לוקליזציה פגם תת קרקעי על ידי חימום מובנה באמצעות לייזר מוקרן Photothermal Thermography
15 במאי 2017
שיטה זו שואפת לאתר פגמים אנכיים תת קרקעיים. כאן, אנו זוג לייזר עם אפנן אור מרחבי ולהפעיל קלט הווידאו שלה לחמם משטח מדגם דטרמיניסטית עם שני קווי אנטי אפקט מודולציה בעת רכישת תמונות תרמית נפתרה מאוד. העמדה פגם הוא נלקח מן הערכת גל הפרעה מינימלית גל.
המטרה הכוללת של שיטה זו היא להשתמש בחימום מובנה ובהדמיה תרמית ברזולוציה גבוהה בצורה לא הרסנית וללא מגע כדי לאתר פגמים תת קרקעיים המכוונים בניצב למשטח דגימת פלדה. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום ההדמיה התרמית. למשל, כמה קטן וכמה עמוק יכול להיות פגם כדי להתגלות.
היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא בכך שאנו יכולים ליצור שדות גל תרמיים המתפשטים במישור התצפית, מה שהופך את הגישה לרגישה ביותר לפגמים בניצב. מערכת תרמוגרפיה פוטותרמית מוקרנת בלייזר מסודרת על לוח אב-טיפוס עליון. מערכת זו עברה את רוב שלבי ההכנה הנדרשים לשימוש בניסוי.
בראש נתיב האלומה נמצא מקור הלייזר. סיב לייזר זה נתמך על ידי תושבת סיבי לייזר. לאחר מכן, טלסקופ מקטין את קוטר הקרן של הלייזר לגודל מתאים להמשך קו האלומה.
מאחורי דגימת האלומה, ראש מד כוח של 500 וואט סופג הרבה מאנרגיית הקרן כדי לאפשר ללייזר לפעול במלוא העוצמה. מדגימת אלומה, הקרן ממשיכה דרך מראה לערכת פיתוח מקרן. זהו מקרן מסחרי מפורק שמנוע האור והעדשות שלו הוסרו.
לצורך הניסוי, קולימציה של הקרן כדי להיכנס למקרן. לאחר שתעבור דרך המקרן, הקרן תפגוש את הדגימה שתותקן על שלב תרגום בקרת מחשב. להשלמת הגדרה זו, השג עדשה באורך מוקד של 100 מילימטר עבור המקרן.
חבר את העדשה למטרת המקרן ממש לפני שלב התרגום. לאחר מכן, השתמש בפנס LED כמקור אור קלט למקרן. מקם דף נייר לבן מול המטרה והזז אותו עד שיהיה מלבן מואר חד על הגיליון המציין את מיקום מישור התמונה.
בשלב זה, השג דגימה לשימוש בניסוי. הרכיב את הדגימה בנתיב האלומה על שלב התרגום הליניארי המצויד בשקע מעבדה. הרם את הדגימה עם שקע המעבדה כך שהחלק העליון שלה יהיה בקו אחד עם החלק העליון של המלבן המוקרן.
ודא שפגם נמצא בתוך האזור המואר במישור התמונה. לאחר מכן, קבעו לבצע צילום אינפרא אדום על ידי השגת מראה זהב על עמוד. המראה תשקף את הקרן המפוזרת למצלמה.
התקן את המראה על מחזיק עמוד ליד המקרן. זה צריך לשקף את הקצה העליון של הדגימה ולהיות בזווית כדי לראות כמה שיותר משטח הדגימה. האור המוחזר מהמראה ייכנס למצלמת אינפרא אדום המותקנת על חצובה.
מקם אותו בגובה מטרת המקרן כך שיראה את התמונה הלבנה המוקרנת דרך מראת הזהב. הגדר את המצלמה לשליטה על ידי מחשב, ותן לה להתחמם. לאחר חיבור המצלמה לתוכנת הבקרה שלה, השג סרגל פלדה.
החזק את הסרגל על פני הדגימה ומקד את המצלמה עליו ידנית. ניגוד הטמפרטורה לסרגל הפלדה מסייע במיקוד. עבדו כדי להשיג את התמונה החדה ביותר.
אחד השלבים הקריטיים ביותר הוא השגת רזולוציה רוחבית מספקת על פני הדגימה. זה חשוב מכיוון שיש לפתור את קו הדלדול. השתמש בתוכנת הלייזר כדי להגדיר את נפח הלייזרtage ל-10 וולט ולהפעיל את הלייזר.
עבוד עם תוכנת המצלמה על הקשר בין המקרן למצלמה. בחר מדידה מבין האפשרויות לאורך החלק העליון. עבור אל סרגל הכלים Measure areas ובחר באפשרות הכלי cross.
כאשר הלייזר דולק תהיה תמונה תרמית. השתמש בכלי כדי לסמן את פינות התמונה על ידי לחיצה ימנית על המסגרת ולאחר מכן שים לב לקואורדינטות. יש להגדיר את תוכנת בקרת המצלמה עבור הניסוי.
התחל במעבר לחלונית המצלמה. שם, לחץ על שלט כפתור כדי לפתוח את לוח השלט הרחוק. שם בתפריט הנפתח, בחר באפשרות תהליך-IO.
כמו כן, המשך ללחוץ על האפשרות סנכרן פנימה ועל אפשרות השער. לאחר מכן סגור את התפריט. בכרטיסייה Acquisitions parameters, פתח את התפריט Acquisition.
בחר סנכרון חיצוני מהתפריט הנפתח. ספק שמות קבצים ותיקיות בשדה תיקיה. לאחר מכן, עבור לשדה ספירה והזן את מספר הפריימים שחושב קודם לכן וסגור את תפריט רכישה.
התחל את איסוף נתוני המצלמה על-ידי בחירה באפשרות הקלט. בשלב זה, עבור לתוכנת בקרת הניסוי. לחץ על הפעל כדי להפעיל את בקר התנועה.
לאחר מכן, ערוך את מיקומי ההתחלה והסיום במילימטרים כדי לכלול את הפגם בסריקה. לאחר מכן הזן את המהירות במילימטרים לשנייה. לחץ על התחל מדידה.
לחץ לחיצה ימנית על השדה בחר צבע אזור. בתיבת הדו-שיח של הצבעים, בחר/י צבע עבור אזור דוגמת המילוי. עבור אל סרגל הכלים של הציור ובחר את הכלי המלבני.
עבור לאזור התמונה והשתמש בכלי כדי ליצור מלבן התואם את תחום הפיקסלים של המקרן שנמצא קודם לכן. המשך בלחיצה על הגדרת אזור. תיבת הדו-שיח מאפשרת להגדיר את מאפייני הדפוס המוקרנים.
בתפריט הנפתח סוג אות, בחר גל סינוס. להגדרת גל הסינוס, קבעו את השדה Phase Shift לאפס מעלות. בנוסף הגדר את התדר בהרץ.
הגדר את המשרעת למקסימום. לאחר מכן, עבור אל שדה המתח כדי להזין את מתח הלייזר ביחידות וולט. בשדה תמונות לכל תקופה, הזן ערך שחושב בעבר.
לחץ על הבא. בצע שלבים אנלוגיים ליצירת מלבן שני בצבע שונה בשינוי פאזה של 180 מעלות. הציגו תצוגה מקדימה של רצף התמונות המשתמשות בהן במחוון תצוגה מקדימה.
לאחר מכן לחץ על התחל כדי להתחיל את הניסוי. שלב התרגום מעביר לאט את הדגימה דרך הטווח הנבחר כדי לחשוף אזורים שונים לתאורה המובנית המתנודדת המוקרנת. זמן המעבר הכולל לניסוי זה הוא 200 שניות.
כאשר הדגימה נעה, מצלמת האינפרא אדום התרמית רוכשת תמונות תרמיות ב -40 הרץ. תמונות תרמיות ברצף זה מספקות דוגמה לשדות הגל התרמי הנוצרים על ידי התאורה. הפסק את הניסוי כאשר כל המסגרות נרכשו.
כדי לבצע את העיבוד הדרוש, טען את מסגרות הנתונים בתוכנת העיבוד שלאחר העיבוד. לאחר המרת הנתונים, הוסף את קואורדינטות נקודת ההקרנה שנמצאו קודם לכן. לחץ על המרה כדי להעביר את הנתונים לדומיין הפיקסל של המקרן.
כדי לחלץ מידע על טמפרטורה, הגדר את קו הדלדול על ידי הזנת הקואורדינטות עבור שתי נקודות. הזן את הפרמטרים למהירות במיקום ההתחלה של הדגימה במהלך הניסוי. הזן גם את קצב הפריימים של מצלמת האינפרא אדום ואת תדר גל הסינוס של התבנית.
לבסוף, ודא שהפרמטרים שלאחר עיבוד הנתונים נכונים. כשתהיה מוכן, לחץ על הערך. מיקום הסדק מוצג בשדה המודגש.
נתונים אלה נאספו מדגימת בדיקה עם פגם בעומק משוער של 1/4 מילימטר. הדגימה תורגמה במהירות של 0.05 מילימטר לשנייה. העקומה השחורה מייצגת את הטמפרטורה כפונקציה של זמן, שנמצאת לאורך הציר האופקי העליון.
ניתן לתרגם את הזמן גם למיקום שנמצא לאורך הציר התחתון. העקומה האדומה המוצקה מתאימה לעלייה לא תנודתית בטמפרטורה. הקו האדום המקווקו מציין את מיקום הפגם.
להלן אותם נתונים לאחר עיבוד נוסף. העקומה הכחולה היא עקומת הילברט והפגם הוא במינימום. נתונים אלה נאספו לאחר הכפלת מהירות הסריקה ל-0.1 מילימטר לשנייה.
בהשוואה למדידה הראשונה, ההתארכות זהה אך תדירות התנודה מצטמצמת. שימו לב שהדגימה הועברה למיקום חדש המשתקף במדידות כאשר משתמשים בפרוטוקול עם פגם מילימטר אחד מתחת לפני השטח, עדיין ניתן לקבוע את מיקומו אך עם אי ודאות גדולה יותר. שתי החלקות הללו משתמשות בנתונים שנאספו במהירות סריקה של 0.1 מילימטר לשנייה.
לאחר פיתוחה, הטכניקה סללה את הדרך לחוקרים בתחום הבדיקות הלא הרסניות לחקור את השימוש בתאורה מובנית. בעקבות הליך זה, ניתן להשתמש בדפוסי תאורה אחרים ומורכבים יותר על מנת למצוא סוגי פגמים אחרים. עד כה נבדקה רק פלדה, אך השיטה מבטיחה מאוד, במיוחד עבור פלסטיק, חומרים מורכבים וחומרים רגישים מאוד אחרים בשל הלחץ התרמי הנמוך המופעל.
צוואר הבקבוק של מערך הניסוי הנוכחי הוא מגבלת המתח התרמי של מאפנן האור המרחבי. לכן עלינו לשים לב לזמן המדידה, שאמור להיות לא יותר משתיים-שלוש דקות. עד כה נוצרו רק שני מקורות חום אינטגרליים.
אך באופן עקרוני, באמצעות הגדרה זו ניתן לייצר ולשלוט בעד מיליון מקורות חום, מה שפותח תחום נוסף של עיצוב גלים רגיל שרירותי. לאחר צפייה בסרטון זה, אתה אמור להבין היטב כיצד לאתר פגמים תת קרקעיים באמצעות תרמוגרפיה פוטותרמית מוקרנת בלייזר. אל תשכח שעבודה עם לייזר אינפרא אדום בעל עוצמה גבוהה מסוג ארבע עלולה להיות מסוכנת ביותר וכי תמיד יש לנקוט באמצעי זהירות כגון הרכבת משקפי מגן לייזר.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
שיטה זו עושה שימוש בחימום מובנה ובדימוי תרמי ברזולוציה גבוהה כדי לאתר באופן לא הרסני פגמים תת-שטחיים בדגימות פלדה. באמצעות שימוש בלייזר ובמודולטור אור מרחבי, הטכניקה משפרת את הרגישות לפגמים המכוונים בניצב לפני השטח של הדגימה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- דימות תרמי
- בדיקות לא הורסות
- מדע החומרים
רקע
- פגמים תת-superficial יכולים להשפיע באופן משמעותי על שלמות החומר.
- שיטות מסורתיות עשויות שלא לזהות פגמים קטנים או עמוקים ביעילות.
- שדות גלי תרמיים יכולים להגביר את רגישות הגילוי.
- שיטה זו שואפת להתגבר על מגבלות בטכניקות דימות תרמי נוכחיות.
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה ללא מגע לגילוי פגמים תת-קרקעיים.
- הערכת מגבלות הגודל והעומק של פגמים שניתן לגלות.
- שיפור הרגישות של דימוי תרמי לזיהוי פגמים.
שיטות שנutilized
- חימום מובנה באמצעות לייזר ומודולטור אור מרחבי.
- רכישת תמונות תרמיות במהלך החימום.
- ניתוח מינימומים של התאבכות גלים תרמיים לצורך איתור פגמים.
- מערך שולחן למסירה ניסיונית.
תוצאות עיקריות
- השיטה מאתרת בהצלחה פגמים תת-superficial בעלי אוריינטציה ניצבת.
- הושגה רגישות גבוהה עבור פגמים קטנים ועמוקים.
- הדמיות תרמיות מספקות תובנות מפורטות על מאפייני הפגמים.
- המערכת מוכנה לשימוש ניסויי לאחר ביצוע שלבי ההכנה.
מסקנות
- טכניקה זו מהווה התקדמות משמעותית בדימות תרמי.
- היא מציעה גישה מהימנה לזיהוי פגמים ללא הרס.
- יישומים עתידיים עשויים לשפר את בטיחות החומרים ואת ביצועיהם.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית ניהולית
שיטה זו מאפשרת גילוי לא-הרסני ברזולוציה גבוהה של פגמים תת-superficial בחומרים, ובכך היא תומכת באפיון חומרים בשלב מוקדם במחקר ופיתוח בתחומי הרוקחות והביוטכנולוגיה. באמצעות זיהוי פגמים מבניים ללא פגיעה בדגימה, היא מסייעת בהערכת שלמות החומר לייצור מכשירים, אריזה או פיתוח שתלים. הטכניקה מגבירה את הביטחון החזוי בבחירת החומרים על ידי אספקת לוקליזציה כמותית ומרחבית של הפגמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיקה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר בחינה של השלמות המבנית של החומר כדי לתמוך בבדיקת השערות בבחירת חומרים למכשירים או להשתבעותים.
- ערך תפעולי: מספק הערכה ללא מגע וללא סימון של פגמים תת-superficial, ובכך מפחית את הצורך בחיתוך הרסני.
סריקה ופיתוח מערכי בדיקה
- ערך מדעי: מייצר נתונים כמותיים של תנודות תרמיות שניתן להשתמש בהם כדי לתקנן את ספי תגיית הפגמים בין מנות חומרים שונות.
- ערך תפעולי: תומך בפרוטוקולי סריקה הניתנים לשחזור עם סנכרון בין הבמה לדימוי התרמי לצורך סריקת חומרים עקבית.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מאפשר רציפות משלב גילוי החומרים ועד לתיקוף פרה-קליני על ידי זיהוי פגמים שעלולים לפגוע בתפקוד המכשיר או בבטיחותו.
- ערך תפעולי: מאפשר קבלת החלטות על קידום הפיתוח מתוך התחשבויות בסיכונים, על ידי זיהוי anomlies תת-שטחיים לפני ביצוע בדיקות יקרות בשלבים מאוחרים יותר.
שילוב תהליכי עבודה וצנרת עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי על ידי תמיכה בהערכת חומרים, החל מסריקה ראשונית ועד לאישור פרה-קליני, ובמיוחד עבור מכשירים להשתלה או מערכות להובלת תרופות שבהן שלמות החומר היא קריטית.
- ביולוגיה של הגילוי: תומכת בבדיקת היפותזות לגבי התאמת החומר על ידי חשיפת פגמים תת-קרקעיים העלולים להשפיע על הביצועים הביולוגיים.
- סריקה: מאפשרת הערכה סטנדרטית ו可שחזרת של מנות חומרים באמצעות יצירה והדמיה מבוקרת של שדה גלים תרמיים.
- אנליטיקה: מספקת קריאות של תנודות תרמיות מרחביות-זמניות המאפשרות כימות של עומק הפגם וכיוונו לצורך ניתוח השוואתי.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין סריקה מוקדמת של חומרים לשימוש פרה-קליני על ידי זיהוי פגמים שעלולים להוביל לכשל של המכשיר בסביבות ביולוגיות.
- שימוש חוזר ארגוני: מייצגת גישה ניתנת להרחבה ובעלת יכולת פלטפורמה להסמכת חומרים לאורך תוכניות מחקר ופיתוח מרובות.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החיזוי בבחירת חומרים על ידי הפחתת העמימות בהערכת מבנה תת-פני.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות ואת התפוקה באמצעות סנכרון של הקרנת לייזר, סריקת במה והדמיה תרמית.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת ההחלטות מסוג go/no-go בהסמכת חומרים, ומפחית את הסיכון לכשל בשלבים מאוחרים של פיתוח מכשירים או שתלים.
- השפעה על הפורטפוליו: מאפשר תיעדוף חומרים מבוסס סיכון בהסתמכות על זיהוי ואיתור פגמים כמותיים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בבטיחות לייזר, דימוי תרמי ומערכות רכישת נתונים מסונכרנות.
- תלוי במכשור מיוחד, כולל לייזרי דיודה בעוצמה גבוהה, מודולטורים של אור מרחבי ומצלמות תת-אדום מהירות.
- מחייב סטנדרטיזציה בין-צוותית כדי להבטיח יישום עקבי בין קבוצות של מדע החומרים, הנדסה וביולוגיה.
- כולל שיקולי התאמה עבור תכונות תרמיות וגיאומטריות משתנות של מערכות חומרים שונות.
- מוגבל על ידי ספי תהליכי מאמץ תרמי של רכיבים אופטיים, מה שמגביל את משך המדידה המקסימלי לשתיים עד שלוש דקות לדגימה.
שאלות נפוצות בתחום הביו-פרמה
Chapters in this video
0:05
Title
10:03
Conclusion
8:41
Results: Defects Identified in a Steel Test Sample
0:45
The Laser Projected Photothermal Thermography (LPPT) Setup
4:33
Set Up the Camera Control and Perform the Experiment
7:43
Post-process the Data and Extract Temperature Information
