DE19838858A1 - Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charakterisierung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charakterisierungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung und
-charakterisierung, insbesondere zur Defekterkennung mittels der Thermografie, wobei
eine zu untersuchende Probe einer Anregungsquelle ausgesetzt wird zur Aufnahme von
Anregungsenergie und in Erwiderung darauf zur Abgabe von Anregungsenergie, wobei
die von der Probe abgegebene Anregungsenergie lokal über die Probenoberfläche
ortsaufgelöst unter Erzeugung von Infrarotbildern der Oberfläche gemessen wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung,
insbesondere zur Materialprüfung mittels Thermografie, mit einer Anregungsquelle, ei
ner zweidimensional abbildenden und auflösenden Bildaufnahmevorrichtung, und einer
mit der Bildaufnahmevorrichtung gekoppelten Bildbearbeitungseinrichtung.
In der gewerblichen Praxis werden für die zerstörungsfreie Materialprüfung bisher im
wesentlichen zwei thermografische Verfahren angewendet: die gepulste Thermografie
und die Lock-In-Thermografie.
In beiden Verfahren wird das zu prüfende Werkstück thermisch angeregt, und die Ober
flächentemperatur wird von einer Thermokamera aufgezeichnet, um Bilder von unter
halb der Oberfläche vorhandenen Fehlern zu erhalten.
Die gepulste Thermografie arbeitet mit Blitzimpuls von einer Dauer von wenigen Millise
kunden, wobei nacheinander erhaltene Bilder gespeichert werden, um je nach ihrer
Tiefe zu verschiedenen Zeiten als örtliche Temperaturschwankungen (thermische Kon
traste zwischen fehlerfreien und fehlerhaften Bereichen) an der Oberfläche erscheinen
de Fehler kenntlich zu machen.
Die Lock-In-Thermografie arbeitet mit einer über die Zeit in Sinusform modulierten
thermischen Erregerquelle mit Aufzeichnung mehrerer Bilder und anschließender Be
rechnung nach der Fourier'schen Transformation des zeitlichen Temperaturverlaufs für
jedes einzelne Pixel.
Da in diesem Falle die thermische Anregung einen sinusförmigen Verlauf hat, zeigt auch
die Oberflächentemperatur einen sinusförmigen Verlauf, wobei jedoch Amplitude und
Phase in Abhängigkeit von thermischen Eigenschaften des Materials und damit vom
Vorhandensein von Fehlern unter der Oberfläche variieren.
Auf diese Weise werden somit zwei Bilder erzeugt, namentlich ein Amplitudenbild und
ein Phasenbild.
Das Amplitudenbild ist beeinflußt durch Unterschiede in der Emissivität der Oberfläche,
durch nicht gleichförmige Erwärmung der Oberfläche und durch die Ausrichtung dersel
ben, während das Phasenbild diesen Einflüssen nicht unterliegt und dadurch den Erhalt
eines mühelos zu interpretierenden Fehlerbilds ermöglicht.
Von konstanten thermischen Quellen hervorgerufene Reflexionen werden im Phasen
bild zwar eliminiert, durch die für die thermische Erregung verwendete modulierte ther
mische Quelle hervorgerufene Reflexionen erzeugen jedoch starke Störungen, welche
allein durch Unterdrücken der Reflexion, z. B. mittels Filtern, eliminiert werden können.
Die Tiefe von auf diese Weise erkennbaren Fehlern ist abhängig von der Art des Mate
rials und von der Modulationsfrequenz: niedrigere Frequenzen vermögen eine größere
Tiefe zu erreichen.
Für die Berechnung der Phasen- und Amplitudenbilder ist ein vereinfachter Algorithmus
anwendbar, wobei es jedoch darauf ankommt, daß die thermische Quelle mit höchster
Genauigkeit in Sinusform moduliert wird.
Die zumeist verwendete thermische Quelle besteht aus einer oder mehreren Lampen;
wenn es sich bei der erforderlichen sinusförmigen Modulation dabei bei der Lampe um
ein nicht lineares System handelt, d. h. wenn die sinusförmige Modulation der Eingangs
spannung keine sinusförmige Modulation der Ausgangsstrahlung erzeugt, ist für die Er
regerquelle ein Kalibriersystem erforderlich, mittels dessen sich bestimmen läßt, welche
Form die Eingangsspannung haben muß, um am Ausgang die gewünschte sinusförmi
ge Modulation zu erhalten. Diese Kalibrierung muß für jede einzelne thermische Quelle
und für jede zur Anwendung vorgesehene Frequenz vorgenommen werden, was zu ei
nem beträchtlichen Zeitaufwand führt.
Ein mit einem Infrarotsensor und konstanter thermischer Laseranregung arbeitendes,
bisher jedoch nur im Labor angewendetes zerstörungsfreies Prüfverfahren ist unter der
Bezeichnung TRIR (Time Resolved Infrared Radiometry) bekannt.
Das TRIR-Verfahren arbeitet mit einer Laserquelle für die Erwärmung des Materials zur
Aufspürung von Fehlern oder zur Berechnung von Eigenschaften wie die thermische
Effusivität.
Anfänglich eignete sich das TRIR-Verfahren allein für die Messung an jeweils einem
einzigen Punkt. Vor einiger Zeit wurde eine zweidimensionale Version des TRIR-
Verfahrens vorgeschlagen, welche mit einer Laserquelle und einer Thermokamera ar
beitet (R. Osiander, J. W. Spicer, J. C. Murphy, "Time-resolved Infrared Radiometry for
Subsurface Interface Imaging", Progress in Natural Science, suppl. Vol. 6, Dec. 1996).
Dabei werden Bilder, die für eine Probe zu einem Zeitpunkt unmittelbar nach Beginn
der Bestrahlung erhalten werden, zur Berechnung einer Konstante verwendet, welche
dann zur Normung von später erhaltenen Bildern dient.
Die zweidimensionale TRIR ist jedoch ein relativ aufwendiges Verfahren, bei dem eine
stufenförmige Intensitätsänderung der Beleuchtung durch einen Laser notwendig ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes und effizienteres
Verfahren und ebensolche Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charak
terisierung zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein eingangs genanntes Verfahren,
das sich dadurch auszeichnet, daß zu unterschiedlichen Zeitpunkten unabhängig von
einer eventuellen Zeitabhängigkeit der Aussendung von Anregungsenergie durch die
Anregungsquelle wenigstens drei Bilder aufgenommen und miteinander verglichen
werden, wobei wenigstens zwei Bilder zu einer Zeit während und/oder nach dem Aus
setzen der Probe der Anregungsenergie aufgenommen werden, und wobei aus den drei
oder mehr Bildern zwei unterschiedliche Differenzen aus jeweils zwei Bildern gebildet
werden, die zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.
Weiter wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch eine eingangs genannte
Vorrichtung, die sich dadurch auszeichnet, daß die Bildbearbeitungseinrichtung
Mittel enthält, wenigstens drei, zu unterschiedlichen Zeitpunkten unabhängig von einer
eventuellen Zeitabhängigkeit der Aussendung von Anregungsenergie durch die Anre
gungsquelle aufgenommene Bilder miteinander zu vergleichen, wobei wenigstens zwei
Bilder zu einer Zeit während oder nach dem Aussetzen der Probe der Anregungsener
gie aufgenommen werden, und wobei aus den drei oder mehr Bildern zwei unterschied
liche Differenzen aus jeweils zwei Bildern gebildet werden, die zueinander ins Verhältnis
gesetzt werden.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß auf relativ einfache Weise Reflexionen an der
Probe und räumliche Inhomogenitäten in der Anregungsenergie eliminiert werden kön
nen. Außerdem ist es möglich, die Tiefe der Störstellen einfach durch Bestimmung der
Zeit der Bilderfassung für die späteren Bilder nach dem Einschalten der Anregungsquel
le zu ermitteln. Außerdem gestattet das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung
beliebiger Anregungsquellen, die weder gepulst noch harmonisch oszillierend sein müs
sen.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in
der vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung in bezug auf die begleitenden Zeich
nungen näher erläutert und beschrieben sind.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
Fig. 2 einen Graphen, der den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur zweier
unterschiedlicher Bereiche des untersuchten Teils zeigt.
Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt.
Eine Thermokamera 1, vorzugsweise ein Brennebenenfeld FPA (Focal Plane Array), ist
auf ein zu untersuchendes Werkstück 2 gerichtet. Eine Wärmequelle 3, im vorliegenden
Fall eine gewöhnliche Lampe von angemessener Stärke, ist so angeordnet, daß sie die
Oberfläche des Werkstücks erwärmt.
Die Thermokamera ist mit einem Rechner 4 verbunden, welcher in der Lage ist, die von
ihr gelieferten Bilder aufzuzeichnen und zu verarbeiten. Der Rechner ist außerdem in
der Lage, das Einschalten der Lampe zu steuern, sowie auch den Beginn der Bilder
zeugung, welche unmittelbar vor Beginn der thermischen Erregung des Werkstücks
einsetzen muß.
Bei Verwendung einer Lampe als Wärmequelle, wenn eine konstante Erwärmung ge
wünscht ist, empfiehlt sich die Abschirmung derselben mittels einer Blende 5. In diesem
Falle wird die Blende nach dem Einschalten der Lampe und deren Erwärmung zu einem
Zeitpunkt t0 geöffnet, wodurch sich vermeiden läßt, daß die Lampe das Werkstück wäh
rend ihrer Erwärmung mit einer nicht konstanten Stärke bestrahlt. Bei Anwendung einer
Intensitätsänderung der Bestrahlung, beispielsweise in Form einer Stufenfunktion mit
F(t) = 0 für t < t0 und F(t) = F0 für t < t0 wird das Prüfstück vom Zeitpunkt t0 an auf kon
stante Weise erwärmt.
Kurz vor oder unmittelbar auf den Zeitpunkt t0 folgend beginnt der Rechner die Akquisi
tion der von der Thermokamera gelieferten Bilder.
Die kontinuierliche Erwärmung des Prüfstücks und die Akquisition der Bilder können
über eine längere Zeitspanne (z. B. einige Minuten) fortgesetzt werden, wobei die Stärke
der Wärmequelle zu Beginn oder während der Erwarmung so einzustellen ist, daß keine
übermäßig hohen Temperaturen erreicht werden, bei denen die Gefahr besteht, daß
das Material geschädigt wird oder unerwünschte Konvektionserscheinungen auftreten.
Zu diesem Zweck ist in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ein Rheostat 6 vorgesehen.
Ein im Prüfstück vorhandener Fehler ist mit 7 bezeichnet.
Je größer die Dauer der Messung ist, um so größer ist die Tiefe, in welcher Fehler auf
gespürt werden können.
Fig. 2 zeigt in grafischer Darstellung den Verlauf der Oberflächentemperatur T über die
Zeit t bei Bestrahlung des Werkstücks durch eine konstante Wärmequelle.
Das Vorhandensein eines Fehlers in einer bestimmten Tiefe bewirkt einen örtlichen
Verlauf 8 der Oberflächentemperatur, welcher vom Temperaturverlauf 9 in einem fehler
freien Bereich verschieden ist und je nach Art des Fehlers zu einer tieferen oder höhe
ren Temperatur führt.
Ap ist ein von der Thermokamera kurz vor Beginn der Erwärmung der Probe aufge
nommenes Bild, das Reflexionen der Umgebung und Inhomogenitäten in der Proben
temperatur vor dem Beginn der Erwärmung wiedergibt. A0 ist ein Bild, das unmittelbar
nach dem Zeitpunkt t0, zu dem mit der Erwärmung der Probe begonnen wird, aufge
nommen wird.
A1, A2 . . . An sind von der Thermokamera zu den Zeitpunkten t1, t2. . . tn erfaßte Bilder.
Wenn nun j < i, dann enthält das Bild Aj Informationen über Fehler, welche in größerer
Tiefe liegen als im Bild Ai aufgezeigte, so daß man hier von einer echten thermischen
Tomografie sprechen kann.
Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Punkten der Oberfläche beruhen
auch auf einer nicht gleichmäßigen Erwärmung der Oberfläche.
Um die Auswirkungen einer quer verlaufenden Wärmeleitung zu begrenzen, ist eine
möglichst gleichmäßige Erwärmung anzustreben.
Die von der Thermokamera erfaßten Bilder müssen in geeigneter Weise aufbereitet
werden, um die Auswirkungen einer nicht gleichmäßigen Bestrahlung, Ungleichmäßig
keiten der Oberflächenemissivität, der Ausrichtung der Oberfläche und möglicher Refle
xion von Strahlung von konstanten Wärmequellen zu eliminieren.
Diesem Problem kann in der Weise begegnet werden, daß man die mit einem Stufen- oder
Rechteckimpuls arbeitende thermische Erregung als die Summe von verschiede
nen sinusförmigen Signalen von verschiedenen Frequenzen betrachtet, um auf dieser
Basis eine Fourier-Analyse des zeitlichen Temperaturverlaufs für jedes einzelne Pixel
auszuführen und auf diese Weise die Amplitude und Phase bezüglich der in Frage
kommenden Harmonischen zu ermitteln und schließlich ein Phasenbild zu rekonstruie
ren, welches dann sämtliche Vorteile des Phasenbilds der Lock-In-Thermografie bietet.
Im folgenden ist nun ein anderes Verfahren erläutert.
Bezeichnet man das von der Thermokamera erzeugte und auf ein bestimmtes Pixel mit
den Koordinaten x und y bezogene Signal mit S(x,y,t), dann kann gesagt werden, daß
S(x,y,t) = C(x,y)E(x,y,t) + R(x,y) (1)
worin C(x,y) eine Konstante ist, welche von der räumlichen Verteilung der von der Lam
pe ausgehenden Strahlung, der Oberflächenemissivität und der Ausrichtung der Ober
fläche abhängig ist, E(x,y,t) die Stärke der im theoretischen Fall einer gleichmäßigen
Erwärmung und gleichförmiger Oberflächenemissivität von der Oberfläche emittierten
Infrarotstrahlung angibt, und R(x,y) den Anteil der von konstanten Wärmequellen verur
sachten Reflexion bezeichnet.
Es gibt die verschiedensten Möglichkeiten, C und R aus dem Signal S(x,y,t) auszu
scheiden, welche jedoch in jedem Falle zu einer Subtraktion zweier Bilder für die Elimi
nierung von R und zu einer Division für die Eliminierung von C führen.
Sofern die Abwesenheit von Reflexionen gewährleistet ist, kann das Verfahren auf eine
Division allein beschränkt bleiben, wobei die genannten Operationen in jedem Falle für
jedes Pixel einzeln durchzuführen sind.
Für den Fall daß die Wärmequelle nicht als konstant angesehen werden kann, wohl je
doch die räumliche Verteilung der Strahlung, läßt sich die Konstante C in der folgenden
Weise ausdrücken:
C(x,y,t) = K(x,y)F(t) (2).
Die Unabhängigkeit des Ergebnisses von den raumlichen Koordinaten x und y läßt sich
in jedem Falle durch eine Division zweier Bilder erzielen. Die zeitliche Abhängigkeit des
erhaltenen Ergebnisses steht der Erkennung von Fehlern und internen Strukturen des
Materials nicht im Wege. In diesem kommt es jedoch darauf an, durch zeitlich nicht
konstante Quellen hervorgerufene Reflexionen zu vermeiden.
Wie aus Vorstehendem hervorgeht, ist es bei Abwesenheit von Reflexionen, welche
durch die zum Erwärmen des Prüfstücks verwendete Wärmequelle hervorgerufen wer
den, nicht unbedingt notwendig, daß die verwendete Wärmequelle über die Zeit absolut
konstant ist. Eine nur annähernd konstante thermische Erregung, die in jedem Falle re
lativ einfach zu bewerkstelligen ist, reicht aus. Es ist jedoch von fundamentaler Wichtig
keit, daß die räumliche Form der thermischen Erregung konstant ist, d. h. daß die Funk
tion K(x,y) keinesfalls zeitabhängig ist.
Bezeichnet man die resultierenden Bilder als Bi, dann ist in Abwesenheit von Reflexio
nen beispielsweise die folgende Berechnungsvorschrift anwendbar:
Eine andere Möglichkeit ist:
Im ersten Falle (3) wird das Bild n unter Bezug auf das erste Bild normiert, wobei mit zu
nehmendem n nach und nach tiefer liegende Fehler erkennbar gemacht werden. Es ge
hen jeweils allein die bereits in dem Bild A0 sichtbaren Fehler im Oberflächenbereich
verloren.
Im zweiten Falle (4) werden schrittweise in größerer Tiefe liegende Schichten sichtbar
gemacht, wobei jedes Bild in bezug auf das jeweils vorausgegangene normiert wird.
Werden die Bilder angesichts der Abhängigkeit der Temperatur vom reziproken Wert
der Quadratwurzel der Zeit in mit dem Quadrat der Zeit ansteigenden Intervallen aufge
nommen, dann ergibt sich unter Vernachlässigung von Strahlungs- und Kon
vektionsverlusten ein linearer Temperaturanstieg für einen quasi unendlichen Festkör
per. Gegebenenfalls vorhandene Fehler werden durch Abweichungen vom linearen
Temperaturverlauf erkennbar. Auch eine begrenzte Tiefe des Festkörpers führt zu einer
Abweichung von diesem linearen Verlauf.
Im Falle von durch konstante Quellen, einschließlich der für die Erwärmung des Prüf
stücks verwendeten Wärmequelle, hervorgerufenen Reflexionen ist das folgende Be
rechnungsschema anwendbar:
oder auch
Die Bedeutung der Ausdrücke (5) und (6) ist im wesentlichen gleich zu den Ausdrücken
(3) bzw. (4), mit dem erwähnten Unterschied, daß durch konstante Quellen hervorgeru
fene Reflexionen eliminiert werden.
Eine andere Möglichkeit ist:
Es gibt selbstverständlich zahlreiche Möglichkeiten, die Bilder für die Gewinnung der in
teressierenden Daten zu bearbeiten, von denen die vorstehend Genannten lediglich als
Beispiele dienen sollen.
Andere Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren beinhalten ein Bild kurz vor dem
Beginn des Erwärmungsprozesses aufzunehmen. Dadurch ist es möglich, anfängliche
Temperaturinhomogenitäten und Reflexionen sicher zu eliminieren.
Bezeichnet man ein Bild vor dem Beginn des Erwärmungsprozesses mit Ap, und ein
unmittelbar nach dem Beginn des Erwärmungsprozesses aufgenommenes Bild mit A0,
und darauf folgend aufgenommene Bilder jeweils mit A1, A2, . . . An, so sind die nachfol
genden mathematischen Verfahren zur Bildverarbeitung möglich.
Die Bilder werden wie zuvor jeweils pixelweise bearbeitet. B stellt dabei wieder das sich
ergebende Bild dar. Ein weiteres mögliches Bearbeitungsverfahren für die aufgenom
menen Bilder ist wie folgt:
Eine weitere Möglichkeit zur Bildverarbeitung erfolgt gemäß der Beziehung:
Ganz allgemein läßt sich die Bildverarbeitung darstellen als
wobei i und j bzw. h und k unterschiedliche Zeitpunkte der Bildaufnahme betreffen und
zwei Bilder dasselbe Bild sein können.
Die Bildverarbeitung kann auch Summen oder Subtraktionen solcher Ausdrücke für
unterschiedliche Werte i, j, h und k enthalten.
Geht man davon aus, daß ein Bild Ap kurz vor dem Beginn des Aufheizprozesses erhal
ten wird, können die obigen Auswerteverfahren mit Ausnahme auf Ap auf solche Bilder
angewendet werden, die während der Aufheizung, ausschließlich nach der Aufheizung
oder während und nach der Aufheizung erhalten wurden. Ein Beispiel für eine mathe
matische Auswertung in diesem Fall für während und nach der Aufheizung erhaltene
Bilder wird durch die folgenden Formeln beschrieben:
oder
An+1 soll hier das erste Bild nach dem Abschalten der Wärmequelle sein. Es sei hervor
gehoben, daß der Quotient, der aus den Bildern nach dem Abschalten gebildet wird,
von dem Quotienten, der aus den Bildern vor dem Abschalten gebildet wird, subtrahiert
wird. Dies schafft den folgenden Vorteil.
Bn+m = DH-AH mit
Bei Defekten während einer Schichtablösung (Delamination) ist der Ausdruck DH sehr
groß, während der Ausdruck AH, der sich nach der Abschaltung der Wärmequelle er
gibt, klein ist. Umgekehrt ist in einem defektfreien Gebiet der Ausdruck DH kleiner und
der Ausdruck AH größer. Bei Addition der Werte von DH und AH würde sich für Störstel
len und defektfreie Stellen im wesentlichen jeweils der gleiche Wert für Bn+m ergeben,
wogegen bei Subtraktionsbildung große Unterschiede für Bn+m auftreten.
Nicht nur die Subtraktion oder Addition der Werte von DH und AH wäre möglich, son
dern auch eine Quotientenbildung DH/AH.
Neben der zuvor beschriebenen Referenzbildung mittels Bildern, die kurz vor bzw. kurz
nach dem Einschalten der Wärmequelle erhalten wurden, besteht noch die Möglichkeit,
eine Normierung mittels einer defektfreien homogenen Referenzprobe durchzuführen.
Hierzu ist es notwendig, daß die relativen Positionen der IR-Kamera, der Wärmequelle
und der zu untersuchenden Probe gleichbleibend sind, und daß die Probe die gleiche
Gestalt, z. B. eine flache Oberfläche, aufweist. In diesem Fall läßt sich die räumliche
Verteilung der Wärme auf der Oberfläche der Probe durch eine Referenzprobenmes
sung bestimmen. Für die Referenzprobe können eine sehr saubere, rauschfreie Mes
sung der räumlichen Verteilung der Erwärmungsquelle auf der Oberfläche der Refe
renzprobe erhalten werden, die zur Normierung der während der wahren Messung er
haltenen Bildfolge verwendet werden kann, ohne weiteres Rauschen einzuführen und
ohne das Auftreten von Problemen durch sehr flach liegende Defekte, die bereits in ei
nem Bild, das unmittelbar nach dem Einschalten der Wärmequelle aufgenommen wur
de, sichtbar sein können.
Im Nachfolgenden wird das bearbeitete Referenzbild mit C bezeichnet.
C = A r|p - A r|t-ref
wobei A r|p ein vor dem Einschalten der Wärmequelle aufgenommenes Referenzbild und
A r|t-ref ein zu einem bestimmten Zeitpunkt tref nach dem Einschalten der Wärmequelle
aufgenommenes Bild ist.
Die Referenzprobe kann eine Platte aus homogenem Material und/oder parallelen Sei
tenflächen sein, die vorzugsweise groß genug ist, das gesamte Bildfeld der Kamera
auszufüllen und die vorzugsweise dick genug ist, einen in der Tiefenrichtung als unend
lich anzusehenden Festkörper zu simulieren. Die Referenzprobe sollt eine hohe und
homogene Oberflächenemissivität, eine niedrige thermische Leitfähigkeit und eine ge
ringe thermische Effusivität aufweisen, um einen gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu
schaffen.
Die Zeit tref sollte so ausgewählt sein, daß die Messung von A r|t-ref mit einem sehr gu
ten Signal-zu-Rausch-Verhältnis durchführbar ist. Zur Durchführung der Messung sollte
eine geeignete Integrationszeit an der Kamera gewählt werden. Die Integrationszeit,
während der der IR-Sensor die von der untersuchten Probe kommende IR-Strahlung
integriert, sollte möglichst lang sein, um eine Verringerung des Signal-zu-Rausch-
Verhältnisses zu gewähren, jedoch nicht solange, daß der Infrarotsensor in die Sätti
gung geht. tref darf weiterhin nicht so lang sein, daß Einflüsse lateraler Wärmeleitfähig
keit aufgrund nicht homogener Aufheizung der Probenoberfläche in Erscheinung treten
und daß Konvektionseffekte auftreten. Auch zur Aufnahme des nachfolgenden Bildes
A r|p sollte eine möglichst lange Integrationszeit verwendet werden, um Rauschen zu
verhindern. Man kann den Mittelwert aus mehreren Bildern bilden. Zum Erhalt eines
glatten Profils des Referenzbilds C können auch Filter, insbesondere Farbfilter oder nu
merische Filter, verwendet werden.
Das Referenzbild kann man dazu verwenden, die während der wahren Messungen des
zu untersuchenden Gegenstands erhaltenen Bilder zu normieren.
In dieser Beziehung stellt Ap und An von der wahren zu untersuchenden Probe erhaltene
Bilder dar und Bn ist wiederum das Ergebnis der Bildbearbeitung. Dieses Verfahren er
laubt nicht den Ausschluß von Veränderungen in der Oberflächenemissivität. Es ist je
doch geeignet, unterschiedliche Objekte zu untersuchen, solange sie im wesentlichen
die Form der Referenzprobe im Untersuchungsfeld aufweisen.
Zur Routineinspektion identischer Bauelemente, für die ebenfalls die relativen Positio
nen von Kamera, Wärmequelle und Bauelement jeweils gleich sind, kann ein fehlerfrei
es Bauteil für eine wie oben beschriebene Referenzmessung verwendet werden, und
nachfolgend können weitere Bauteile auf Störstellen untersucht werden. Bei Verwen
dung gleicher, aus demselben Herstellungsprozeß stammender Teile als Referenzpro
ben, können nicht nur Einflüsse aufgrund inhomogener Aufheizung, sondern auch Effek
te durch lokale Veränderungen der Oberflächenemissivität und lokale Veränderungen
der Oberflächenausrichtung, die bei der vorherigen Verwendung einer Referenzmuster
probe, mit z. B. ebener Oberfläche, nicht ausgeschlossen werden konnten, eliminiert
werden.
Wenn C0 = A r|p - A r|0 A r|p - A r|0 gilt, wobei A r|0 ein Bild ist, das an einer Referenzprobe
unmittelbar nach dem Einschalten der Wärmequelle erhalten wurde, ergeben sich
für die zu verschiedenen Zeiten aufgenommenen Bilder folgende Ausdrücke für die
Auswertung:
Es werden die inneren Strukturen der Probe sichtbar, wobei die Veränderungen der
Oberflächenemissivität und unterschiedliche lokale Oberflächenausrichtungen ausge
schlossen werden. Natürlich muß die Referenzprobe in diesem Fall, wie oben erwähnt,
die gleiche Gestalt und Oberflächenemissivität wie die zu untersuchenden Proben auf
weisen.
Weiter ist es vorteilhaft, die Bilder der Referenzproben und der zu untersuchenden Ge
genstände jeweils zu gleichen Zeitpunkten aufzunehmen, und zeitkorrelierte Normierun
gen durchzuführen. Die fehlerfreien Proben, die als Referenz dienen, werden dabei auf
folgende Weise bearbeitet:
C0 = A r|p - A0; C1 = A r|p - A r|1; C2 = A r|p - A2; . . . Cn = A r|p - A (18)
Die Werte C0 bis Cn werden anschließend entsprechend zur Normierung der Differen
zen
Ap-A0; Ap-A1; Ap-A2; Ap-An (19)
verwendet, die jeweils ebenfalls zu Zeiten t0, t1, . . . tn an den wahren, zu untersuchenden
Gegenständen durchgeführt wurden.
Dann wird vorteilhafterweise wieder jeweils der Quotient gebildet
um den inneren Aufbau der Bauteile zu erhalten. Es werden alle Bereiche, in denen kei
ne Unterschiede aufgrund von Defekten zwischen der Probe und der Referenz vorlie
gen, eliminiert und nur die Störstellen treten in Erscheinung. Dieses Verfahren stellt die
Möglichkeit her, eine Qualitätskontrolle auf einfache Weise zu automatisieren.
Die durch die zum Erwärmen des Prüfstücks verwendete Lampe verursachten Reflexio
nen können auch durch die Verwendung eines Filters vermieden werden, welches in der
Lage ist, die von der Lampe emittierte Strahlung in dem von der Thermokamera genutz
ten Bereich zu eliminieren.
Durch Auswahl von zu verschiedenen Zeiten erhaltenen Bildern ist es möglich, bis zu
verschiedener Tiefe in das Material vorzudringen und damit eine dreidimensionale Re
konstruktion (thermische Tomografie) des inneren Gefüges zu erhalten.
Wichtig sind die Geschwindigkeit, mit welcher die Bilder, insbesondere die Ersten, ge
wonnen werden, die thermische Sensibilität und ein möglichst niedriger Rauschanteil.
Gegenwärtig auf dem Markt verfügbare Brennebenenfeld (Focal Plane Array (FPA))
Thermokameras haben den herkömmlicher Scanning-Thermokameras beträchtlich
überlegene Eigenschaften (niedriges Rauschen, erhöhte Sensibilität und erhöhte
Bild-Akquisitionsgeschwindigkeiten, bei den neuesten Ausführungen bis zu 1.400 mal
pro Sekunde).
Das Signal kann proportional der Intensität der Wärmequelle verstärkt werden.
Die genaue Messung der Oberflächentemperatur durch die Thermokamera, und damit
der Ansatz eines korrekten Koeffizienten für die thermische Emissivität ist angesichts
der anschließend erfolgenden Normierung der Bilder nicht übermäßig wichtig.
Anstelle einer mit einer stufenförmigen Intensitätsänderung arbeitenden Erregerquelle
kann auch eine Quelle verwendet werden, welche mit einem Rechteckimpuls arbeitet,
welcher sich als Summe von Sinusimpulsen mit verschiedenen Frequenzen betrachten
läßt. Die Reaktion auf den Rechteckimpuls kann mittels der für jedes Pixel über den
zeitlichen Verlauf vorgenommenen Fourier-Transformation analysiert werden; so läßt
sich ein Phasenbild allein aus den in dem Impuls vorhandenen Frequenzen konstruie
ren, oder es können Subtraktionen und Divisionen ausgeführt werden, welche es er
möglichen, wie vorstehend erläutert, durch konstante Quellen verursachte Reflexionen
und durch nicht gleichmäßige Erwärmung, unterschiedliche Emissivität und Ausrichtung
der Oberfläche hervorgerufene Auswirkungen zu eliminieren.
In der Praxis können Einzelheiten der Durchführung im Rahmen der Erfindung und
somit im Rahmen des beanspruchten Schutzes weitgehend abgewandelt werden.
Die mit konstantem Impuls arbeitende Thermografie bietet gegenüber der gepulsten
Thermografie sämtliche Vorteile der Lock-In-Thermografie: Unabhängigkeit von der
Oberflächenemissivität, Unempfindlichkeit gegenüber nicht gleichmäßiger Erwärmung
und Eliminierung von durch konstante Quellen hervorgerufene Reflexionen.
Gegenüber der Lock-In-Thermografie ergeben sich die folgenden Vorteile:
Es ist nicht notwendig, die Quelle auf die verschiedenen Frequenzen zu kalibrieren.
Es ist nicht notwendig, die Quelle auf die verschiedenen Frequenzen zu kalibrieren.
Es ergeben sich verschiedenen Eindringtiefen entsprechende Bilder, ohne die Messung
zu wiederholen.
Durch konstante Quellen, einschließlich der zur Erwärmung des Prüfstücks verwende
ten Quelle, hervorgerufene Reflexionen können eliminiert werden.
Die für die Gewinnung des Bildes eines Fehlers in einer bestimmten Tiefe notwendige
Dauer einer Messung ist erheblich kürzer als bei der Lock-In-Thermografie.
Die Operationen der Subtraktion und Division können an jedem neuen Bild unmittelbar
nach seiner Aufnahme durchgeführt werden, um das Ergebnis der Bildbearbeitung be
reits während der laufenden Messung darzustellen.
Die beträchtlich verkürzte Dauer der Messung ist besonders wichtig für die Ermittlung
von tiefliegenden Fehlern in Werkstoffen von niedriger Wärmeleitfähigkeit: Bei einem
hölzernen Prüfstück gelang es, mit einer Messung von vier Minuten Dauer bis zu einer
Tiefe von 10 mm vorzudringen, während es mit der Lock-In-Thermografie lediglich ge
lang, bis zu einer Tiefe von 4-5 mm vorzudringen, und das mit einer Messung von ins
gesamt ca. zehn Minuten (fünf Minuten bis zum Abklingen des Wärmeübergangs und
fünf Minuten Dauer für einen Zyklus).
Die Eliminierung von durch konstante Quellen, einschließlich der für die Erwärmung
verwendeten, hervorgerufene Reflexionen ist ebenfalls äußerst wichtig, da es in gewis
sen Fällen aufgrund der Geometrie des zu prüfenden Werkstücks nicht möglich ist, das
Auftreten von Reflexionen in Richtung auf die Thermokamera zu vermeiden.
Andere Anwendungsmöglichkeiten sind die Messung der Dicke von Überzügen, die
Messung von thermischen Materialeigenschaften, die Bestimmung der Orientierung von
Fasern in verschiedenen Tiefen unter Verwendung einer punktförmigen Quelle (Laser)
usw.
Gegenüber der eingangs beschriebenen zweidimensionalen Version des TRIR beste
hen die folgenden wesentlichen Unterschiede:
Das zweidimensionale TRIR-Verfahren arbeitet mit einer Laserquelle zur Gewährlei stung einer zeitlich konstanten Emission.
Das zweidimensionale TRIR-Verfahren arbeitet mit einer Laserquelle zur Gewährlei stung einer zeitlich konstanten Emission.
Die Thermografie mit konstantem Impuls ermöglicht die Verwendung von einer oder
mehreren Lampen, welche den Vorteil aufweisen, daß sie beträchtlich kostengünstiger
sind als ein Laser und eine beträchtlich größere Fläche bestreichen können.
Die zeitlich konstante Emission ist vorteilhaft wenn es darauf ankommt, durch die Erre
gerquelle hervorgerufene Reflexionen zu eliminieren, sie kann jedoch auf die Zeit
intervalle begrenzt werden, während welcher die anschließend zu subtrahierenden Bil
der gewonnen werden.
Eine zeitlich ausreichend konstante Emission kann durch vorzeitiges Aktivieren der
Lampen und Abschirmung derselben mittels einer Blende erzielt werden.
Das zweidimensionale TRIR-Verfahren verwendet die aus den ersten Bildern gewonne
nen Daten zum Berechnen einer umfassenden Konstante für die thermische Effusivität
des Oberflächenmaterials, um damit die einzelnen Bilder zu normieren. Auch zu diesem
Zweck ist es unbedingt notwendig, eine zeitlich vollkommen konstante Quelle wie z. B.
einen Laser zu verwenden.
Die Thermografie nach der vorliegenden Erfindung arbeitet mit einem äußerst einfachen
Berechnungsverfahren, welches aus einer einfachen Division zweier Bilder Pixel für Pixel
besteht.
Das zweidimensionale TRIR-Verfahren zieht eine Eliminierung der Reflexionen nicht in
Betracht, während es die mit konstantem Impuls arbeitende Thermografie ermöglicht,
durch konstante Quellen, einschließlich der zum Erwärmen des Prüfstücks verwendeten
Quelle, hervorgerufene Reflexionen zu eliminieren.
Im Gegensatz zu der Thermografie mit konstantem Impuls sieht das zweidimensionale
TRIR-Verfahren keinerlei Einrichtungen vor, welche es ermöglichen, die Intensität der
auf die Oberfläche fallenden Strahlung zu begrenzen, um bei Beobachtungen die Ober
flächentemperatur niedrig zu halten und damit unerwünschte Konvektionserscheinun
gen zu begrenzen.
Claims (26)
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charakterisierung, insbesonde
re zur Defekterkennung mittels der Thermografie, wobei eine zu untersuchende Pro
be einer Anregungsquelle ausgesetzt wird zur Aufnahme von Anregungsenergie und
in Erwiderung darauf zur Abgabe von Anregungsenergie, wobei die von der Probe
abgegebene Anregungsenergie lokal über die Probenoberfläche ortsaufgelöst unter
Erzeugung von Infrarotbildern der Oberfläche gemessen wird, dadurch gekenn
zeichnet, daß zu unterschiedlichen Zeitpunkten unabhängig von einer eventuellen
Zeitabhängigkeit der Aussendung von Anregungsenergie durch die Anregungsquelle
wenigstens drei Bilder aufgenommen und miteinander verglichen werden, wobei we
nigstens zwei Bilder zu einer Zeit während und/oder nach dem Aussetzen der Probe
der Anregungsenergie aufgenommen werden, und wobei aus den drei oder mehr Bil
dern zwei unterschiedliche Differenzen aus jeweils zwei Bildern gebildet werden, die
zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsquelle
Energie mit wenigstens am Ort der Probe zeitlich konstanter relativer räumlicher Ver
teilung gemäß der Funktion C(x,y,t) = K(x,y) F(t) abgibt, wobei C die räumlich zeitliche
Energieverteilung ist, K(x,y) eine zeitlich unveränderliche Formfunktion der Energie
verteilung und F(t) ein zeitabhängiger Faktor ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungs
quelle eine Energieanregung in Form einer stufenförmigen Intensitätsänderung oder
eines Rechteckimpulses abgibt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bilder,
aus denen die Differenz gebildet wird und die im Nenner der Bildverarbeitung ver
wendet werden, an einer Referenzprobe erhalten werden und wenigstens zwei Bilder,
aus denen die Differenz gebildet wird und die im Zähler verwendet werden, an der zu
untersuchenden Probe erhalten werden, wobei im Vergleich zu der Aquisition von
Bildern an der zu untersuchenden Probe die gleichen relativen Positionen und Aus
richtung von Referenzprobe, Anregungsquelle und Bilderfassungsvorrichtung einge
halten werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzprobe eine
Platte aus homogenem Material mit einer homogenen Oberflächenemissivität ist, die
eine flache Oberfläche und eine konstante Dicke aufweist, oder ein Körper aus ho
mogenem Material mit homogener Oberflächenemissivität ist, der eine flache Oberflä
che aufweist und so dick ist, daß er einem halbunendlichen Körper im Hinblick auf
die für die Messung benötigte Zeit gleich kommt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als
Referenzprobe ein Körper mit zu der zu untersuchenden Probe gleicher Gestalt, der
als fehlerfrei erkannt worden ist, verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der als fehlerfrei erkann
te Körper statistisch aus einer großen Anzahl von untersuchten Körpers ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Bildnormierung gemäß einem der nachfolgend aufgeführten Berechnungs
verfahren durchgeführt wird, wobei A0 ein Bildaufnahme unmittelbar nach dem Be
ginn des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie ist, Ap eine Bildaufnahme
unmittelbar vor dem Beginn des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie ist, A1,
A2, A3, . . . An Bildaufnahmen zu einer beliebigen Zeit während des Aussetzens der
Probe der Anregungsenergie sind, und An+1, An+2, An+3, . . ., An+m Bildaufnahmen zu ei
ner beliebigen Zeit nach dem Ende des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie
sind, und B1, B2, B3, B4, . . ., Bn Bildbearbeitungsergebnisse für verschiedene Tiefen in
der Probe darstellen:
wobei Ai, Aj, An und Ak wenigstens drei unterschiedliche Bilder sind, von denen we nigstens zwei zu unterschiedlichen Zeiten während des Aufheizens und eines oder zwei das Bild Ap, das kurz vor dem Beginn des Aufheizens erhalten wird, sein kön nen; oder
wobei Ai, Aj, An und Ak wenigstens drei unterschiedliche Bilder sind, von denen we nigstens zwei zu unterschiedlichen Zeiten während des Aufheizens und eines oder zwei das Bild Ap, das kurz vor dem Beginn des Aufheizens erhalten wird, sein kön nen; oder
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei in den genannten Formeln jeder Index um n+1
erhöht ist und lediglich der Index p unverändert bleibt, wobei das Bild An+1 unmittelbar
nach dem Ende des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie ist.
10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 und 9, wobei gilt
Bn+m = DH - AH oder Bn+m = DH + AH oder Bn+m = DH/AH,
wobei DH ein Bildverarbeitungsergebnis gemäß einer der in Anspruch 8 genannten Formeln für eine Bildbearbeitung von während des Aussetzens der Anregungsener gie aufgenommenen Bildern ist, und AH das Ergebnis einer Bildverarbeitung gemäß Anspruch 9 von nach dem Ende des Aussetzens der Anregungsenergie aufgenom menen Bildern, mit Ausnahme von Ap, ist; oder
wobei Aa, Ab, Ac und Ad wenigstens drei unterschiedliche Bilder sind, von denen we nigstens zwei zu unterschiedlichen Zeiten während und/oder nach dem Aufheizen aufgenommen werden, und eines oder zwei der Bilder das Bild Ap sein kann, das kurz vor dem Beginn des Aufheizens aufgenommen wird.
Bn+m = DH - AH oder Bn+m = DH + AH oder Bn+m = DH/AH,
wobei DH ein Bildverarbeitungsergebnis gemäß einer der in Anspruch 8 genannten Formeln für eine Bildbearbeitung von während des Aussetzens der Anregungsener gie aufgenommenen Bildern ist, und AH das Ergebnis einer Bildverarbeitung gemäß Anspruch 9 von nach dem Ende des Aussetzens der Anregungsenergie aufgenom menen Bildern, mit Ausnahme von Ap, ist; oder
wobei Aa, Ab, Ac und Ad wenigstens drei unterschiedliche Bilder sind, von denen we nigstens zwei zu unterschiedlichen Zeiten während und/oder nach dem Aufheizen aufgenommen werden, und eines oder zwei der Bilder das Bild Ap sein kann, das kurz vor dem Beginn des Aufheizens aufgenommen wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß als Anregungsquelle ein oder mehrere Strahlungsemissionsvorrichtungen, ins
besondere Lampen verwendet werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Filter zwischen der Energieemissionsvorrichtung und der Oberfläche des
untersuchten Gegenstands (2) vorgesehen ist, mit dem die Wellenlänge der Anre
gungsquelle im Bereich der spektralen Empfindlichkeit einer Bilderfassungsvorrich
tung herausgefiltert wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Blende (5) vor der Anregungsquelle (3) vorgesehen wird, die zum Einschal
ten der Anregung der Oberfläche des untersuchten Gegenstands geöffnet wird,
nachdem die Anregungsquelle nach Inbetriebnahme einen stabilen Zustand erreicht
hat.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß als Anregungsquelle (3) eine Ultraschallquelle verwendet wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß als Anregungsquelle (3) eine induktiv oder kapazitiv koppelnde Quelle, die In
duktionsströme, einen Joule-Effekt oder einen kapazitiven Effekt in dem zu untersu
chenden Gegenstand hervorruft, verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß als Anregungsquelle (3) eine Warm- oder Kaltluftstrahlen aussendende Quelle
verwendet wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß als Anregungsquelle (3) ein Laser oder eine Mikrowellen abstrahlende Quelle
verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistung der Anregungsquelle (3) mittels einer Regeleinrichtung (6) vor oder
während der Erwärmung der Probe geregelt wird, um Temperaturüberhöhungen und
das Auftreten von Konvektionseffekten zu vermeiden.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anregungsquelle (3) wie auch eine Bildaufnahmevorrichtung (1) auf der glei
chen Seite der zu untersuchenden Probe (2) angeordnet sind.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anregungsquelle (3) und einer Bildaufnahmevorrichtung (1) an von einander abge
wandten Seiten der zu untersuchenden Probe (2) vorgesehen sind.
21. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung, insbesondere zur Materialprüfung
mittels Thermografie, mit einer Anregungsquelle (3), einer zweidimensional abbilden
den und auflösenden Bildaufnahmevorrichtung (1), und einer mit der Bildaufnahme
vorrichtung (1) gekoppelten Bildbearbeitungseinrichtung (4), dadurch gekennzeich
net, daß die Bildbearbeitungseinrichtung (4) Mittel enthält, wenigstens drei, zu unter
schiedlichen Zeitpunkten unabhängig von einer eventuellen Zeitabhängigkeit der
Aussendung von Anregungsenergie durch die Anregungsquelle aufgenommene Bilder
miteinander zu vergleichen, wobei wenigstens zwei Bilder zu einer Zeit während oder
nach dem Aussetzen der Probe der Anregungsenergie aufgenommen werden, und
wobei aus den drei oder mehr Bildern zwei unterschiedliche Differenzen aus jeweils
zwei Bildern gebildet werden, die zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende (5) zwi
schen der Anregungsquelle (3) und der zu untersuchenden Probe (2) vorgesehen ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter
zwischen der zu untersuchenden Probe und der Anregungsquelle (3) vorgesehen
ist, wobei das Filter im Bereich der spektralen Empfindlichkeit der Bildaufnahmevor
richtung sperrt.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anregungsquelle (3) eine Strahlungsquelle, Ultraschallquelle, elektromagnetisch ein
koppelnde Quelle, Mikrowellenquelle oder eine Warm- oder Kaltluftstrahlenquelle ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Regeleinrichtung (6) zur Regelung der Leistung der Anregungsquelle (3) vorge
sehen ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bildvergleichseinrichtung Mittel enthält, die geeignet sind, die Verfahren gemäß den
Ansprüchen 2 bis 7 durchzuführen.
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