Реализация импульсного метода в тепловом неразрушающем контроле изделий из композитов
7. Практика
Оптический импульсный нагрев с помощью ксеноновой лампы
Преимущество импульсного нагрева состоит в возможности передать объекту контроля значительную энергию за короткое время и тем самым снизить влияние «поперечной» теплопроводности металла на выявляемость дефектов. В экспериментах был использован комплект QUADX STUDIO SET 3000 фирмы BOWENS. Внешний вид комплекта показан на рисунке 11.
Рисунок 11 - Комплект импульсных ламп QUADX STUDIO SET 3000
Лабораторная установка для импульсного нагрева показана на рисунке 12 и состоит из двух ксеноновых ламп, блока питания ламп, эталонного образца и тепловизора. Длительность импульса составляла около 1 мс при полной энергии световой вспышки до 3 кДж.
Рисунок 12 - Лабораторная установка, использующая ксеноновые импульсные лампы.
Для регистрации последовательностей термограмм использовали одноволновую ИК камеру TH9100ML производства фирмы NEC Avio, Япония.
Рисунок 13 - ИК камера TH9100ML.
Далее с помощью лабораторной установки была получена последовательность термограмм, отражающая процесс нагрева образца из композита с помощью источника импульсного теплового нагружения.
Признаками дефектности (структурной неоднородности) изделий являются специфические темные и светлые структуры, появляющиеся как в исходной термограмме, так и, в особенности, на синтезированных изображениях.
Используем импульсно-фазовую термографию, поскольку наибольшие значения отношения сигнал-шум получают для фазограмм (изображений фазы температурного сигнала после применения преобразования Фурье).
Один из кадров полученной последовательности представлен на рисунок 14
Далее для упрощения и увеличения производительности обработки данных, из исходной последовательности была вырезана область интереса (ROI - region of interest). Вид области интереса представлен на рисунке 15.
Графики развития температуры для дефектной и бездефектной зон во времени (зоны показаны на Рисунке в виде эллипсов) представлены на рисунке 16
Рисунок 14. 10 - кадр исходной последовательности.
Рисунок 15 - Вид области интереса после упрощения.
Рисунок 16 - Графики развития температуры для дефектной и бездефектной зон во времени.
Хорошо видно различие средних температур для дефектной и бездефектной зоны во времени. Для дефектной зоны наблюдается увеличенные значения температур. После 100 го кадра (соответствует моменту времени 1.6 после импульса нагрева) температуры для дефектной и бездефектной зоны совпадают (температурный сигнал спадает до уровня шума тепловизора). По графику можно приблизительно определить наиболее оптимальный момент для регистрации сигнала, что соответствует 20-30 кадру. Для более точной оценки оптимального момента обнаружения сигнала использовалось отношение сигнал-шум.
Отношение сигнал-шум, является базовым при проведении процедур теплового контроля, для его определения используются выражения, представленные ниже.
Общим критерием сравнения различных процедур ТК является отношение сигнал/шум,которе определяет как :
(7)
;
стандартное отклонение в бездефектной области(дисперсия шума),определяемое как;
(8)
Внутренний дефект может быть надежно обнаружен оператором или автоматическим устройством, если в момент наблюдения обусловленный им сигнал превышает уровень шумов: s>1
График изменения отношения сигнал-шум для последовательности приведен на рисунке 17.
Рисунок 17 - График изменения отношения сигнал-шум
Как видно из рисунка, температурное поле для 24 кадра, соответствует максимальному отношению сигнал-шум. Вид температурного поля для 24 кадра приведен на рисунке 18.
Рисунок 18 - Температурное поле для 24 кадра (максимальное отношение сигнал-шум).
Для развитой обработки тепловизионной последовательности использовалось преобразование Фурье. Смысл преобразования Фурье состоит в применении дискретного преобразования Фурье к временному развитию температуры для I,j пикселя. В результате полается последовательность и изображений амплитуд и фаз для каждой частоты. Формула для вычисления преобразования Фурье приведена ниже.
, (9)
где -дискретная исходная функция, содержащая отсчетов ( термограмм в последовательности), -частота, -мнимая единица, -номер отсчета.
Рисунок 19 - Изображение амплитуды для 1 гармоники при преобразовании Фурье.
Рисунок 20 - Изображение фазы для 3 гармоники при преобразовании Фурье.
Для обработки данных использовалась копьютерная программа ThermoLab, а также математический пакет MATLAB.