DE102014224852B4 - Method for non-contact, non-destructive determination of inhomogeneities and / or defects on surfaces of components or samples - Google Patents

Abstract

Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien Bestimmung von Inhomogenitäten und/oder Defekten an Oberflächen von Bauteilen oder Proben (2) mittels Speckle-Photometrie, bei dem kohärente elektromagnetische Strahlung (1) mit einem definierten Einfallswinkel auf einen Oberflächenbereich eines Bauteils oder einer Probe (2) gerichtet ist und der so bestrahlte Oberflächenbereich (2.1) auf einer mindestens zweidimensionalen Arrayanordnung optischer Detektoren (3) abgebildet wird und eine thermische und/oder mechanische Aktivierung am Bauteil oder der Probe (2) in einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich (2.1) an einer Fläche (2.2) durchgeführt wird; wobei mit der Arrayanordnung (3) die Intensität von Speckle elektromagnetischer Strahlung (4), die infolge der Bestrahlung von der Oberfläche emittiert wird, zeit- und ortsaufgelöst detektiert wird und daraus die Temperatur mittels Differenzautokorrelationsfunktion Cτ orts- und zeitaufgelöst bestimmt wird und mittels Thermographie an denselben Positionen des bestrahlten Oberflächenbereichs (2.1) die Temperatur orts- und zeitaufgelöst erfasst wird und die zu denselben Zeitpunkten an den selben Positionen mit beiden Verfahren erfassten Temperaturen addiert werden; wobei die Addition für mindestens zwei unterschiedliche Zeitpunkte durchgeführt wird und daraus ortsaufgelöst die jeweilige Temperaturänderung bestimmt wird; wobei die mittels Speckle-Photometrie oder die mittels Thermographie erfassten Temperaturwerte vor der Addition mit einem Faktor A oder B multipliziert und dabei die Faktoren A oder B unter Berücksichtigung der Art von jeweils zu detektierenden Inhomogenitäten, Defekten, dem Werkstoff und/oder Werkstoffverbund des Bauteils oder der Probe (2) gewählt werden.Method for non-contact, non-destructive determination of inhomogeneities and / or defects on surfaces of components or samples (2) by means of speckle photometry, in which coherent electromagnetic radiation (1) is directed at a defined angle of incidence onto a surface region of a component or sample (2) and the surface area (2.1) thus irradiated is imaged on an at least two-dimensional array arrangement of optical detectors (3) and a thermal and / or mechanical activation on the component or the sample (2) at a distance to the irradiated surface area (2.1) on a surface (2) 2.2) is carried out; wherein with the array arrangement (3) the intensity of speckle electromagnetic radiation (4) emitted as a result of irradiation from the surface is detected time and spatially resolved and from the temperature by means of differential autocorrelation function Cτ is determined location and time resolved and by means of thermography the same positions of the irradiated surface area (2.1) the temperature is detected in a spatially and time-resolved manner and the temperatures recorded at the same positions at the same positions by both methods are added together; wherein the addition is carried out for at least two different times and it is spatially resolved, the respective temperature change is determined; whereby the temperature values recorded by means of speckle photometry or by means of thermography multiplied by a factor A or B prior to the addition and the factors A or B taking into account the nature of each inhomogeneities, defects, the material and / or material composite of the component or the sample (2) can be selected.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien Bestimmung von Inhomogenitäten und/oder Defekten an Oberflächen von Bauteilen oder Proben, die aus unterschiedlichen Werkstoffen oder Werkstoffverbänden bestehen können. Bei den Inhomogenitäten kann es sich um Oberflächenunebenheiten, Oberflächenkonturen und bei den Defekten um Risse oder andere Fehlstellen handeln. Es kann auch eine Detektion von lokalen Inhomogenitäten der Zusammensetzung des jeweiligen Werkstoffs oder Werkstoffverbundes erreicht werden.The invention relates to a method for non-contact, non-destructive determination of inhomogeneities and / or defects on surfaces of components or samples, which may consist of different materials or composite materials. The inhomogeneities can be surface irregularities, surface contours and, in the case of defects, cracks or other imperfections. It can also be a detection of local inhomogeneities of the composition of the respective material or composite material can be achieved.

Der Einsatz der Speckle-Photometrie für die Bestimmung der Härte, Porosität und/oder mechanischen Spannungen ist in WO 2011/153973 A1 beschrieben. Sie kann für die Bestimmung mechanischer Eigenschaften an metallischen, keramischen und organischen Kompakt- und Faserverbundwerkstoffen eingesetzt werden. Dies kann sowohl im Labor aber auch unter Betriebsbedingungen in kurzer Zeit durchgeführt werden. Der Einsatz ist online-fähig und kann während des Einsatzes bzw. Betriebes an Bauteilen durchgeführt werden. Es können aber auch Herstellungsprozesse kontrolliert und überwacht werden.The use of speckle photometry for the determination of hardness, porosity and / or mechanical stresses is in WO 2011/153973 A1 described. It can be used for the determination of mechanical properties of metallic, ceramic and organic compact and fiber composites. This can be done in the laboratory but also under operating conditions in a short time. The insert is online-capable and can be carried out on components during use or operation. But also manufacturing processes can be controlled and monitored.

Für in kurzer Zeit durchführbare Prüfverfahren zur Charakterisierung von Werkstoffen und zur Überwachung von Fertigungsprozessen gibt es weitere optische Lösungsvorschläge.There are further optical solutions for short-term test procedures for the characterization of materials and for the monitoring of manufacturing processes.

Die Charakterisierung thermo-mechanischer Eigenschaften von Materialien oder Werkstoffen durch optische zerstörungsfreie Prüfverfahren wird bisher jedoch noch nicht, zumindest mit ausreichender Genauigkeit, durchgeführt.The characterization of thermo-mechanical properties of materials or materials by optical non-destructive testing methods, however, has not yet been carried out, at least with sufficient accuracy.

Außerdem gibt es in der jüngeren Vergangenheit Ansätze zur Nutzung der Speckle-Photometrie als optisches Messverfahren. Dadurch sollen kleinste Verschiebungen und Änderungen der Form eines Objekts, auch dreidimensional ( EP 1 746 385 A1 ), oder zur Deformations- und Verformungsmessung an Bauteilen und Mikroarrays benutzt werden, wie dies in EP 1 400 779 A1 beschrieben ist. Mit dieser Methode sind Defekte an Bauteilen entsprechend EP 1 472 531 A2 und Risse z. B. für Reaktorkerne detektierbar.In addition, there are recent approaches to using speckle photometry as an optical measurement method. This should be the smallest shifts and changes in the shape of an object, even three-dimensional ( EP 1 746 385 A1 ), or used for deformation and deformation measurement on components and microarrays, as shown in EP 1 400 779 A1 is described. With this method, defects in components are corresponding EP 1 472 531 A2 and cracks z. B. detectable for reactor cores.

Aus der DD 286 227 A5 ist es prinzipiell bekannt, dass thermisch mechanische Verschiebungsfelder sowohl mittels Specklefotografie, wie auch mittels eines Thermografie-Systems erfasst werden können. Die mit den beiden verschiedenen Messverfahren zu bestimmten Zeiten und Temperaturen erfassten Messergebnisse werden einem Rechner zugeführt und durch Korrelation des Verschiebungsfeldes aus der Specklefotografie und des Temperaturänderungsfeldes aus der Thermografie kann ein Spannungsfeld und/oder es können Datensätze für weitere gekoppelte thermisch-mechanische Feldprobleme erkannt werden. Dabei ist es nachteilig, dass durch die durchgeführte Korrelation keine ausreichend hohe Messgenauigkeit erreicht werden kann, um auch sehr kleine Inhomogenitäten und Defekte mit ausreichender Sicherheit erfassen zu können.From the DD 286 227 A5 It is known in principle that thermally mechanical displacement fields can be detected both by means of speckle photography, as well as by means of a thermography system. The measured results recorded with the two different measuring methods at specific times and temperatures are fed to a computer, and by correlating the shift field from the speckle photography and the temperature change field from the thermography, a field of stress and / or data sets for further coupled thermomechanical field problems can be detected. It is disadvantageous that due to the performed correlation no sufficiently high measurement accuracy can be achieved in order to detect even very small inhomogeneities and defects with sufficient certainty.

Aus RU 2 371 700 C1 ist ein Aufbau zur Durchführung specklefotografischen Bestimmung bekannt.Out RU 2 371 700 C1 is a construction known for performing specklefotografischen determination.

Eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Verformungen sind in US 8,797,515 B2 beschrieben.An apparatus and a method for determining deformations are known in US 8,797,515 B2 described.

Aus US 2008/0317090 A1 sind Möglichkeiten zur thermografischen zerstörungsfreien Bewertung an Objekten bekannt.Out US 2008/0317090 A1 are possibilities for thermographic non-destructive evaluation of objects known.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein berührungsloses, zerstörungsfreies Messverfahren für die Bestimmung von Inhomogenitäten oder Defekten an Bauteilen oder Proben oder Verbundwerkstoffen vorzuschlagen, das kostengünstig, in verkürzter Zeit durchführbar und mit dem dabei eine verbesserte Messgenauigkeit erreichbar ist.It is therefore an object of the invention to propose a non-contact, non-destructive measuring method for the determination of inhomogeneities or defects in components or samples or composite materials, which can be achieved cost-effectively, in a shorter time and with the thereby improved measurement accuracy.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.According to the invention, this object is achieved by a method having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird kohärente elektromagnetische Strahlung mit einem definierten Einfallswinkel auf einen Oberflächenbereich eines Bauteils oder einer Probe gerichtet. Der zum Beleuchten bestrahlte Oberflächenbereich wird auf einer mindestens zweidimensionalen Arrayanordnung optischer Detektoren abgebildet. Hierfür kann eine einfache und kostengünstige CCD-Kamera eingesetzt werden, die ein ausreichend großes zeitliches Aufnahmevermögen aufweisen sollte. Dabei erfolgt eine thermische und/oder mechanische Aktivierung am Bauteil oder der Probe in einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich. Mit der Arrayanordnung wird die Intensität von Speckle elektromagnetischer Strahlung, die in Folge der Bestrahlung von der Oberfläche emittiert wird, zeit- und ortsaufgelöst detektiert. Aus den so zeit- und ortsaufgelöst erfassten Intensitätsmesswerten wird die Temperatur bestimmt. Zusätzlich kann auch die Speckle-Diffusivität K bestimmt werden, um weitere Parameter von Bauteil oder Probe bestimmen zu können.In the method according to the invention, coherent electromagnetic radiation is directed at a defined angle of incidence onto a surface region of a component or a sample. The surface area irradiated for illumination is imaged on an at least two-dimensional array arrangement of optical detectors. For this purpose, a simple and inexpensive CCD camera can be used, which should have a sufficiently large temporal capacity. There is a thermal and / or or mechanical activation at the component or the sample at a distance to the irradiated surface area. With the array arrangement, the intensity of speckle electromagnetic radiation, which is emitted as a result of irradiation from the surface, detected time and spatially resolved. The temperature is determined from the intensity measured values recorded in this way in time and space. In addition, the speckle diffusivity K can also be determined in order to be able to determine further parameters of the component or sample.

Zur Bestimmung der Temperatur aus den Orts- und zeitaufgelöst erfassten Intensitäten kann die Differenzautokorrelationsfunktion Cτ genutzt werden.To determine the temperature from the local and time resolved detected intensities, the differential autocorrelation function Cτ can be used.

Dabei wird die Variation der zeitlichen Veränderung im einzelnen Pixel, also an einer Position mit den zweidiemnsionalen Koordinaten i und j verursacht durch die Reaktion der Oberfläche auf die thermische oder mechanische Aktivierung, anhand der folgenden Gleichung (1) erfasst:

RMS

Root Mean Square (quadratisches Mittel)

S(n, i, j)

Intensität bzw. Grauwert des n-ten Bildes

i, j

Pixelkoordinaten

τ

zeitliche Verschiebung

N

Anzahl der Bilder

In this case, the variation of the temporal change in the individual pixel, that is to say at a position with the two-dimensional coordinates i and j, caused by the reaction of the surface to the thermal or mechanical activation, is detected by the following equation (1):

RMS

Root Mean Square (root mean square)

S (n, i, j)

Intensity or gray value of the nth image

i, j

pixel coordinates

τ

time shift

N

Number of pictures

Diese Korrelationsfunktion kann von jedem oder auch nur von einer Position mit den Koordinaten i und j bestimmt werden. Die Differenzautokorrelationsfunktion Cτ wiederspiegelt in Abhängigkeit von den speziellen Materialeigenschaften indirekt den Temperaturverlauf an der Messstelle und kann als Speckle-Temperatur, auch optische Temperatur bezeichnet werden. Diese Temperatur kann in Kombination mit der Temperatur aus der thermographischen Messung zur Charakterisierung der Oberflächenbeschaffenheit (Inhomogenität, Defekte) der Probe genutzt werden.This correlation function can be determined by any or even only a position with the coordinates i and j. The differential autocorrelation function Cτ indirectly reflects the temperature profile at the measuring point as a function of the specific material properties and can be referred to as the speckle temperature, or optical temperature. This temperature can be used in combination with the temperature from the thermographic measurement to characterize the surface condition (inhomogeneity, defects) of the sample.

Mittels Thermographie wird an denselben Positionen des bestrahlten Oberflächenbereichs die Temperatur orts- und zeitaufgelöst erfasst. Die zu denselben Zeitpunkten an denselben Positionen mit beiden Verfahren erfassten Temperaturen werden addiert; wobei die Addition für mindestens zwei unterschiedliche Zeitpunkte durchgeführt wird. Daraus wird ortsaufgelöst die jeweilige Temperaturänderung bestimmt.By means of thermography, the temperature is recorded spatially and temporally resolved at the same positions of the irradiated surface area. The temperatures recorded at the same time at the same positions by both methods are added together; wherein the addition is performed for at least two different times. From this, the respective temperature change is determined spatially resolved.

Da sich infolge von Inhomogenitäten oder Defekten die Temperatur an den verschiedenen Positionen unterschiedlich verändert, kann eine Detektion solcher Unterschiede einfach erreicht werden. Inhomogenitäten oder Defekte können dabei auch lokalisiert und in ihren Abmessungen und mit ihrer Geometrie erkannt werden. Dabei können auch sehr klein dimensionierte Inhomogenitäten und Defekte erkannt und lokalisiert werden.Since the temperature varies differently at different positions due to inhomogeneities or defects, detection of such differences can be easily achieved. Inhomogeneities or defects can also be localized and recognized in their dimensions and with their geometry. Even very small inhomogeneities and defects can be detected and localized.

Durch Erstellung einer bildlichen Darstellung der ortsaufgelöst erfassten und mittels Speckle-Photometrie und Thermographie bestimmten Temperarturänderungen kann dies veranschaulicht und dokumentiert werden. Es können dabei zwei- oder dreidimensionale, auch farbige Darstellungen gewählt werden. In einfachster Form können zweidimensional Isothermen in Form von Linien zweidimensional dargestellt werden.This can be illustrated and documented by creating a pictorial representation of spatially resolved and temperature speckle changes determined by means of speckle photometry and thermography. Two or three-dimensional, even colored representations can be selected. In the simplest form two-dimensional isotherms in the form of lines can be displayed in two dimensions.

Es ist keine Mittelung einer Korrelationsfunktion erforderlich und es kann eine punktuelle oder bereichsweise Berechnung erfolgen, woraus die fraktale Dimension D_F ermittelt werden kann. Die fraktale Dimension D_F ändert sich bei erfassten und bestimmten Inhomogenitäten oder Defekten, was ebenfalls bildlich dargestellt und so sichtbar gemacht werden kann. Dabei können unterschiedliche Skalenbereiche der Korrelationsfunktion für die Berechnung der fraktalen Dimension genutzt und in entsprechend unterschiedlichen bildlichen Darstellungen anschaulich gemacht werden.No averaging of a correlation function is required and a punctual or regional calculation can be carried out from which the fractal dimension D _F can be determined. The fractal dimension D _F changes with recorded and determined inhomogeneities or defects, which can also be visualized and visualized. Different scale ranges of the correlation function can be used for the calculation of the fractal dimension and made clear in correspondingly different pictorial representations.

Die mittels Speckle-Photometrie oder die mittels Thermographie erfassten Temperaturwerte werden vor der Addition mit einem Faktor A oder B multipliziert, bevor deren Auswertung erfolgt. Die Faktoren A oder B werden dazu unter Berücksichtigung der Art von jeweils zu detektierenden Inhomogenitäten, Defekten, dem Werkstoff und/oder Werkstoffverbund des Bauteils oder der Probe gewählt.The temperature values recorded by means of speckle photometry or by means of thermography are multiplied by a factor A or B before the addition, before their evaluation takes place. The factors A or B are chosen in consideration of the type of inhomogeneities, defects, the material and / or material composite of the component or the sample to be detected.

So kann für eine Detektion von Fehlstellen/Defekten, die sich mit der thermischen Leitfähigkeit von der Umgebung stärker unterscheiden ein Faktor B größer 1 gewählt werden. Bei einer sich von der Umgebung stärker unterscheidenden thermischen Ausdehnung kann der Faktor A größer 1 für die mittels Speckle-Photometrie bestimmten Temperaturwerte gewählt werden.Thus, for a detection of defects / defects which differ more strongly with the thermal conductivity from the environment, a factor B greater than 1 can be selected. If the thermal expansion differs more strongly from the environment, the factor A greater than 1 can be selected for the temperature values determined by means of speckle photometry.

Prinzipiell besteht natürlich auch die Möglichkeit, beide erfassten Messwertarten mit jeweils einem Faktor A und B zu multiplizieren, wobei eine dem oben Ausgesagten entsprechende Wichtung der Größen dieser beiden Faktoren A und B gewählt werden sollte. So kann einmal der Faktor A und einmal der Faktor B größer als der jeweils andere Faktor gewählt worden sein. In principle, of course, there is also the possibility of multiplying both types of measured values by a factor A and B, wherein a weighting of the quantities of these two factors A and B corresponding to the above should be chosen. So once the factor A and once the factor B may have been greater than the other factor.

Es kann auch versucht werden durch eine Variation eines der beiden Faktoren A oder B bzw. beider Faktoren A und B eine Optimierung auf iterativem Wege durch eine Durchführung mehrerer Versuche zu erreichen.It can also be attempted, by a variation of one of the two factors A or B or of both factors A and B, to achieve an iterative optimization by carrying out a number of experiments.

Wie bereits angesprochen kann mit der bestimmten Speckle-Diffusivität K und vorab mit einem anderen Messverfahren für den jeweiligen Werkstoff oder Werkstoffverbund bestimmten Referenzwerten dann die jeweilige Härte, Porosität und/oder mechanische Spannung bestimmt werden.As already mentioned, the particular hardness, porosity and / or mechanical stress can then be determined with the specific speckle diffusivity K and, in advance, with a different measuring method for the respective material or composite material of specific reference values.

Die Erfindung kann für die unterschiedlichsten Werkstoffe und Verbundwerkstoffe, wie z. B. Faserverbundwerkstoffe, eingesetzt werden.The invention can be used for a wide variety of materials and composites, such. As fiber composites are used.

Die Intensität der von Speckle elektromagnetischer Strahlung, die in Folge der Bestrahlung von der Oberfläche emittiert wird, sollte bei mindestens zwei Zeitpunkten bestimmt werden. Eine häufigere Bestimmung innerhalb eines kleinen Zeitintervalls ist für eine erhöhte Genauigkeit jedoch günstiger.The intensity of speckle electromagnetic radiation emitted as a result of irradiation from the surface should be determined at at least two points in time. However, more frequent determination within a small time interval is more favorable for increased accuracy.

In der Regel kann die ortsaufgelöste Bestimmung mindestens zweidimensional in der Ebene der Oberfläche des Bauteils oder der Probe durchgeführt werden, um eine ausreichende Messgenauigkeit zu erreichen. Es ist aber auch eine dreidimensionale Bestimmung möglich. In diesem Fall kann die Arrayanordnung zusätzlich definiert bewegt werden, so dass die Abbildung des bestrahlten Oberflächenbereichs aus unterschiedlichen Positionen und/oder Richtungen detektierbar ist.In general, the spatially resolved determination can be performed at least two-dimensionally in the plane of the surface of the component or the sample in order to achieve a sufficient accuracy of measurement. But it is also a three-dimensional determination possible. In this case, the array arrangement can additionally be moved in a defined manner, so that the image of the irradiated surface area can be detected from different positions and / or directions.

Bei der Thermographie kann neben einer dazu geeigneten Kamera auch das Verfahren der Puls-Phasen- oder Lock-In-Thermographie eingesetzt werden.When thermography can be used in addition to a suitable camera and the method of pulse-phase or lock-in thermography.

Die elektromagnetische Strahlung sollte mit einem Einfallswinkel von 45° ± 20° in Bezug zur Oberfläche des Bauteils oder der Probe auf den bestrahlten Oberflächenbereich gerichtet werden. Dabei sollte eine Reflexion der auf die Oberfläche gerichteten elektromagnetischen Strahlung vollständig, zumindest jedoch zu einem erheblichen Anteil vermieden werden. Der Einfallswinkel ist auf die optische Achse der eingesetzten Strahlung bezogen, was auf divergente, fokussierte und selbstverständlich kollimierte Strahlung zutrifft. Kollimierte Strahlung hat den Vorteil, dass die Strahlung an jeder Position des bestrahlten Oberflächenbereichs mit dem gleichen Einfallswinkel auftrifft.The electromagnetic radiation should be directed to the irradiated surface area at an angle of incidence of 45 ° ± 20 ° with respect to the surface of the component or sample. In this case, a reflection of the surface directed to the electromagnetic radiation should be completely, but at least avoided to a considerable extent. The angle of incidence is related to the optical axis of the radiation used, which applies to divergent, focused and, of course, collimated radiation. Collimated radiation has the advantage that the radiation impinges at the same angle of incidence at every position of the irradiated surface area.

Bei der Durchführung des Verfahrens wird die Messstelle durch Bestrahlung mit kohärenter elektromagnetischer Strahlung beleuchtet. Gleichzeitig wird in einem Abstand zur so beleuchteten Oberfläche durch einen Energieeintrag eine thermische Aktivierung durchgeführt, um das Bauteil oder die zu untersuchende Probe in einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich zu erwärmen. In Folge der Wärmeleitung treten charakteristische Speckle-Bewegungen auf, die als Folge von Bildern der bestrahlten Fläche mit einer CCD-Kamera als Beispiel für eine Arrayanordnung aufgenommen und mit einer angeschlossenen elektronischen Auswerteeinheit ausgewertet werden können. Die so erfassten Aufnahmen können für die weiteren Auswertungen aufbereitet werden. Als Ergebnis erhält man einen Äquivalent-Wert zur gesuchten Werkstoffeigenschaft, d. h. in einem Fall kann die Härte bestimmt werden. Mit einer bei der Erfindung einsetzbaren Arrayanordnung oder CCD-Kamera muss nicht der gesamte bestrahlte Oberflächenbereich berücksichtigt werden. Es genügt eine ausreichend große Fläche, innerhalb derer die sich verändernden Intensitäten der gestreuten Strahlung, die als Speckle optisch detektiert werden können, erfasst werden.In carrying out the method, the measuring point is illuminated by irradiation with coherent electromagnetic radiation. At the same time, a thermal activation is carried out at a distance from the surface thus illuminated by an energy input in order to heat the component or the sample to be examined at a distance from the irradiated surface region. As a result of the heat conduction characteristic speckle movements occur, which can be recorded as a result of images of the irradiated area with a CCD camera as an example of an array arrangement and evaluated with a connected electronic evaluation unit. The recorded images can be processed for further evaluations. As a result, one obtains an equivalent value to the sought material property, i. H. in one case the hardness can be determined. With an array arrangement or CCD camera which can be used in the invention, it is not necessary to take into account the entire irradiated surface area. Sufficiently large area is sufficient within which the changing intensities of the scattered radiation, which can be optically detected as speckles, are detected.

Bei der Thermographie kann die Temperaturänderung infolge thermischer Leitung ausgehend von der Position an der der Energieeintrag durch Aktivierung erfolgt ist, bis über die gesamte Fläche des bestrahlten Oberflächenbereichs ortsaufgelöst erfasst werden.In thermography, the temperature change due to thermal conduction from the position where the energy input has been made by activation can be detected in a spatially resolved manner over the entire area of the irradiated surface area.

Für die Bestrahlung der Oberfläche kann von einer Laserlichtquelle emittierte kohärente elektromagnetische Strahlung eingesetzt werden. Die Wellenlänge muss nicht zwingend unter Berücksichtigung der Oberflächenrauheit der detektierten Oberfläche ausgewählt werden. Die thermische Aktivierung, insbesondere eine lokale Erwärmung der Probenoberfläche kann kontinuierlich oder gepulst in einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich durchgeführt werden. Der Abstand kann unter Berücksichtigung des Temperaturgradienten und/oder der thermischen Leitfähigkeit des zu untersuchenden Werkstoffs gewählt werden. Es sollte ein Abstand der Position an der die Aktivierung erfolgt eingehalten werden, der eine unmittelbare direkte und zeitgleiche Beeinflussung des Werkstoffs im bestrahlten Bereich vermeidet. Zur Erwärmung kann beispielsweise ein CO₂-Laser eingesetzt werden. Für die Aufnahme der Speckle-Dynamik kann eine beliebige CCD-Kamera mit variabler Bildaufnahmegeschwindigkeit eingesetzt werden. Mit zusätzlichen optischen Elementen, die vor der CCD-Kamera angeordnet sein können, kann eine Vergrößerung der Abbildung erreicht werden.For the irradiation of the surface can be used by a laser light source emitted coherent electromagnetic radiation. The wavelength does not necessarily have to be selected taking into account the surface roughness of the detected surface. The thermal activation, in particular local heating of the sample surface can be carried out continuously or pulsed at a distance from the irradiated surface area. The distance can be selected taking into account the temperature gradient and / or the thermal conductivity of the material to be examined. It should be one Distance of the position at which the activation is carried out, which avoids an immediate direct and simultaneous influence of the material in the irradiated area. For heating, for example, a CO ₂ laser can be used. To record the speckle dynamics, any CCD camera with variable image acquisition speed can be used. With additional optical elements that can be arranged in front of the CCD camera, an enlargement of the image can be achieved.

Die erfass- und auswertbaren Speckle-Bilder entstehen bei kohärenter Beleuchtung einer optisch rauen Oberfläche mit elektromagnetischer Strahlung, die unter einem definierten Einfallswinkel auf die Oberfläche auftrifft. Die Unebenheiten der Oberfläche bilden dabei Streuzentren, von denen Kugelwellen unterschiedlicher Phase ausgehen, die im Fernfeld interferieren, was in 2 erkennbar ist. Es tritt eine räumliche Struktur mit zufällig verteilten Intensitätsminima und -maxima auf, die als ein Speckle-Bild bezeichnet werden kann.The detectable and evaluable speckle images result from coherent illumination of an optically rough surface with electromagnetic radiation which impinges on the surface at a defined angle of incidence. The unevenness of the surface thereby form scattering centers, from which spherical waves emanate of different phase, which interfere in the far field, what in 2 is recognizable. A spatial structure occurs with randomly distributed intensity minima and maxima, which can be referred to as a speckle image.

Zur Bestrahlung kann elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren bis nahen infraroten Bereich eingesetzt werden. Bei Untersuchungen wurde hauptsächlich eine He-Ne-Laserquelle (Wellenlänge λ = 663 nm, Leistung 10 mW, Strahldurchmesser 1 mm) eingesetzt. Der Laserstrahldurchmesser kann durch die Benutzung entsprechender Sammel- oder Streulinsen variiert werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren können auch andere, z. B. eine blaue Laserquelle (λ = 405 nm) oder eine Infrarotlaserquelle (λ = 1064 nm) eingesetzt werden.For irradiation electromagnetic radiation with wavelengths in the visible to near infrared range can be used. In investigations mainly a He-Ne laser source (wavelength λ = 663 nm, power 10 mW, beam diameter 1 mm) was used. The laser beam diameter can be varied by using appropriate collection or scattering lenses. In the process according to the invention, other, for. B. a blue laser source (λ = 405 nm) or an infrared laser source (λ = 1064 nm) can be used.

Die bei Bestrahlung mit den unterschiedlichen Wellenlängen erfassten Speckle-Muster zeigt 3. Dabei sind scharfe lokale Helligkeitsmaxima an Positionen, an denen Strahlung von verschiedenen Oberflächenbereichen interferiert, erkennbar. Der Durchmesser eines Speckles ist proportional zur Wellenlänge der eingesetzten elektromagnetischen Strahlung. Der Durchmesser und die Intensität eines einzelnen Speckles werden außerdem von der Rauhigkeit der Probenoberfläche beeinflusst. Je rauer die Oberfläche ist, desto niedriger ist die Intensität und umso größer der Kontrast. Durch die Wahl einer Laserquelle mit geeigneter Wellenlänge zum Bestrahlen, ist es beispielsweise möglich, die Härte unabhängig von der Oberflächenrauhigkeit zu bestimmen, da zusätzlich die Speckle-Intensität mittels einer geeigneten Auswertesoftware angepasst werden kann.The speckle pattern detected by irradiation at the different wavelengths shows 3 , In this case, sharp local brightness maxima are detectable at positions at which radiation from different surface areas interferes. The diameter of a speckle is proportional to the wavelength of the electromagnetic radiation used. The diameter and intensity of a single speckle are also affected by the roughness of the sample surface. The rougher the surface, the lower the intensity and the greater the contrast. By choosing a laser source with a suitable wavelength for irradiation, it is possible, for example, to determine the hardness independently of the surface roughness, since in addition the speckle intensity can be adjusted by means of a suitable evaluation software.

Die lokale thermische Aktivierung kann auch mit einer Flamme, induktiv oder mit der Hilfe anderer lokaler Wärmequellen durchgeführt werden. Die sich ausbreitende Wärme führt lokal zu unterschiedlich starker thermischer Ausdehnung. Es bilden sich örtlich und zeitlich abhängige Dehnungsfelder an der Werkstoffoberfläche. Eine raue Oberfläche reagiert unter dieser Anregung mit der Veränderung der Neigung der Oberflächennormale und der absoluten Höhe der Oberflächenrauheit. Diese räumlich-zeitlichen Veränderungen enthalten Informationen über den Werkstoffzustand. Abbilder dieser thermisch stimulierten Verschiebungsfelder auf der Oberfläche sind die zeitlich aufgelösten Speckle-Aufnahmen. In 4 sind solche Änderungen in der Speckle-Struktur erkennbar. Die Art und die Länge der Erwärmung (Energie und Leistung) bestimmen die Anregung der Tiefe im Bauteil/Probe, aus der auswertbare Informationen erfasst werden können.The local thermal activation can also be carried out with a flame, inductive or with the help of other local heat sources. The spreading heat leads locally to different degrees of thermal expansion. Locally and temporally dependent strain fields form on the material surface. A rough surface under this excitation reacts with the change in the slope of the surface normal and the absolute height of the surface roughness. These spatio-temporal changes contain information about the state of the material. Images of these thermally stimulated shift fields on the surface are the temporally resolved speckle images. In 4 such changes in the speckle structure are recognizable. The type and length of the heating (energy and power) determine the excitation of the depth in the component / sample, from which the evaluable information can be detected.

Die Aufnahme der Speckle-Bewegungen kann mittels einer CCD-Kamera erfolgen, die mindestens 20 Bilder/Sekunde aufnehmen kann. Höhere Bilderfassungsraten sind vorteilhaft. Bilderfassungsraten größer 200 Bilder/Sekunde verursachen jedoch große Datenmengen, die aufwändig ausgewertet werden müssen. Für die Reduzierung des erforderlichen Speicherplatzes sollte es möglich sein, mittels geeigneter Kamera-Software die Bildfrequenz und Bildergröße zu verändern. Hilfreich sind Funktionen, wie eine automatische Bildoptimierung und die Einstellung des Pixeltakts und der Belichtungszeit. Es kann eine monochromatische oder Farb-CCD-Kamera verwendet werden.The recording of the speckle movements can be done by means of a CCD camera, which can record at least 20 frames / second. Higher image acquisition rates are advantageous. Image capture rates greater than 200 images / second, however, cause large amounts of data, which must be laboriously evaluated. In order to reduce the required storage space, it should be possible to change the frame rate and image size with the help of suitable camera software. Helpful features include automatic image enhancement and pixel clock and shutter speed adjustment. A monochromatic or color CCD camera can be used.

Die den Speckle-Bewegungen entsprechenden Messsignale, insbesondere die erfassten Grauwerte, sollten für die weitere Auswertung entsprechend vorbereitet werden. Die erfasste Bildfolge kann zuerst in einzelne Bilder mit Hilfe eines geeigneten Programms (hier: Virtual – Dub V 1.9.7.) geteilt und die einzelnen Bilder als bmp-Format in Graustufen gespeichert werden. Jedes Einzelbild kann dann auf eine Größe von 100×100 Pixel reduziert werden. Der letzte Schritt kann durch eine angepasste Kameraeinstellung ersetzt werden.The measuring signals corresponding to the speckle movements, in particular the recorded gray values, should be prepared accordingly for the further evaluation. The acquired image sequence can first be divided into individual images using a suitable program (here: Virtual - Dub V 1.9.7.) And the individual images can be saved as bmp format in grayscale. Each frame can then be reduced to a size of 100 × 100 pixels. The last step can be replaced by a custom camera setting.

Im Zeitverlauf ändern sich die Lage und Helligkeit der Speckles, bedingt durch die Änderungen der Dehnungsfelder der Oberfläche während der Ausbreitung der lokal eingebrachten Wärme. Der Oberflächenzustand und damit die konkreten Speckle-Bilder sind Funktionen der Dehnungsfelder εi, j(t, R) (t – die Zeit, R der Ort der Messung und i, j – jeweils die Koordinatenachsen x, y) in der Probe. Diese wiederum sind über die Gleichung (1) der thermischen Ausdehnung mit der Temperatur T(t, R) und über die elastischen Gesetze mit den mechanischen Spannungen δi, j(t, R) verbunden:

Over time, the location and brightness of the speckles change due to the changes in surface strain fields during the propagation of locally introduced heat. The surface state and thus the concrete speckle images are functions of the strain fields εi, j (t, R) (t - the time, R the location of the measurement and i, j - the coordinate axes x, y) in the sample. These are in turn connected to the equation (1) of the thermal expansion with the temperature T (t, R) and via the elastic laws with the mechanical stresses δi, j (t, R):

Dabei ist Si, j, k, l eine Konstante (das Reziproke der elastischen Konstanten) und T0 die Umgebungstemperatur. Die lokal eingebrachte Wärmemenge verteilt sich in Zeit und Raum über die Probe nach der Thermodiffusionsgleichung

die für die ortsaugelöste Bestimmung der Temperatur durch Speckle-Photometrie ebenfalls genutzt werden könnte.Here, Si, j, k, l is a constant (the reciprocal of elastic constants) and T0 is the ambient temperature. The locally introduced amount of heat is distributed in time and space over the sample according to the thermal diffusion equation

which could also be used for locally accurate determination of the temperature by speckle photometry.

Um ggf. zusätzlich geeignete Informationen zur Härte aus den Intensitäten der Speckle-Bilder abzuleiten, kann die Speckle-Diffusivität „K” herangezogen werden:

In order additionally to derive suitable information on the hardness from the intensities of the speckle images, the speckle diffusivity "K" can be used:

I = I(t, x, y, z) ist hier die Intensität der Speckle als Funktion der Zeit und Messkoordinaten x, y, z am Messort. Bei der Aufnahme mit einer zweidimensionalen CCD-Kamera oder einer Arrayanordnung optischer Detektoren entfällt in der Regel die z-Koordinate. Diese dritte Dimension kann aber falls gewünscht oder erforderlich, durch definierte und bei der Auswertung zu berücksichtigende Bewegung der Kamera oder Arrayanordnung erfasst werden.I = I (t, x, y, z) is here the intensity of speckle as a function of time and measurement coordinates x, y, z at the measurement location. When shooting with a two-dimensional CCD camera or an array of optical detectors usually eliminates the z-coordinate. However, if desired or required, this third dimension can be detected by defined movement of the camera or array arrangement to be taken into consideration during the evaluation.

Da die zeitlichen Veränderungen von I(t) durch die Dehnungen ε = εi, j(t, R) gegeben sind, können die Ableitungen in Gleichung (3), wie folgt geschrieben werden:

Since the time variations of I (t) are given by the strains ε = εi, j (t, R), the derivatives in equation (3) can be written as follows:

Die Verwendung von Quotienten der Ableitungen der Speckle-Intensitäten hat den großen Vorteil, dass sich bestimmte Einflüsse der bei der Ableitung auftretenden Terme

wegkürzen, dies ist z. B. ein ortsunabhängiger Skalenfaktor, wie die Intensität der Laserstrahlung.The use of quotients of the derivatives of the speckle intensities has the great advantage that certain influences of the terms occurring in the derivation

shorten away, this is z. B. a location-independent scale factor, such as the intensity of the laser radiation.

Der ebenfalls auftauchende Term

kann vernachlässigt werden, da im Rahmen einer linearen Theorie (Hook'sches Gesetz) quadratische Ausdrücke in εi, j(t, R) nicht berücksichtigt werden müssen.The term that also appears

can be neglected, since quadratic expressions in εi, j (t, R) do not have to be considered within the framework of a linear theory (Hooke's law).

Anstelle der Ableitungen in Gl. (3) könnte auch eine Speckle-Geschwindigkeit Vx (Gl. (6)) berücksichtigt werden.Instead of the derivatives in Eq. (3) a speckle velocity Vx (Eq. (6)) could also be taken into account.

Für die Härtebestimmung kann der Betrag der Speckle-Diffusivität K benutzt werden.For hardness determination, the amount of speckle diffusivity K can be used.

Als Ergebnis erhält man einen Betragswert der Speckle-Diffusivität K nach Gleichung (3). Es konnte eine direkte Korrelation des Parameters K mit den mechanischen Kenngrößen und ebenfalls mit der thermischen Leitfähigkeit festgestellt werden. Durch die Umrechnung der Einheiten kann aus der Speckle-Diffusivität K zusätzlich die Temperaturleitfähigkeit in m²/s berechnet werden. Die Voraussetzung dafür ist, dass die Veränderungen der Speckle in z–Achsrichtung berücksichtigt werden. Um den gemessenen Werten der Speckle-Diffusivität K einem bestimmten Härtewert des untersuchten Werkstoffs zuordnen zu können, ist eine Kalibrierung für die untersuchten Werkstoffe erforderlich. Hierzu wird an Proben aus dem gleichen Werkstoff die mechanische Härte mit anderen etablierten Messverfahren, beispielsweise nach Vickers, Rockwell oder Brinell gemessen. Anschließend kann dann an denselben Proben der Parameter Speckle-Diffusivität K und somit eine Kalibrierfunktion der entsprechenden Regressionsgeraden bestimmt werden.As a result, an amount value of speckle diffusivity K according to equation (3) is obtained. It was possible to establish a direct correlation of the parameter K with the mechanical parameters and also with the thermal conductivity. By converting the units, the temperature conductivity in m ² / s can additionally be calculated from the speckle diffusivity K. The prerequisite for this is that the changes in the speckle in the z-axis direction are taken into account. In order to be able to assign the measured values of the speckle diffusivity K to a specific hardness value of the examined material, a calibration for the examined materials is necessary. For this purpose, the mechanical hardness is measured with other established measuring methods, for example according to Vickers, Rockwell or Brinell, on samples of the same material. Subsequently, the parameter speckle diffusivity K and thus a calibration function of the corresponding regression line can then be determined on the same samples.

Ergebnisse solcher Untersuchungen zeigt beispielhaft 5. Es ist deutlich zu sehen, dass der Betrag der Speckle-Diffusivität K mit steigender Härte abnimmt. Dazu wurden Fe-C-Legierungen (Stahl) mit unterschiedlichen Kohlenstoffanteilen untersucht. Die Härtewerte der Ti- und Ni-Legierungen sind bei den untersuchten Proben durch Oberflächenverfestigung mittels Kugelwalzen und Sandstrahlen entstanden. Mit Hilfe der nach den durchgeführten Intensitätsmessungen an Speckle ermittelten Werte der Speckle-Diffusivität K und den mechanisch vorab an Vergleichproben gemessenen Härtewerten HV2 wurde für jeden untersuchten Stahl und die beiden Legierungen als zu untersuchendem Werkstoff die Regressionsgerade berechnet. Die Parameter dieser Regressionsgeraden sind in einzelnen Diagrammen für jeden untersuchten Stahl und die Legierungen in 6 eingefügt. Durch Rückrechnung wurde aus der Speckle-Diffusivität K und den Regressionsparametern die Härte des geprüften Baustahls bzw. die Oberflächenhärte der Ni- und Ti-Legierung bestimmt. 6 zeigt die Korrelation der experimentellen Werte der Härtemessung (Kreise) und der aus der Kalibrierung berechneten Härte (gestrichelte Linie).Results of such investigations are exemplary 5 , It can clearly be seen that the amount of speckle diffusivity K decreases with increasing hardness. For this purpose, Fe-C alloys (steel) with different carbon contents were investigated. The hardness values of the Ti and Ni alloys in the examined samples were formed by surface hardening by means of ball rolling and sandblasting. With the help of the speckle diffusivity K values obtained after the intensity measurements at Speckle and the hardness values HV2 measured mechanically in advance on reference samples, the regression line was calculated for each of the examined steels and the two alloys as the material to be investigated. The parameters of these regression lines are shown in individual diagrams for each steel examined and the alloys in 6 inserted. By recalculation, the hardness of the tested structural steel or the surface hardness of the Ni and Ti alloys was determined from the speckle diffusivity K and the regression parameters. 6 shows the correlation of the experimental values of the hardness measurement (circles) and the hardness calculated from the calibration (dashed line).

Die Größe des bestrahlten Oberflächenbereichs kann an den jeweiligen Werkstoff oder Verbundwerkstoff angepasst werden. Die bestrahlte Oberfläche sollte bei grob strukturierten Werkstoffen, das heißt solche mit großen Partikeln oder Poren, größer als bei feineren Oberflächen mit kleineren Partikeln oder Poren sein.The size of the irradiated surface area can be adapted to the respective material or composite material. The irradiated surface should be larger in coarsely structured materials, ie those with large particles or pores, than in finer surfaces with smaller particles or pores.

Das Ergebnis einer Bestimmung der Porosität kann analog zur Härtemessung angegeben werden. Dabei ergibt sich eine Korrelation des Betrags der Speckle-Diffusivität K zur Porosität des Werkstoffes. Die quantitative Bewertung verschiedener Porositäten eines Werkstoffs ist mittels einer Kalibrierung der berechneten Werte für die Speckle-Diffusivität K an die mit anderen Messverfahren bestimmten Porositäten möglich. Hierfür geeignete Messverfahren sind beispielsweise:

• – Geometrische Bestimmung des Volumens und Wiegen der Probe. Aus der so ermittelten Dichte ρ kann mittels der Beziehung
  
  die Porosität Φ mit ρ0 als Dichte des absolut dichten Materials bestimmt werden.
• – Bestimmung nach dem „Archimedischen Prinzip”.
• – Bestimmung der Porosität, insbesondere der geschlossenen, an Hand metallographischer Schliffbilder durch Bildauswertung.

The result of a determination of the porosity can be given analogously to the hardness measurement. This results in a correlation of the amount of speckle diffusivity K to the porosity of the material. The quantitative evaluation of different porosities of a material is possible by means of a calibration of the calculated values for the speckle diffusivity K to the porosities determined by other measuring methods. Suitable measuring methods for this purpose are, for example:

• - Geometric determination of the volume and weighing the sample. From the thus determined density ρ can be determined by means of the relationship
  
  the porosity Φ with ρ0 is determined as the density of the absolutely dense material.
• - Determination according to the "Archimedean Principle".
• - Determination of the porosity, in particular the closed, on-hand metallographic micrographs by image evaluation.

Ein Beispiel für die Korrelation der Porosität mit dem Betrag der Speckle-Diffusivität K ist in 7 verdeutlicht. Der Wert der Speckle-Diffusivität K nimmt mit zunehmender Porosität ab. Die Bestimmung der Porosität wurde bei diesem Beispiel an zwei Kupfer-Faser-Strukturen und einer Aluminium-Schaum-Struktur mit unterschiedlichen Porositäten durchgeführt.An example of the correlation of porosity with the amount of speckle diffusivity K is in FIG 7 clarified. The value of speckle diffusivity K decreases with increasing porosity. The determination of Porosity was performed in this example on two copper fiber structures and one aluminum foam structure with different porosities.

Mittels Speckle-Photometrie können auch sich verändernde mechanische Spannungen an der Oberfläche von Bauteilen/Proben bestimmt werden. Im Unterschied zur Härte- und Porositätsbestimmung kann hier die thermische durch eine mechanische Aktivierung ersetzt oder in Kombination mit der thermischen Aktivierung eingesetzt werden.By means of speckle photometry also changing mechanical stresses on the surface of components / samples can be determined. In contrast to hardness and porosity determination, the thermal can be replaced by mechanical activation or used in combination with thermal activation.

Der Messaufbau für die mechanische Spannungsbestimmung kann sich durch die Art der Aktivierung/Anregung unterscheiden. Dabei können Kräfte in einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich am Bauteil oder der Probe wirken. Dies ist immer dann der Fall, wenn allein durch thermische Aktivierung keine für eine Detektion ausreichenden mechanischen Spannungsdifferenzen erreicht werden können. Bevorzugt können Zugkräfte wirken. Diese oder auch Druckkräfte können je nach Messaufgabe konstant gehalten oder auch als wechselnd wirkende Kräfte am Bauteil/Probe angreifen.The measurement setup for the mechanical voltage determination may differ by the type of activation / excitation. In this case, forces can act at a distance to the irradiated surface area on the component or the sample. This is always the case when thermal activation alone can not achieve sufficient mechanical voltage differences for a detection. Preferably, tensile forces can act. Depending on the measuring task, these or also compressive forces can be kept constant or even act as alternating forces on the component / sample.

Infolge einer mechanischen Krafteinwirkung (Last) oder einer Temperaturänderung kommt es zu Änderungen der Probenoberfläche. Die Speckle-Diffusivität K(t) berechnet nach Gleichung (4) erfasst diese Veränderungen im Zeitverlauf. Integriert man diese Konstante von einer Startzeit to bis zur Zeit t, dann lässt sich die Veränderung der Spannung Δσ(t, R) = σ(t, R) – σ(to, R) = Δσ(t) + δσ(t, R) unter Kenntnis der sich dabei veränderten Temperatur ΔT(t, R) = T(t, R) – T(to, R) = ΔT(t) + δT(t, R) bestimmen. Δσ(t) und ΔT(t) sind die für den Messbereich gemittelten Spannungen (Ingenieurspannungen) und Temperaturen, die Spannungs- und Temperaturschwankungen werden durch δσ(t, R) und δT(t, R) erfasst. Für die Ableitung der erforderlichen Bestimmungsgleichung erhält man aus Gl. (4) zunächst

wobei die Größe C die lokalen Spannungs- und Temperaturschwankungen (δσ(t, R) und δT(t, R)) gemäß Gl (4) enthält und Anteile der zeitlichen Schwankungen von

– zeitlicher Mittelwert) berücksichtigt sind. Für die weitere Auswertung kann weiterhin angenommen werden, dass der Schwankungsterm C als Konstante multipliziert mit der Zeitdifferenz Δt = t – to ersetzt werden kann. Im Ergebnis lässt sich Gl. (7) wie folgt zusammenfassen: ΔK(t) = A·Δσ(t)/E + B·α·ΔT(t) + C·Δt. (8) As a result of a mechanical force (load) or a change in temperature, there are changes in the sample surface. The speckle diffusivity K (t) calculated according to equation (4) detects these changes over time. If one integrates this constant from a start time to until the time t, then the change of the voltage Δσ (t, R) = σ (t, R) -σ (to, R) = Δσ (t) + δσ (t, R) with knowledge of the change in temperature ΔT (t, R) = T (t, R) -T (to, R) = ΔT (t) + δT (t, R). Δσ (t) and ΔT (t) are the averaged voltages (engineering stresses) and temperatures, the voltage and temperature fluctuations are detected by δσ (t, R) and δT (t, R). For the derivation of the required equation of equations one obtains from Eq. (4) first

where the quantity C contains the local voltage and temperature fluctuations (δσ (t, R) and δT (t, R)) according to Eq. (4) and parts of the time variations of

- time average) are taken into account. For the further evaluation, it can furthermore be assumed that the fluctuation term C can be replaced as a constant multiplied by the time difference Δt = t-to. As a result, Eq. (7) summarize as follows: ΔK (t) = A · Δσ (t) / E + B · α · ΔT (t) + C · Δt. (8th)

Hier sind E der mittlere E-Modul und α der mittlere Koeffizient der thermischen Ausdehnung. Die Größen A, B und C sind zunächst unbekannt und müssen in einem geeigneten Verfahren ermittelt werden. Wenn man die Spannungsänderungen Δσ(t) aus der zeitabhängigen Speckle-Diffusivität ΔK(t) bei bekannten Temperaturveränderungen ΔT(t) ermitteln will, kann Gl. (8) in geeigneter Form umgestellt werden: Δσ(t) = P₁·ΔK(t) + P₂ ·E·α·ΔT(t) + P₃·Δt. (9) Here E is the mean modulus and α is the mean coefficient of thermal expansion. The sizes A, B and C are initially unknown and must be determined by a suitable method. If one wants to determine the voltage changes Δσ (t) from the time-dependent speckle diffusivity ΔK (t) at known temperature changes ΔT (t), Eq. (8) be converted in a suitable way: Δσ (t) = P ₁ · ΔK (t) + P ₂ · E · α · ΔT (t) + P ₃ · Δt. (9)

P1, P2 und P3 wurden als neue Parameter eingeführt, die durch einen Kalibrierversuch bestimmt werden können. Dazu werden am optischen Messort eine Referenzspannung, z. B. gegeben in einem Zug oder Biegeversuch, und die Temperatur benötigt.P1, P2 and P3 were introduced as new parameters that can be determined by a calibration trial. For this purpose, a reference voltage, for. B. given in a train or bending test, and the temperature needed.

Die Ergebnisse dieser Kalibrierung sind in 8 zusammengefasst. Die mechanische Spannungsbestimmung wurde während eines Zugversuchs an dem höherfesten Baustahl S355 vorgenommen.The results of this calibration are in 8th summarized. The mechanical stress determination was carried out during a tensile test on the higher strength structural steel S355.

Mit dem bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einsetzbaren Messaufbau kann zusätzlich auch die Schädigung oder Ermüdung eines Werkstoffs bestimmt werden. Zur Bewertung der bei plastischer Verformung oder bei zyklischer Beanspruchung auftretenden Werkstoffschädigung kann das fraktale Verhalten der Verformungsstrukturen herangezogen werden. Diese Verformungsstrukturen bilden sich im Verlaufe der Ermüdung an der Werkstoffoberfläche und zeigen in den sich herausbildenden Oberflächentopographien „Mesostrukturen”, die z. B. mit Hilfe eines Rasterkraftmikroskops vermessen werden können.In addition, the damage or fatigue of a material can also be determined by means of the test setup which can be used in carrying out the method according to the invention. The fractal behavior of the deformation structures can be used to evaluate the material damage occurring during plastic deformation or cyclic loading. These deformation structures are formed in the Run the fatigue at the material surface and show in the emerging surface topographies "mesostructures" z. B. can be measured with the help of an atomic force microscope.

Auch die Durchführung ist weitestgehend analog zu der Bestimmung von Härte, Porosität und mechanischer Spannungen. Lediglich bei der Auswertung, wird nicht die detektierte Speckle-Diffusivität K bestimmt und berücksichtigt.The implementation is largely analogous to the determination of hardness, porosity and mechanical stresses. Only in the evaluation, the detected speckle diffusivity K is not determined and considered.

Die thermische Anregung kann hier analog zur Härtebestimmung, aber auch mechanisch, wie bei der Bestimmung mechanischer Spannungen durchgeführt werden.The thermal excitation can be carried out analogously to the determination of hardness, but also mechanically, as in the determination of mechanical stresses.

Die „Mesostrukturen” sind stochastische oder nicht reguläre Strukturen, die im Zeitverlauf der Ermüdung auf verschiedenen Skalen erscheinen. Unterlegt man diese Eigenschaft einer fraktalen Analyse, so kann das Skalenverhalten charakterisiert und demzufolge auch die Schädigung bzw. der Ermüdungszustand des Werkstoffs bestimmt werden.The "mesostructures" are stochastic or non-regular structures that appear on different scales over time of fatigue. Underlining this property of a fractal analysis, the scale behavior can be characterized and consequently also the damage or the fatigue state of the material can be determined.

Die Oberflächentopografien mit Höhen Z(r) sind Funktionen des Ortes. Verändert man die Skala des Ortsvektors r gemäß r → λr, wobei r = (x, y) ein lateraler Bezugschritt ist, so kann für Systeme mit selbstähnlichen, fraktalen Strukturen Z(r) nach folgendem Skalengesetz transformiert werden: Z(λr) = λ^H·Z(r) mit H = 2 – D_F (10) The surface topographies with heights Z (r) are functions of the place. If one changes the scale of the position vector r according to r → λr, where r = (x, y) is a lateral reference step, then for systems with self-similar, fractal structures Z (r) the following scale law can be used: Z (λr) = λ ^H · Z (r) with H = 2 - D _F (10)

Die Größe λ ist ein willkürlicher Skalenparameter. Anstelle des Parameters H wird üblicherweise die fraktale Dimension DF benutzt. Bei eindimensionalen Funktionen gilt 1 < DF < 2. Ein Skalenverhalten wie in Gl. (10) ist in der Regel nur für ideale oder mathematische Fraktale im gesamten Raum bzw. für alle Zeiten erfüllt. Physikalische Fraktale hingegen weisen nur in begrenzten Bereichen ein solches Skalenverhalten auf, das aber zur Charakterisierung der Struktur in diesem ,Mesobereich' verwendet werden kann. Für eine mathematische Analyse von Messgrößen hinsichtlich ihres Skalenverhaltens eignen sich Korrelations-Funktionen. Für die Auswertung der zweidimensionalen Signale kann die Differenz-Korrelationsfunktion C(τ, q) = <(Z(t + τ) – Z(t ))^q> (11) benutzt werden. Der Term <...> ist dabei die Mittelung über alle Messzeiten t bei fixiertem Wert von τ. Der Exponent q gestattet es, durch Grenzwertbildung 1/q → 0 verschiedene Beiträge in Z(t), z. B. gerätebedingte zufällige Störeinflüsse, zu eliminieren. Im Falle fraktalen Verhaltens folgt aus Gl (11) C(τ) ≈ τ^q·H(q). (12) The size λ is an arbitrary scale parameter. Instead of the parameter H, the fractal dimension DF is usually used. For one-dimensional functions, 1 <DF <2. A scale behavior as in Eq. (10) is usually satisfied only for ideal or mathematical fractals throughout the room or for all times. Physical fractals, on the other hand, have such a scale behavior only in limited areas, but this can be used to characterize the structure in this 'meso area'. For a mathematical analysis of measured variables with regard to their scale behavior, correlation functions are suitable. For the evaluation of the two-dimensional signals, the difference correlation function C (τ, q) = <(Z (t + τ) - Z (t)) ^q > (11) to be used. The term <...> is the averaging over all measuring times t at a fixed value of τ. The exponent q makes it possible, by forming a limit 1 / q → 0 different contributions in Z (t), z. B. device-related accidental interference, to eliminate. In the case of fractal behavior, Eq. (11) C (τ) ≈ τ ^{q · H (q)} . (12)

Aus Gl (12) und der Beziehung D_F(q) = 2 – H(q) (13) kann die Größe der ,Fraktalen Dimension – DF' ermittelt werden. Mit dem ermittelten Wert DF kann der Schädigungs- bzw. Ermüdungszustand des Werkstoffs ermittelt werden.From Eq. (12) and the relationship D _F (q) = 2 - H (q) (13) The size of the, fractal dimension - DF 'can be determined. With the determined value DF, the damage or fatigue state of the material can be determined.

Für eine solche fraktale Analyse können die integrierten Intensitätssignale IS der detektierten Speckle-Intensitäten nach Gleichung (14) genutzt werden.For such a fractal analysis, the integrated intensity signals IS of the detected speckle intensities according to equation (14) can be used.

nmax ist dabei die Anzahl der zeitlich nachfolgend mit einer Arrayanordnung erfassten Bilder eines Videos und gibt die Zeitabhängigkeit an. Sn, i, j ist der Grauwert des Speckle-Intensitätssignals im n-ten Bild, wobei i und j die Koordinaten des Pixels in den Speckle-Mustern sind. S _i,j ist der Mittelwert der Zeitreihe von Grauwerten des Speckle-Interitätssignals im i- und j-ten Pixel. Die Integration der Intensitätssignalzeitreihe unterdrückt die Störsignale, wie z. B. die Luftkonvektion bei einer Flammenerwärmung.In this case, nmax is the number of images of a video captured temporally using an array arrangement and indicates the time dependency. Sn, i, j is the gray value of the speckle intensity signal in the nth image, where i and j are the coordinates of the pixel in the speckle patterns. S _{i, j} is the mean value of the time series of gray values of the speckle-quality signal in the i- and j-th pixels. The integration of the intensity signal time series suppresses the interference signals, such. B. the air convection in a flame heating.

Für eine Datenreihe IS kann die Differenz-Korrelationsfunktion C entsprechend der Gleichung (9) definiert als

berechnet werden, wobei τ einem Zeitversatz entspricht. Das fraktale Verhalten wird nach Gleichung (10) beschrieben und die fraktale Dimension aus Gleichung (11) berechnet.For a data series IS, the difference correlation function C can be defined according to equation (9) as

are calculated, where τ corresponds to a time offset. The fractal behavior is described according to equation (10) and the fractal dimension is calculated from equation (11).

Das Profil der DF-Werte dargestellt in Abhängigkeit von der Lastspielzahl (N) bewertet den Ermüdungszustand der Probe. Zur Demonstration dient die Skizze in 10, die ein ansteigend-stufenförmiges Verhalten bei wachsender Lastspielzahl zeigt. Die bei wachsender Ermüdung signifikanten Plateaus der fraktalen Dimension DF können verschiedenem Skalenverhalten der Verformungsstrukturen des untersuchten Werkstoffs zugeordnet werden. Ähnlich kann für die kontinuierliche Überwachung von kritischen Komponenten vorgegangen werden. Dabei wird DF nach gleicher Vorgehensweise in definierten Zeitabständen bestimmt. Aus dem Verlauf der fraktalen Dimension DF während der Untersuchungen kann der Schädigungszustand ermittelt werden.The profile of the DF values represented as a function of the number of cycles (N) evaluates the state of fatigue of the sample. The sketch in 10 showing an increasing step-like behavior with increasing load cycles. The fractures of the fractal dimension DF significant in increasing fatigue can be assigned to different scale behavior of the deformation structures of the investigated material. Similarly, continuous monitoring of critical components can be done. DF is determined according to the same procedure at defined time intervals. From the course of the fractal dimension DF during the investigations, the state of damage can be determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann berührungslos mit Hilfe eines robusten kostengünstigen optischen Aufbaus, der sich für verschiedene Anwendungszwecke einfach realisieren lässt, durchgeführt werden. Die erreichbare Ortsauflösung kann durch Variation der Größe der bestrahlten Oberfläche. Z. B. der Größe des Brennflecks eines Laserstrahls vom Mikro- bis in den Makrobereich, beeinflusst werden.The method according to the invention can be carried out without contact by means of a robust, cost-effective optical structure which can be easily realized for various applications. The achievable spatial resolution can be achieved by varying the size of the irradiated surface. For example, the size of the focal spot of a laser beam from the micro to the macro range, be influenced.

Es tritt kein Einfluss der Oberflächenrauheit auf. Zumindest ist er vernachlässigbar. Dies trifft auch auf den Einfluss von Rand- und Geometriefaktoren zu.There is no influence of the surface roughness. At least it is negligible. This also applies to the influence of boundary and geometry factors.

Bei der Durchführung der Messung ist keine Schutzgasatmosphäre oder es sind keine Vakuumbedingungen erforderlich.When carrying out the measurement, there is no protective gas atmosphere or no vacuum conditions are required.

Die Messung kann an allen optisch undurchsichtigen sowie an allen nicht ideal reflektierenden Oberflächen durchgeführt werden.The measurement can be performed on all optically opaque as well as on all non-ideal reflecting surfaces.

Optisch transparente Werkstoffe können mittels Beschichtung einer Messung zugänglich gemacht werden.Optically transparent materials can be made accessible by coating a measurement.

Messungen können auch bei erhöhten Temperaturen, im Sekundentakt und damit online-fähig durchgeführt werden.Measurements can also be carried out at elevated temperatures, every second and thus online.

Einsetzbare Strahlungsquellen sind, z. B. Laser mit angepasster Wellenlänge oder vergleichbare im sichtbarem Bereich der elektromagnetischen Strahlung emittierende Quellen.Applicable radiation sources are, for. As lasers with adapted wavelength or comparable in the visible range of the electromagnetic radiation emitting sources.

Als Arrayanordnung mit geeigneten Detektoren können kostengünstig einfache CCD-Kameras eingesetzt werden.As an array arrangement with suitable detectors simple CCD cameras can be used inexpensively.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen eingesetzt werden.The inventive method can be used in metallic and non-metallic materials.

Es sind keine zusätzlichen Stoffe, wie Reagenzien und Chemikalien erforderlich, die ggf. Gefährdungen für Mensch und Umwelt hervorrufen könnten.There are no additional substances, such as reagents and chemicals required, which could possibly cause hazards to humans and the environment.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft nähere erläutert werden.The invention will be explained by way of example closer.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit thermischer und/oder mechanischer Aktivierung; 1 schematically a structure for carrying out the method according to the invention with thermal and / or mechanical activation;

2 Schematische Darstellungen von Speckle; 2 Schematic representations of speckle;

3 Typische Speckle-Bilder bei Bestrahlung mit von drei unterschiedlichen Laserquellen emittierter elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen von 405 nm, 633 nm und 1064 nm; 3 Typical speckle images when irradiated with electromagnetic radiation emitted by three different laser sources with wavelengths of 405 nm, 633 nm and 1064 nm;

4 Schematische Darstellungen der Veränderung der Speckle-Muster während der thermischen Aktivierung der Probenoberfläche unter lokaler Erwärmung; 4 Schematic illustrations of the change in speckle patterns during thermal activation of the sample surface under local heating;

5 Ein Diagramm der Abhängigkeit der Speckle-Diffusivität K von der Härte des Werkstoffs für unterschiedliche Werkstoffe; 5 A diagram of the dependence of speckle diffusivity K on the hardness of the material for different materials;

6 Beispiele für die aus der Kalibrierung/dem Vergleich anhand der Speckle-Diffusivität K bestimmte Härte; 6 Examples of hardness determined from calibration / comparison by speckle diffusivity K;

7 Abhängigkeit der Speckle-Diffusivität K in Abhängigkeit von der Porosität von Werkstoffen; 7 Dependence of speckle diffusivity K as a function of the porosity of materials;

8 mechanische Spannungsänderungen, die aus der absoluten Speckle-Diffusivität K berechnet wurden und 8th mechanical stress changes calculated from the absolute speckle diffusivity K and

9 Schematische Darstellung zur theoretischen Abhängigkeit der fraktalen Dimension DF von der Lastspielzahl N. 9 Schematic representation of the theoretical dependence of the fractal dimension DF on the number of cycles N.

In schematisierter Darstellung zeigt 1 einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit lokaler thermischer und/oder mechanischer Aktivierung. Dabei wird an der Oberfläche einer Probe 2 eine Bestrahlung mit kohärenter elektromagnetischer Strahlung 1, die bei dem Beispiel von einer Laserquelle 1.1 auf einen bestrahlten Bereich 2.1 der Oberfläche der Probe 2 mit einem Winkel von 45° gerichtet wird. Für die Strahlformung und die Beeinflussung der Größe der Fläche des bestrahlten Bereichs 2.1 ist eine optische Linse 1.2 im Strahlengang angeordnet.Schematically shows 1 a structure for carrying out the method according to the invention with local thermal and / or mechanical activation. This is done on the surface of a sample 2 an irradiation with coherent electromagnetic radiation 1 in the example of a laser source 1.1 on an irradiated area 2.1 the surface of the sample 2 is directed at an angle of 45 °. For beam shaping and influencing the size of the area of the irradiated area 2.1 is an optical lens 1.2 arranged in the beam path.

In einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich 2.1 erfolgt eine thermische Aktivierung. Diese kann durch Bestrahlung der Fläche 2.2 erreicht werden. Dabei wird der Werkstoff der Probe 2 erwärmt und durch Wärmeleitung verändert sich die Oberfläche ausgehend von der Fläche 2.2 und dies erfolgt auch in den bestrahlten Oberflächenbereich 2.1. Dieser bestrahlte Oberflächenbereich 2.1 wird dabei teilweise oder vollständig auf der oberhalb zur Oberfläche angeordneten CCD-Kamera, als ein Beispiel einer Arrayanordnung optischer Detektoren 3, abgebildet. Die Erfassung der Abbildung mit den durch Speckle an der bestrahlten Oberfläche 2.1 optisch detektierbaren Intensitäten erfolgt dabei zeit- und ortsaufgelöst. Dementsprechend werden für unterschiedliche Positionen jeweils zeitgleich erfasste Intensitäten, der vom bestrahlten Oberflächenbereich 2.1 emittierten elektromagnetischen Strahlung, nämlich dem Speckle-Muster erfasst, und dann kann eine Auswertung mit zu späteren Zeiten erfassten Intensitätsmesswerten an den jeweils gleichen Positionen mit gleichen Positionskoordinaten Intensitätsmesswerten durchgeführt werden.At a distance to the irradiated surface area 2.1 a thermal activation takes place. This can be done by irradiating the area 2.2 be achieved. In the process, the material becomes the sample 2 heated and by conduction, the surface changes from the surface 2.2 and this also occurs in the irradiated surface area 2.1 , This irradiated surface area 2.1 is partially or completely on the CCD camera arranged above to the surface, as an example of an array arrangement of optical detectors 3 , pictured. Capture the image with the speckle at the irradiated surface 2.1 optically detectable intensities takes place in time and place resolved. Accordingly, intensities detected at the same time, that of the irradiated surface area, are simultaneously detected for different positions 2.1 emitted electromagnetic radiation, namely the speckle pattern detected, and then an evaluation can be performed with measured at later times intensity measurements at the same positions with the same position coordinate intensity measurements.

Die CCD-Kamera 3 kann dabei eine Bilderfassungsrate von mindestens 10 Bilder/Sekunde, bevorzugt mindestens 25 Bilder/Sekunde aufweisen.The CCD camera 3 can have an image acquisition rate of at least 10 images / second, preferably at least 25 images / second.

Außerdem ist eine Thermokamera 5 vorhanden mit der berührungslos die Temperatur im Bereich 2.1, thermographisch orts- und zeitaufgelöst zu gleichen Zeiten bestimmt werden kann. Mit den so unterschiedlich erfassten und addierten Temperaturen kann, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, die zerstörungsfreie Bestimmung von Inhomogenitäten und/oder Defekten an Oberflächen von Bauteilen oder Proben 2 durchgeführt werden.There is also a thermal camera 5 Available with the non-contact temperature in the area 2.1 , thermographically spatially and temporally resolved at the same times can be determined. As explained in the general part of the description, the non-destructive determination of inhomogeneities and / or defects on the surfaces of components or samples can be determined with the temperatures recorded and added in different ways 2 be performed.

Typische Speckle-Bilder bei Bestrahlung mit von drei unterschiedlichen Laserquellen emittierter elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen von 405 nm, 633 nm und 1064 nm sind in 3 gezeigt. Diese Abbildungen wurden mit einer schnellen CCD-Kamera bei gleichen Kameraeinstellungen: Pixeltakt 25 MHz; Bildrate 10 Bilder/Sekunde, Belichtungszeit 50 ms; Bildeinstellung, ohne Optimierung aufgenommen.Typical speckle images when irradiated with electromagnetic radiation emitted by three different laser sources with wavelengths of 405 nm, 633 nm and 1064 nm are in 3 shown. These images were taken with a fast CCD camera with the same camera settings: pixel clock 25 MHz; Frame rate 10 frames / second, exposure time 50 ms; Image adjustment, taken without optimization.

Schematische Darstellungen der Veränderung der Speckle-Muster während der thermischen Aktivierung der Probenoberfläche unter lokaler Erwärmung sind 4 entnehmbar. Es wurde eine thermische Aktivierung durch eine Bestrahlung der Fläche 2.2 vorgenommen. Für die Bestrahlung des bestrahlten Oberflächenbereichs 2.1 wurde ein He-Ne-Laser, der Strahlung mit einer Wellenlänge von 633 nm emittiert eingesetzt. Der bestrahlte Oberflächenbereich hatte eine Fläche von 100·100 Pixel der CCD-Kamera.Schematic representations of the change in speckle patterns during thermal activation of the sample surface under local heating are 4 removable. There was a thermal activation by irradiation of the area 2.2 performed. For the irradiation of the irradiated surface area 2.1 was used a He-Ne laser emitting radiation with a wavelength of 633 nm. The irradiated surface area had an area of 100 x 100 pixels of the CCD camera.

Die Erfassung der vom bestrahlten Oberflächenbereich 2.1 emittierten elektromagnetischen Strahlung erfolgte mit einer CCD-Kamera mit den Einstellungen: Pixeltakt 25 MHz; Bildrate 5 Bilder/Sekunde; Belichtungszeit 50 ms; Bildeinstellung: keine Optimierung.The detection of the irradiated surface area 2.1 emitted electromagnetic radiation was carried out with a CCD camera with the settings: pixel clock 25 MHz; Frame rate 5 frames / second; Exposure time 50 ms; Picture adjustment: no optimization.

Mit dem in 5 gezeigten Diagramm kann die Abhängigkeit der Härte eines untersuchten Werkstoffs von der erfindungsgemäß ermittelten Speckle-Diffusivität K erkannt werden.With the in 5 As shown in the diagram, the dependence of the hardness of a tested material on the speckle diffusivity K determined according to the invention can be recognized.

Die Erfassung der in Folge der Speckle von der Oberfläche des bestrahlten Oberflächenbereichs 2.1 emittierten elektromagnetischen Strahlung erfolgte mit einer CCD-Kamera mit eingestelltem Pixeltakt von 245 MHz, einer Bilderfassungsrate 50 Bilder/Sekunde, Belichtungszeit 10 ms. Für die Bestrahlung des bestrahlten Oberflächenbereichs 2.1 wurde der He-Ne-Laser und für die thermische Aktivierung ein Laser, der elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm bei einer Energie von 2 W über eine Zeit von 0,5 s emittiert und auf die Fläche 2.2 richtet, eingesetzt.The detection of as a result of speckle from the surface of the irradiated surface area 2.1 emitted electromagnetic radiation was carried out with a CCD camera with set pixel clock of 245 MHz, an image acquisition rate 50 images / second, exposure time 10 ms. For the irradiation of the irradiated surface area 2.1 The He-Ne laser and, for thermal activation, a laser emitting electromagnetic radiation with a wavelength of 1064 nm at an energy of 2 W over a time of 0.5 s and on the surface 2.2 directed, used.

Dieser Sachverhalt ist für einen einfachen Baustahl und für mechanisch veränderte Oberflächenschichten bei Ni- und Ti-Legierungen wieder gegeben. Dabei handelte es sich um die unlegierten Einsatz- und Vergütungsstähle C35 und C60 sowie den Federstahl C75. Es wurden eine Nickelbasislegierung mit Chrom (INCONEL) und eine Titanlegierung Ti6 Al4 V untersucht.This situation is given again for a simple structural steel and for mechanically modified surface layers in Ni and Ti alloys. These were the non-alloyed hardened and tempered steels C35 and C60 as well as the spring steel C75. A nickel-based alloy with chromium (INCONEL) and a titanium alloy Ti6 Al4 V were investigated.

Analog zur Härte zeigt das Diagramm nach 7 den Zusammenhang zwischen Speckle-Diffusivität K und Porosität für unterschiedliche Werkstoffe. Dies erfolgte bei einer Probe 2 aus einem Aluminium-Schaum (AlCuZn) zwischen zwei Platten aus diesem Werkstoff und zwei Proben 2 aus jeweils einer Kupfer-Faser-Struktur. Eine Faserstruktur 1 war aus dem Werkstoff Cu 99,9 und eine Faserstruktur 2 aus dem Werkstoff Cu-E 99,9 gebildet. Auch diese waren zwischen zwei Platten angeordnet. Die Messungen erfolgten zwischen den Platten.Similar to the hardness, the diagram shows 7 the relationship between speckle diffusivity K and porosity for different materials. This was done on a sample 2 from an aluminum foam (AlCuZn) between two sheets of this material and two samples 2 each made of a copper-fiber structure. A fiber structure 1 was formed of the material Cu 99.9 and a fiber structure 2 of the material Cu-E 99.9. These too were arranged between two plates. The measurements were made between the plates.

Für die thermische Aktivierung wurde eine Flamme auf die Fläche 2.2 über einen Zeitraum von 3 s gerichtet, bis eine Temperatur an der Oberfläche von 80°C erreicht worden ist.For thermal activation, a flame was placed on the surface 2.2 over a period of 3 s until a surface temperature of 80 ° C has been reached.

Die optische Detektion erfolgte mit den Parametern, die zu 5 bereits genannt worden sind.The optical detection was carried out with the parameters to 5 already mentioned.

8 soll die Abhängigkeit der Speckle-Diffusivität K und mechanischen Spannungen verdeutlichen. Dabei erfolgte eine mechanische Aktivierung mit Zugkräften und gleichzeitig eine thermische Aktivierung mit einer Flamme, die auf die Fläche 2.2 über einen Zeitraum von 3 s gerichtet und eine Oberflächentemperatur an der Fläche von 180°C erreicht worden ist. Die Zugkraft griff dabei an beiden Enden einer Flachzugprobe an. Die Größe der dadurch entstandenen mechanischen Spannung entspricht jeweils den Werten in x-Achsrichtung, die Zugkraft wird direkt an der Maschine eingestellt. 8th should clarify the dependence of speckle diffusivity K and mechanical stresses. This was a mechanical activation with tensile forces and at the same time a thermal activation with a flame on the surface 2.2 directed over a period of 3 s and a surface temperature at the surface of 180 ° C has been reached. The tensile force applied to both ends of a flat tensile test. The size of the resulting mechanical stress corresponds in each case to the values in the x-axis direction, the tensile force is set directly on the machine.

Für die Bestrahlung des bestrahlten Oberflächenbereichs 2.1 und die Detektion mit Erfassung wurden wieder die Parameter, wie bei den Beispielen gemäß der 5 und 7 gewählt. Die untersuchte Probe 2 war aus dem höherfesten Baustahl H52 gebildet.For the irradiation of the irradiated surface area 2.1 and the detection with detection again became the parameters as in the examples according to the 5 and 7 selected. The examined sample 2 was made of the higher strength structural steel H52.

Mit 9 soll die theoretische und berührungslos bestimmbare Abhängigkeit der Lastspielzahl N von der fraktalen Dimension DF verdeutlicht werden.With 9 The theoretical and non-contact determinable dependence of the number of cycles N on the fractal dimension DF should be clarified.

Claims (7)

Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien Bestimmung von Inhomogenitäten und/oder Defekten an Oberflächen von Bauteilen oder Proben (2) mittels Speckle-Photometrie, bei dem kohärente elektromagnetische Strahlung (1) mit einem definierten Einfallswinkel auf einen Oberflächenbereich eines Bauteils oder einer Probe (2) gerichtet ist und der so bestrahlte Oberflächenbereich (2.1) auf einer mindestens zweidimensionalen Arrayanordnung optischer Detektoren (3) abgebildet wird und eine thermische und/oder mechanische Aktivierung am Bauteil oder der Probe (2) in einem Abstand zum bestrahlten Oberflächenbereich (2.1) an einer Fläche (2.2) durchgeführt wird; wobei mit der Arrayanordnung (3) die Intensität von Speckle elektromagnetischer Strahlung (4), die infolge der Bestrahlung von der Oberfläche emittiert wird, zeit- und ortsaufgelöst detektiert wird und daraus die Temperatur mittels Differenzautokorrelationsfunktion Cτ orts- und zeitaufgelöst bestimmt wird und mittels Thermographie an denselben Positionen des bestrahlten Oberflächenbereichs (2.1) die Temperatur orts- und zeitaufgelöst erfasst wird und die zu denselben Zeitpunkten an den selben Positionen mit beiden Verfahren erfassten Temperaturen addiert werden; wobei die Addition für mindestens zwei unterschiedliche Zeitpunkte durchgeführt wird und daraus ortsaufgelöst die jeweilige Temperaturänderung bestimmt wird; wobei die mittels Speckle-Photometrie oder die mittels Thermographie erfassten Temperaturwerte vor der Addition mit einem Faktor A oder B multipliziert und dabei die Faktoren A oder B unter Berücksichtigung der Art von jeweils zu detektierenden Inhomogenitäten, Defekten, dem Werkstoff und/oder Werkstoffverbund des Bauteils oder der Probe (2) gewählt werden.Method for non-contact, non-destructive determination of inhomogeneities and / or defects on surfaces of components or samples ( 2 ) using speckle photometry, in which coherent electromagnetic radiation ( 1 ) with a defined angle of incidence on a surface region of a component or a sample ( 2 ) and the surface area thus irradiated ( 2.1 ) on an at least two-dimensional array arrangement of optical detectors ( 3 ) and a thermal and / or mechanical activation on the component or the sample ( 2 ) at a distance to the irradiated surface area ( 2.1 ) on a surface ( 2.2 ) is carried out; wherein with the array arrangement ( 3 ) the intensity of speckle electromagnetic radiation ( 4 ), which is emitted from the surface as a result of the irradiation, is detected in a time-resolved and spatially resolved manner and from this the temperature is determined spatially and temporally by means of differential autocorrelation function Cτ and determined by thermography at the same positions of the irradiated surface area (FIG. 2.1 ) the temperature is detected in a spatially and temporally resolved manner and the temperatures recorded at the same times at the same positions by both methods are added together; wherein the addition is carried out for at least two different times and it is spatially resolved, the respective temperature change is determined; wherein the temperature values recorded by means of speckle photometry or by means of thermography are multiplied by a factor A or B prior to addition, taking into account the factors A or B taking into account the nature of each to be detected inhomogeneities, defects, the material and / or composite material of the component or the sample ( 2 ) to get voted. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit den ortsaufgelöst erfassten Temperaturänderungen eine bildliche Darstellung erstellt wird.A method according to claim 1, characterized in that with the spatially resolved detected temperature changes a visual representation is created. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsaufgelöste Bestimmung durch eine definierte Bewegung der Arrayanordnung (4) in Bezug zum bestrahlten Oberflächenbereich (2.1), durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the spatially resolved determination by a defined movement of the array arrangement ( 4 ) in relation to the irradiated surface area ( 2.1 ), is carried out. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass kohärente elektromagnetische Strahlung (1) mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that coherent electromagnetic radiation ( 1 ) is used with different wavelengths. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische und/oder mechanische Aktivierung gepulst wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the thermal and / or mechanical activation is pulsed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (1) mit einem Einfallswinkel von 45° ± 20° in Bezug zur Oberfläche des Bauteils oder der Probe (2) auf den bestrahlten Oberflächenbereich gerichtet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic radiation ( 1 ) with an angle of incidence of 45 ° ± 20 ° with respect to the surface of the component or sample ( 2 ) is directed to the irradiated surface area. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (1) kollimiert auf die Oberfläche des Bauteils oder der Probe (2) gerichtet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the electromagnetic radiation ( 1 ) collimates onto the surface of the component or sample ( 2 ).

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