved for eksempel å endre posisjon til en aperture i avbildnings-systemet.
En av flere alternative opptaks- og beregningsalgoritme er som følger:
1. Objektet vibreres med en viss frekvens, for eksempel 2000 Hz, men andre frekvenser kan også benyttes.
2. Speilet vibreres med den samme frekvensen og med en gitt amplitude
3. Det innhentes og digitaliseres 4 bilder, hvor man har flyttet det ene speilet en lengde L/8 i retning fra eller mot stråledeleren mellom hvert bilde man har tatt inn. L er laserlysets bølgelengde. De fire faseskiftede bildene benevnes Bl, B2, B3 og B4. 4. Det beregnes følgende størrelse (bilde): Il = sqrt((Bl-B3)<*>(Bl-B3)+(B2-B4)<*>(B2-B4)). Beregningen skjer på pixelnivå, slik at hvert pixel i II tilordnes en verdi som er en funksjon av tilsvarende pixelverdier i II, Bl, B2, B3 og B4, gitt av likningen over. 5. Belysningsgeometrien skiftes slik at man får et nytt dekorrelert specklemønster i bildet, og man går tilbake til punkt 3 over og henter inn 4 nye faseskiftede bilder. Deretter beregnes en ny størrelse 12 på tilsvarende måte som II beskrevet over. Denne prosedyren gjentas inntil man har et antall verdier (bilder) II, ...IN, og disse bildene summeres og midles til et enkelt resultantbilde RI. N kan typisk være fra 2 til 100, eller høyere. 6. Fasen mellom objekt- og speil vibrasjonen endres 90 grader, og punktene 3-5 over gjentas slik at man får en nytt resultantbilde R2. Dette gjøres i alt fire ganger, slik at man får 4 størrelser (resultantbilder) RI, R2, R3 og R4. 7. Puktene 3-5 gjentas ytterligere 2 eller flere ganger, men uten objektvibrasjon, bare med vibrasjon på speilet, slik at ytterligere nye resultantbilder hentes inn. For eksempel kan man lage ett resultantbilde R5 uten objekt- eller speilvibrasjon, og ett resultantbilde R6 uten objektvibrasjon men der speilet vibreres tilsvarende "første mørke stripe" i Besselfunksjonen 8. Med utgangspunkt i de innhentede datasettene (bildene) kan nå amplitude A(x,y) og fase F(x,y) til objektets vibrasjon (eller gradienten av vibrasjonen i shearografi) beregnes på pixelbasis ved bruk av en algoritme som innebærer bruk av inverse trigonometriske funksjoner.
Når fase og amplitude er beregnet kan man beregne utslaget U(x,y) av vibrasjonsgradienten for en viss vibrasjonsfase ved uttrykket U(x,y) = A(x,y) -cos( F(x,y) + T), hvor T er en fase med verdi i intervallet (0 - 360) grader. Ved å velge flere (f.eks 20) forskjellige faser T fordelt innen (0-360) grader kan man beregne vibrasjonsutslaget slik det forløper gjennom en hel vibrasjonsperiode, og plotte eller vise dette i en grafisk fremstilling som en animasjon. Figur 3 viser et eksempel på ett enkelt slikt plott i tre dimensjoner, der gråtoneskalaen viser inndeling av utslaget i forhold til en valgt enhet.
Det shearografiske instrumentet kan være utformet forskjellig fra det som er vist i figur 2. Man kan ha andre shear-mekanismer, for eksempel basert på dobbeltbrytende materialer eller basert på bruk av to avbildningssystemer eller andre utforminger. Det vesentlig er at man kan utføre fasestepping ved stepvis bevegelse av et speil og at man kan fasemodulere (vibrere) den ene lysbølgen på en kontrollert måte. Det er også vesentlig at man kan utføre midling over mange specklemønster ved å dekorrelere specklemønsteret i lyset som kommer inn på ccd-arrayet.
Vibrasjonen som blir påført konstruksjonen som inspiseres kan overføres ved direkte kontakt med en eller flere shakere, ved bruk av kontaktløse shakere eller transducere, ved akustisk overføring eller på annen måte. Dersom energien overføres i ett eller flere små punkter kan man oppnå en vibrasjon i form av vandrebølger eller overflatebølger som brer seg utover strukturen. Dersom disse vandrebølgene passerer et område med en materialdefekt, for eksempel en delaminering eller en debond, kan vandrebølgene sette i gang lokale vibrasjonsformer i defektområdet, der vibrasjonen avviker fra den vibrasjonen man ville fått dersom man ikke hadde en defekt til stede. På denne måten kan defekten detekteres. Defekter kan også registreres dersom objektet vibreres med en vanlig vibrasjonsmode (ikke vandrebølge eller overflatebølge) så lenge områdene med defekter vibrerer med et vibrasjons-mønster som avviker fra vibrasjonen slik den ville vært uten defekter til stede.
Siden oppfinnelsen er basert på innhenting og midling av en rekke bilder under målingen, er målingen relativt ufølsom for ekstern støy siden slik støy kan midles bort. Selv om det kan være støyfrekvenser til stede som har amplituder mye høyere enn de påtrykte vibrasjonsamplitudene, vil oppfinnelsen filtrere ut og eliminere disse, og vibrasjonsamplituder (eller gradientamplituder med shearografi) ned i nanometerområdet kan registreres. Den gode oppløsningen av små amplituder er avgjørende for bruk av oppfinnelsen til registering av defekter.
Målingene gjøres kontaktløst og kan gjøres på flere meters avstand, og arealer fra
mindre enn en kvadratcentimeter og opp til flere kvadratmeter kan måles i hver enkelt opptak. Eksitasjonen kan gjøres ved hjelp av en shaker eller flere shakere som holdes mot objektets overflate ved hjelp av for eksempel en lang stang eller flere stenger, slik at operatør og utstyr kan være lokalisert på flere meters avstand fra objektet.
Sammenlignet med mange andre metoder, vil metoden være meget tidsbesparende, og den kan benyttes selv om objektet har uregelmessig form, og målinger kan gjøres på
eller nær hjørner og flenser og så videre på konstruksjoner som båtskrog og lignende.
Som nevnt kan oppfinnelsen også benytte en midlingsalgoritme ved statiske målinger eller ved lange perioder, for eksempel i forbindelse med vakuum-belastning eller ved termisk pålastning. Dette gjøres på følgende måte: i) Det brukes tre eller flere faseskiftede bilder for å beregne den optiske fasedifferansen ( ax ( x, y) - a2 ( x, y)) i likning (1) mellom de to interfererende lysbølgene på bildeplanet (på ccd-arrayet)
ii) Objektet pålastes med en statisk deformasjon ved bruk at varme, vakuum eller på annen måte, slik at en eventuell materialdefekt kan registreres med god eller mindre god kontrast
iii) Det brukes igjen tre eller flere faseskiftede bilder for å beregne den nye optiske fasedifferansen mellom de to interfererende lysbølgene på bildeplanet (på ccd-arrayet)
iv) Man subtraherer den optiske fasedifferansen beregnet i punkt i) (før objektpålastning) fra fasedifferansen beregnet i punkt iii) (etter objektpålastning) og får et resulterende fasekart slik som eksempelvis er vist i figur 4. Dette fasekartet inneholder direkte informasjon om objektets bevegelse som en følge av objektpålastningen.
v) De romlige gradientene av fasekartet beregnes slik at man oppnår et
målebilde som vist i figur 4b.
vi) Belysningsgeometrien beskrevet tidligere skiftes slik at det frembringes et
nytt dekorrelert specklemønster fra objektoverflaten
vii) Prosedyren ved punktene i) til vi) gjentas flere ganger slik at man får flere
målebilder (typisk 5-50 bilder) tilsvarende bildet i figur 4.
viii) Deretter summeres (midles) alle disse målebildene slik at man oppnår et betydelig redusert støynivå i bildet, slik at eventuelle defekter lettere kan registreres. Dette er illustrert i figur 5.
For å oppsummere angår oppfinnelsen særlig en fremgangsmåte for måling av små vibrasjoner i overflaten av materialer, der den foretrukne utførelsen kan omfatte følgende punkter: - bruk av en instrumentering der en eller begge lysbølgene i interferometeret kan faseskiftes i step (phase stepping) - bruk av en instrumentering der en eller begge lysbølgene i interferometeret kan faseskiftes eller fasemoduleres ved en vibrasjon med en enkelt frekvens om gangen - bruk av en instrumentering der specklemønsteret på detektor-arrayet kan endres eller dekorrelleres slik at man kan utføre midling over flere bilder for å redusere speckle-støyen i resultantbildet
- bruk av instrumentering for vibrasjonseksitering av måleobjektet
- at man vibrerer objektet med en valgt frekvens
- at man vibrerer (fasemodulerer) en av lysbølgene i interferometeret med samme eller tilnærmet samme frekvens - at man kontrollerer amplituden på både obj ektvibrasj onen og fasemodulasjonen av den ene lysbølgen i interferometeret - at man kontrollerer og endrer vibrasjons-fasedifferansen mellom obj ektvibrasj onen og fasemodulasjonen av den ene lysbølgen i interferometeret under opptaket - at man henter inn og digitaliserer ulike bilder mens datamaskinen kontrollerer vibrasjonen av objektet, vibrasjonen eller fasemodulasjonen
av den ene lysbølgen i interferometeret, fasesteppingen i den ene lysbølgen i interferometeret samt speckle dekorrelasjons enheten 10. - at man anvender de digitaliserte bildene (pixel for pixel) i en algoritme for å beregne amplitude og vibrasjonsfase for objektet over hele det avbildede feltet - at man beregner utsvinget for vibrasjonen for flere faser innen (0-360) grader og genererer animasjoner av vibrasjonen - at man måler små vibrasjoner (eller gradienter av vibrasjonen siden det er shearografi) i objektet som skal testes på måten beskrevet over, og at man identifiserer defekter i materialet ved at området ved defekten vibrerer på en annen måte enn slik man forventer at vibrasjon vil være uten defekt. Man kan også studere amplitudekartet og/eller fasekartet direkte for å detektere defekter i materialet
Ifølge oppfinnelsen kan fremgangsmåten også anvendes til måling av små statiske deformasjoner i overflaten på objektet, ved følgende trinn: - bruk av en instrumentering der en eller begge lysbølgene i interferometeret kan faseskiftes i step (phase stepping) - bruk av en instrumentering der specklemønsteret på detektor-arrayet kan endres eller dekorrelleres slik at man kan utføre midling over flere bilder for å redusere speckle-støyen i resultantbildet - bruk av såkalt faseskiftopptak for å beregne deformasjonen eller deformasjonsfasen av objektet når objektet pålastes ved trykk/vakuum, ved oppvarming, ved statisk pålastning eller på annen måte
- beregning av de romlige gradientene av deformasjonsfasen
- bruk av speckle dekorrelasjonsenheten 10 for å endre specklemønsteret på detektorarrayet - gjentatte opptak som beskrevet, og deretter en summasjon eller midling av bildene med de romlige gradientene - bruk av fremgangsmåten over for å detektere defekter i materialer med økt oppløsning av defekter
Claims (14)
1. Fremgangsmåte for måling av egenskaper i eller under overflaten til et materiale, hvilket materiale er utsatt for en i det vesentlige periodisk bevegelse, omfattende følgende trinn: - projisering av en ekspandert lysstråle mot overflaten, der lysstrålen har en valgt koherenslengde, - mottak og deling av lyset som blir reflektert fra overflaten i to lysbaner, hvilke lysbaner har en lengdedifferanse som er mindre enn koherenslengden til lyset, og - kombinering av lysstrålene og retting av disse mot en detektorinnretning for å danne et interferensmønster på detektorinnretningens overflate, der detektorinnretning danner en avbildning av mønsteret på overflaten karakterisert ved at fremgangsmåten også omfatter - påtrykking av en periodisk fluktuasjon i optisk veilengde i minst én av lysbanene, der denne perioden omfatter en eller flere frekvenskomponenter tilsvarende forventede frekvenskomponenter i bevegelsen i overflaten,
2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, regulering av minst en av lysbanenes lenge, fortrinnsvis trinnvis.
3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der bevegelsen i overflaten påtrykkes med en valgt transduser, og der den periodiske lengdefluktuasjonen i minst én av lysbanene påtrykkes med i det vesentlige samme frekvens som den påtrykte bevegelsen i overflaten.
4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, der faseforskjellen mellom den påtrykte bevegelsen i overflaten og i lysbanen kontrolleres.
5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der lysbanene defineres av et Michelson interferometer hvor minst ett av speilene har en varierbar posisjon langs den optiske aksen.
6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, omfattende tilveiebringelse av en variasjon i lysstrålen rettet mot overflaten, e.g. ved periodisk eller trinnvis forskyvning av denne, for reduksjon av specklestøy på sensoren, og dannelse av avbildningen ved opptak av at antall bilder eller bildeserier, der belysningen er skiftet mellom hvert bilde/bildeserie.
7. System for måling av egenskaper i eller under overflaten til et materiale, hvilket materiale er utsatt for en i det vesentlige periodisk bevegelse, omfattende: - en lyskilde med en valgt koherenslengde, - projiseringsmidler for projisering av en lysstråle mot overflaten, - stråledelingsmidler for deling av lyset som blir reflektert fra overflaten i to lysbaner, hvilke lysbaner har en lengdedifferanse som er mindre enn koherenslengden til lyset, og - strålekombineringsmidler for kombinering av lysstrålene i de to strålebanene og retting av disse mot en detektorinnretning for å danne et interferensmønster på detektorinnretningens overflate, der detelctorinnretningen er innrettet til å registrere det innfallende lyset og danne en avbildning av interferensmønsteret
karakterisert ved at systemet også omfatter - aktiveringsmidler for påtrykking av en i det vesentlige periodisk lengdefluktuasjon i minst én av lysbanene, der denne perioden omfatter en eller flere frekvenskomponenter tilsvarende forventede frekvenskomponenter i bevegelsen i overflaten.
8. System ifølge krav 7, der minst en av lysbanene har en regulerbar, og fortrinnsvis trinnvis regulerbar lengde.
9. System ifølge krav 7, der bevegelsen i overflaten er påtrykket med en valgt transduser, og der den periodiske lengdefluktuasjonen i minst én av lysbanene har i det vesentlige samme frekvens som den påtrykte bevegelsen.
10. System ifølge krav 9, der faseforskjellen mellom den påtrykte bevegelsen i overflaten og i lysbanen kontrolleres.
11. System ifølge krav 7, der lysbanene defineres av et Michelson interferometer hvor minst ett av speilene har en varierbar posisjon langs den optiske aksen.
12. System ifølge krav 7, omfattende en innretning for variasjon av lysstrålen rettet mot overflaten, e.g. ved periodisk eller trinnvis forskyvning av denne, for reduksjon av specklestøy på sensoren, og der systemet omfatter opptaksmidler for å kombinere at antall bilder eller bildeserier der belysningen er skiftet mellom bildene/bildeseriene
13. Anvendelse av systemet ifølge krav 7 for shearografi-målinger.
14. Anvendelse av systemet ifølge krav 7 for deteksjon av diskontinuitet, som delaminering, brudd og lignende, i eller under overflaten.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20042724A NO322717B1 (no) | 2004-06-28 | 2004-06-28 | System og fremgangsmate for maling av egenskaper i eller under overflaten til et materiale, samt anvendelse av dette |
PCT/NO2005/000235 WO2006001712A2 (en) | 2004-06-28 | 2005-06-28 | Non-destructive testing of materials |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NO20042724A NO322717B1 (no) | 2004-06-28 | 2004-06-28 | System og fremgangsmate for maling av egenskaper i eller under overflaten til et materiale, samt anvendelse av dette |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
NO20042724D0 NO20042724D0 (no) | 2004-06-28 |
NO20042724L NO20042724L (no) | 2005-12-29 |
NO322717B1 true NO322717B1 (no) | 2006-12-04 |
Family
ID=35005972
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
NO20042724A NO322717B1 (no) | 2004-06-28 | 2004-06-28 | System og fremgangsmate for maling av egenskaper i eller under overflaten til et materiale, samt anvendelse av dette |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
NO (1) | NO322717B1 (no) |
WO (1) | WO2006001712A2 (no) |
Families Citing this family (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5637738B2 (ja) * | 2010-06-04 | 2014-12-10 | キヤノン株式会社 | 変形計測装置および変形計測方法 |
GB2544727A (en) | 2015-11-16 | 2017-05-31 | Optonor As | Optical interferometry |
CN106596556B (zh) * | 2016-10-12 | 2019-04-05 | 上海大学 | 一种基于剪切散斑干涉的容器内壁粘接质量无损检测方法 |
US10180403B1 (en) * | 2017-06-21 | 2019-01-15 | The Boeing Company | Shearography for sub microcellular substrate nondestructive inspection |
US10337969B2 (en) | 2017-06-21 | 2019-07-02 | The Boeing Company | High speed vacuum cycling excitation system for optical inspection systems |
GB2570742B (en) * | 2018-06-01 | 2020-10-28 | Optonor As | Optical-interference analysis |
NO20200190A1 (en) | 2020-02-14 | 2021-08-16 | Optonor As | System and method for analysing an object |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5094528A (en) * | 1990-05-25 | 1992-03-10 | Laser Technology, Inc. | Apparatus and method for performing electronic shearography |
DE19639213A1 (de) * | 1996-09-25 | 1998-03-26 | Wolfgang Prof Dr Ing Steinchen | Verfahren und Vorrichtung für die Shearing-Speckle-Interferometrie an schwingenden Objekten |
US6175411B1 (en) * | 1998-02-25 | 2001-01-16 | Bechtel Bwxt Idaho, Llc | Apparatus and method for measuring and imaging traveling waves |
US6717681B1 (en) * | 1999-03-31 | 2004-04-06 | Benjamin A. Bard | Portable real-time high-resolution digital phase-stepping shearography with integrated excitation mechanisms |
-
2004
- 2004-06-28 NO NO20042724A patent/NO322717B1/no unknown
-
2005
- 2005-06-28 WO PCT/NO2005/000235 patent/WO2006001712A2/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2006001712A3 (en) | 2006-04-06 |
NO20042724D0 (no) | 2004-06-28 |
WO2006001712A2 (en) | 2006-01-05 |
NO20042724L (no) | 2005-12-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Yang et al. | Precision measurement and nondestructive testing by means of digital phase shifting speckle pattern and speckle pattern shearing interferometry | |
Steinchen et al. | Non-destructive testing of aerospace composite materials using digital shearography | |
US10254252B2 (en) | Surface and subsurface detection sensor | |
JP2006515925A (ja) | 共通経路周波数走査型干渉計 | |
EP3326152A1 (en) | Laser multibeam differential interferometric sensor and methods for vibration imaging | |
US11867611B2 (en) | Optical-interference analysis | |
Sirohi | Shearography and its applications–a chronological review | |
Tornari et al. | Laser-based systems for the structural diagnostic of artwork: an application to XVII-century Byzantine icons | |
WO2006001712A2 (en) | Non-destructive testing of materials | |
Rastogi | Principles of holographic interferometry and speckle metrology | |
Lasyk et al. | Simple digital speckle pattern interferometer (DSPI) for investigation of art objects | |
Francis | Non-destructive evaluation (NDE) of composites: introduction to shearography | |
NO314323B1 (no) | Framgangsmåte og interferometer for måling av mikroskopisk vibrasjon | |
Zastavnik et al. | Comparison of shearography to scanning laser vibrometry as methods for local stiffness identification of beams | |
Araújo dos Santos et al. | Damage localization based on modal response measured with shearography | |
US6606160B1 (en) | Nondestructive testing of diffusely reflective objects | |
Slangen et al. | Digital speckle pattern interferometry (DSPI): a fast procedure to detect and measure vibration mode shapes | |
Saldner et al. | Comparative TV holography for vibration analysis | |
Tornari | Optical and digital holographic interferometry applied in art conservation structural diagnosis | |
WO2022239522A1 (ja) | 欠陥検査装置および欠陥検査方法 | |
Deaton Jr et al. | Applications of electronic shearography for the inspection of airskin structures | |
Garcia et al. | Visualization of deformation by secondary speckle sensing | |
Thomas et al. | Defect detection in composite sandwich structure with face sheet of varying thickness using time average digital holography | |
Løkberg | Video Speckle Interferometry an Optical Measuring Tool for Industry | |
Tay et al. | Measurement of a microphone membrane deflection profile using an optical fibre and wedge fringe projection |