Úvod do aktívnej termografie

Aktívna termografia je nedeštruktívna testovacia technika, ktorá využíva externé zdroje energie na vyvolanie teplotného rozdielu medzi defektnými a nedefektnými oblasťami v testovanej vzorke. Na tento účel sa používa široká škála zdrojov energie, najčastejšie optické, mechanické a indukčné zdroje. Aktívna termografia je založená na tom, že na povrchu skúšobnej vzorky, ktorej povrchovú teplotu sníma termokamera, musí dôjsť k merateľnej zmene teplotných rozdielov. Na kvantifikáciu výsledkov aktívnej termografie sa používajú rôzne prístupy. Mnohé z nich využívajú matematické transformácie 1D a prípadne 2D signálov, pričom najčastejšie sa používa Fourierova transformácia. Medzi ďalšie používané patria napr. s názvom. vlnková transformácia.

V priebehu rokov došlo v oblasti termografických techník a spracovania signálov k významným zmenám. V dôsledku toho došlo k významnému rozvoju aj v oblasti aktívnej termografie, ktorej podstatou zostáva detekcia defektov a prípadná charakterizácia defektov pomocou vonkajšej tepelnej stimulácie skúmaného objektu.

Princíp aktívnej termografie

Zostava na aktívnu termografiu s optickým budením pozostáva zo 4 základných komponentov, ktoré sú znázornené na obrázku 1:

Povrch testovanej vzorky sa najprv stimuluje napríklad tepelným impulzom (1) pomocou silného optického záblesku, ktorý môže trvať niekoľko milisekúnd až sekúnd v závislosti od tepelných vlastností testovaného materiálu.
Po absorbovaní teplotného impulzu vzorkou (2) teplo postupne preniká z povrchu do objemu vzorky. Teplo sa šíri vedením. Princíp detekcie defektov je založený na skutočnosti, že defektné zóny vykazujú na povrchu inú teplotu v porovnaní so zónami bez defektov. Teplota defektných zón môže byť vyššia aj nižšia v závislosti od vlastností použitého materiálu a samotného defektu.
Vývoj teploty na povrchu vzorky sa sleduje pomocou termokamery (3). Mapa povrchovej teploty sa zaznamenáva (vo forme termogramu) v pravidelných časových intervaloch. Najprv sa vytvorí 3D matica (pozri obrázok 2a), kde súradnice x a y zodpovedajú horizontálnej a vertikálnej polohe pixelov a súradnica z predstavuje časový vývoj postupne nasnímaných termogramov.
Sekvencia termogramov sa potom spracuje pomocou (4) 2D metód spracovania signálu (jednou z najbežnejších metód je napríklad Fourierova transformácia). Výsledný teplotný profil pre oblasť s defektom a oblasť, ktorá je v poriadku (pozri obrázok 2b), je odlišný. To je podstata možnosti lokalizovať defekty pomocou aktívnej termografie.

Obrázok 1: Konfigurácia systému pre aktívnu termografiu.

Obrázok 2.: a) 3D teplotná matica v časovej oblasti a (b) Teplotný profil nedefektného pixelu na súradnici (i,j); voľne upravené podľa [2].

Metódy excitácie skúmanej vzorky

Názorné rozdelenie aktívnych termografických metód je znázornené na obrázku 5. Tu stručne vysvetlíme jednotlivé metódy

Optická excitácia alebo excitácia

Podstatou optickej excitácie vzorky je jej vonkajšia stimulácia zdrojom optického žiarenia. Zdroj dodáva energiu na povrch vzorky, kde sa svetelné žiarenie mení na teplo a vzorka sa zahrieva. Tepelné vlny sa šíria vedením z povrchu vzorky do jej objemu, kým nedosiahnu vnútornú diskontinuitu, ktorá ich šírenie buď spomalí, alebo urýchli (v závislosti od vlastností vzorky a samotného defektu). Zdroje optickej excitácie môžu mať rôzny charakter a tiež rôzne účinky. Na pulznú tepelnú stimuláciu sa používa zariadenie, ktoré vytvára fotografické záblesky, tzv. Diracov impulz. Napríklad infračervené lampy sa používajú na postupné zahrievanie vzorky (pri pulznej termografii) a halogénové lampy sa často používajú na periodické zahrievanie (pri termografii s uzamknutým vstupom).

Optická excitácia je najčastejšie používanou formou ohrevu vzorky v aktívnej termografii a používa sa od začiatku pri vývoji klasických techník aktívnej termografie.

Mechanické budenie

V prípade mechanického budenia sa energia prenáša na vzorku mechanickými vibráciami, napríklad pomocou zvukového alebo ultrazvukového snímača v priamom kontakte so vzorkou. V tomto prípade sú defekty stimulované vnútorne; mechanické oscilácie prenášané na vzorku sa v nej šíria všetkými smermi. Mechanická energia sa na diskontinuitách rozptyľuje vo forme tepelných vĺn, ktoré sa odvádzajú na povrch klasickým spôsobom vedenia tepla.

Ultrazvukovému budeniu sa v posledných rokoch venuje značná pozornosť. Technika známa ako vibrotermografia (alebo ultrazvuková termografia či termosonika) sa zvyčajne používa na kontrolu trhlín a mikrotrhlín v kovových konštrukciách, ktoré je inak veľmi ťažké kontrolovať inými optickými prostriedkami.

Indukčné budenie

Indukčné budenie možno aplikovať na elektricky vodivé materiály, ktoré generujú vírivé prúdy v určitej hĺbke (ktorú možno do značnej miery určiť budiacou frekvenciou). Tieto vírivé prúdy potom zahrievajú vzorku a všetky jej vnútorné defekty. Povrchové alebo podpovrchové defekty spôsobujú zmeny vírivých prúdov vo vzorke a menia výsledné rozloženie povrchovej teploty.

Bez ohľadu na použitý spôsob budenia existujú v zásade tri termografické techniky: pulzná, kroková a lock-in. Experimentálne a teoretické aspekty sú pre každú z týchto techník odlišné. Pre každú z nich existujú aj typické aplikácie.

Aktívne termografické techniky

Pulzná termografia

Pulzná termografia (PT) je jednou z najčastejšie používaných metód tepelnej stimulácie. Jedným z dôvodov je rýchlosť kontroly, ktorá spočíva v krátkom tepelnom stimulačnom impulze s trvaním od niekoľkých milisekúnd v prípade kontroly materiálov s vysokou tepelnou vodivosťou (ako je kov) až po niekoľko sekúnd v prípade materiálov s nízkou vodivosťou (ako sú plasty). Okrem toho krátky čas zahrievania zabraňuje poškodeniu testovanej vzorky.

V závislosti od zdroja budenia môže byť zaujímavé pozorovať obe fázy - fázu ohrevu (počas a bezprostredne po aplikácii budiaceho impulzu) a fázu chladnutia. Pri optickej PT sú však vzorky často nasýtené energiou okamžite, počas aplikácie impulzov, a preto pozorovanie fázy ohrevu zvyčajne neposkytuje potrebné informácie. Tieto "skoré" údaje ešte neobsahujú žiadne informácie o vnútorných defektoch, ale predexcitačné termogramy sú veľmi užitočné vo fáze predbežného spracovania údajov a pre niektoré pokročilé techniky spracovania.

Pulzná termografia umožňuje za určitých okolností zistiť hĺbku defektu, ale zvyčajne je užitočná len na zisťovanie defektov, ktoré sa vyskytujú v blízkosti povrchu vzorky.

Termografia s krokovým ohrevom

Pri krokovom ohreve sa používajú dlhšie budiace impulzy (niekoľko sekúnd alebo dokonca niekoľko minút) ako pri pulznej termografii. V tomto prípade je vývoj teploty zaujímavý hneď od začiatku aplikácie; zvýšenie povrchovej teploty sa sleduje už počas aplikácie krokového impulzu. Zmena povrchovej teploty v čase súvisí s vlastnosťami vzorky, podobne ako pri impulznej termografii.

Táto metóda tiež umožňuje zistiť hĺbku defektu, ale zvyčajne len v blízkosti povrchu, ale umožňuje kontrolu väčších plôch v porovnaní s PT.

Táto technika sa používa v mnohých aplikáciách, napríklad pri hodnotení hrúbky povlaku vrátane viacvrstvových povlakov, pri určovaní celistvosti spojenia medzi povlakom a podkladom alebo pri hodnotení kompozitných štruktúr. Hoci najbežnejšou formou excitácie je optická, nie je známy žiadny vecný dôvod, prečo by sa nemali používať aj iné formy.

Termografia s uzamknutím

Pri aktívnej termografickej technike nazývanej "lock-in" je vzorka stimulovaná periodickým zdrojom energie. Zvyčajne sa používajú sínusové vlny, hoci možno použiť aj iné periodické a neperiodické priebehy. Vnútorné defekty pôsobia ako bariéry šírenia tepla a spôsobujú zmeny amplitúdy a fázového oneskorenia signálu, ktorý sa odráža na povrchu vzorky. Na získanie informácií o amplitúde a fáze z nameraných priebehov povrchovej teploty boli vyvinuté rôzne techniky.

Najčastejšie sa na spracovanie používa Fourierova analýza. Vyhodnotí sa amplitúda a fázový posun (vypočíta sa vážený priemer všetkých snímok v sekvencii). Výsledný odstup signálu od šumu (SNR) je preto veľmi vysoký. Fázové údaje sú v aktívnej termografii veľmi dôležité, pretože sú menej skreslené ako nerovnovážne teplotné údaje v dôsledku nehomogénneho ohrevu, povrchového vyžarovania, odrazov od prostredia a geometrie povrchu.

Reakcia defektu na zdroj budenia -> Vplyv defektu na povrchové žiarenie; voľne upravené podľa [3]

Rozdiely v technikách aktívnej termografie; voľne upravené podľa [3]

Rozdelenie aktívnych termografických metód.

Použitá literatúra

IBARRA-CASTANEDO, C., Ralph B. DINWIDDIE, Morteza SAFAI, N. P. AVDELIDIS, M. GRENIER, X. MALDAGUE a A. BENDADA. Aktívne techniky spracovania termografického signálu na detekciu a charakterizáciu defektov na kompozitných materiáloch. Termosenzor. 2010, XXXII(7661), 76610O-. DOI: 10.1117/12.850733. K dispozícii aj na: http: //proceedings.spiedigitallibrary.org/proceeding.aspx?doi=10.1117/12.850733
IBARRA-CASTANEDO, Clemente a Xavier MALDAGUE. Preskúmanie impulznej fázovej termografie. Časopis kvantitatívnej infračervenej termografie. 2004, 1(1), 47-70. DOI: 10.3166/qirt.1.47-70. ISSN 1768-6733. K dispozícii aj na: http: //www.tandfonline.com/doi/abs/10.3166/qirt.1.47-70
Aktívna termografia a IRNDT. Plzeň, 2016. K dispozícii aj na: https: //ttp.zcu.cz/cz/laboratore/irndt/aktivni-termografie

Úvod do aktívnej termografie

Princíp aktívnej termografie