DE19838858A1 - Method for material testing, e.g. by thermography - Google Patents

Abstract

The method involves capturing at least three pictures at different times independently of a final time dependence of the emission of excitation energy by an excitation source. The pictures are compared with each other. At least two pictures are captured at a time during or after the exposure of the sample to the excitation energy. Two different differences between each pair of pictures are formed, which are put as a ratio of each other. An Independent claim is included for a device for carrying out the method.

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.The invention relates to a method for non-destructive material testing and characterization, in particular for defect detection by means of thermography, wherein a sample to be examined is exposed to an excitation source in order to record Excitation energy and in response to the delivery of excitation energy, wherein the excitation energy given off by the sample locally over the sample surface is measured in a spatially resolved manner with the generation of infrared images of the surface.

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.The invention further relates to a device for non-destructive material testing, especially for material testing by means of thermography, with an excitation source, ei ner two-dimensional imaging and resolving image recording device, and one image processing device coupled to the image recording device.

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 commercial practice, for non-destructive material testing so far in two thermographic processes are used: pulsed thermography and lock-in thermography.

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.In both methods, the workpiece to be tested is thermally excited, and the upper surface temperature is recorded by a thermal camera to take pictures from below to get existing defects half of the surface.

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.The pulsed thermography works with lightning impulses lasting a few millises customers, whereby successively received images are stored according to their Depth at different times as local temperature fluctuations (thermal con between faultless and faulty areas) appear on the surface to identify errors.

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.Lock-in thermography works with a sine wave modulated over time thermal excitation source with recording of several images and subsequent loading  calculation after the Fourier transformation of the temporal temperature profile for every single 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.Since in this case the thermal excitation has a sinusoidal course, also shows the surface temperature has a sinusoidal course, but with amplitude and Phase depending on the thermal properties of the material and thus on the The presence of defects under the surface will vary.

Auf diese Weise werden somit zwei Bilder erzeugt, namentlich ein Amplitudenbild und ein Phasenbild.In this way, two images are generated, namely an amplitude image and a phase picture.

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.The amplitude image is influenced by differences in the emissivity of the surface, by non-uniform heating of the surface and by the alignment thereof ben, while the phase image is not subject to these influences and thus the preservation an easily interpretable error pattern.

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.Reflections caused by constant thermal sources are in phases picture eliminated, due to the modulated ther used for thermal excitation However, reflections caused by the mixed source produce strong interference, which only by suppressing the reflection, e.g. B. can be eliminated by means of filters.

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.The depth of errors that can be identified in this way depends on the type of mate rials and of the modulation frequency: lower frequencies are capable of a larger one To reach depth.

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.A simplified algorithm is used to calculate the phase and amplitude images applicable, but it is important that the thermal source with the highest Accuracy is modulated in sine form.

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.The mostly used thermal source consists of one or more lamps; if the required sinusoidal modulation is the lamp is a non-linear system, i. H. if the sinusoidal modulation of the input  voltage does not generate a sinusoidal modulation of the output radiation, is for the Er a calibration system is required, by means of which it can be determined which Form the input voltage must have to the desired sinusiform at the output to get ge modulation. This calibration must be done for each individual thermal source and be made for each frequency envisaged for use, resulting in egg takes a considerable amount of time.

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.A working with an infrared sensor and constant thermal laser excitation, So far, however, only non-destructive testing used in the laboratory is under the Description TRIR (Time Resolved Infrared Radiometry) known.

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.The TRIR process works with a laser source for heating the material Detection of errors or to calculate properties such as thermal Effusiveness.

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.Initially, the TRIR method was only suitable for measurements on one at a time single point. Some time ago, a two-dimensional version of the TRIR Proposed method, which ar with a laser source and a thermal camera (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). This will take pictures for one sample at a time immediately after it begins of the radiation are used to calculate a constant which then serves to standardize images obtained later.

Die zweidimensionale TRIR ist jedoch ein relativ aufwendiges Verfahren, bei dem eine stufenförmige Intensitätsänderung der Beleuchtung durch einen Laser notwendig ist.However, the two-dimensional TRIR is a relatively complex process in which one a step-like change in the intensity of the illumination by a laser is necessary.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes und effizienteres Verfahren und ebensolche Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charak­ terisierung zu schaffen.It is therefore the object of the present invention to make it simpler and more efficient Method and device for the non-destructive testing and character of materials to create terization.

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.According to the invention, this object is achieved by a method mentioned at the outset, which is characterized in that at different times regardless of  a possible time dependence of the emission of excitation energy by the Excitation source at least three pictures taken and compared with at least two pictures at a time during and / or after the shutdown put the sample of excitation energy to be included, and being from the three or more images, two different differences are formed from two images each that are related to each other.

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.Furthermore, this object is achieved according to the invention by one mentioned at the beginning Device, which is characterized in that the image processing device Means contains, at least three, at different times independently of one possible time dependence of the emission of excitation energy by the stim Compare source images taken with each other, at least two Images at a time during or after exposure of the excitation generator sample be recorded, and two of the three or more images differ Liche differences are formed from two pictures, which are in relation to each other be set.

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.The invention has the advantage that reflections on the Sample and spatial inhomogeneities in the excitation energy can be eliminated nen. It is also possible to easily determine the depth of the imperfections Time of image acquisition for the later images after switching on the excitation source le to determine. In addition, the method according to the invention permits use any source of excitation that need not be pulsed or oscillating harmoniously 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.Further advantages of the invention result from the following description, in the advantageous embodiments of the invention with reference to the accompanying drawing are explained and described in more detail.

In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und Fig. 1 is a schematic representation of the device according to the invention, and

Fig. 2 einen Graphen, der den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur zweier unterschiedlicher Bereiche des untersuchten Teils zeigt. Fig. 2 is a graph showing the time course of the surface temperature of two different areas of the examined part.

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt.An embodiment is shown in Fig. 1.

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.A thermal camera 1 , preferably a focal plane field FPA (Focal Plane Array), is aimed at a workpiece 2 to be examined. A heat source 3 , in the present case an ordinary lamp of adequate strength, is arranged to heat the surface of the workpiece.

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.The thermal camera is connected to a computer 4 , which is able to record and process the images it supplies. The computer is also able to control the switching on of the lamp, as well as the start of the image generation, which must start immediately before the thermal excitation of the workpiece.

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.When using a lamp as a heat source, if constant heating is desired, it is advisable to shield it by means of an aperture 5 . In this case, the diaphragm is opened after switching on the lamp and heating it at a time t ₀ , which makes it possible to avoid the lamp irradiating the workpiece with a non-constant intensity during its heating. When using an intensity change of the radiation, for example in the form of a step function with F (t) = 0 for t <t ₀ and F (t) = F ₀ for t <t ₀ , the test piece is heated in a constant manner from time t ₀ on .

Kurz vor oder unmittelbar auf den Zeitpunkt t₀ folgend beginnt der Rechner die Akquisi­ tion der von der Thermokamera gelieferten Bilder.Shortly before or immediately after the time t ₀ , the computer begins the acquisition of the images supplied by the thermal camera.

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.The continuous heating of the test piece and the acquisition of the images can be continued over a longer period of time (e.g. a few minutes), with the strength of the heat source being set at the beginning or during the heating such that excessively high temperatures are not reached who are at risk of damaging the material or experiencing undesirable convection symptoms. For this purpose, a rheostat 6 is provided in the arrangement shown in FIG. 1. An error present in the test piece is denoted by 7 .

Je größer die Dauer der Messung ist, um so größer ist die Tiefe, in welcher Fehler auf­ gespürt werden können.The greater the duration of the measurement, the greater the depth at which errors occur can be felt.

Fig. 2 zeigt in grafischer Darstellung den Verlauf der Oberflächentemperatur T über die Zeit t bei Bestrahlung des Werkstücks durch eine konstante Wärmequelle. Fig. 2 shows in graphical display the progression of the surface temperature T over time t during irradiation of the workpiece by a constant heat source.

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.The presence of an error at a certain depth causes a local profile 8 of the surface temperature, which differs from the temperature profile 9 in an error-free area and, depending on the type of error, leads to a lower or higher temperature.

A_p 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.A _p is an image taken by the thermal camera shortly before the heating of the sample begins, which reflects reflections of the surroundings and inhomogeneities in the sample temperature before the heating begins. A ₀ is an image taken immediately after the time t ₀ at which heating of the sample is started.

A₁, A₂ . . . A_n sind von der Thermokamera zu den Zeitpunkten t₁, t₂. . . t_n erfaßte Bilder. Wenn nun j < i, dann enthält das Bild A_j Informationen über Fehler, welche in größerer Tiefe liegen als im Bild A_i aufgezeigte, so daß man hier von einer echten thermischen Tomografie sprechen kann.A ₁ , A ₂ . . . A _n are from the thermal camera at times t ₁ , t ₂ . . . t _n captured images. If j <i, then the image A _{j contains} information about errors which are deeper than that shown in the image A _i , so that one can speak of a real thermal tomography here.

Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Punkten der Oberfläche beruhen auch auf einer nicht gleichmäßigen Erwärmung der Oberfläche.Differences in temperature between different points of the surface are based also on non-uniform heating of the surface.

Um die Auswirkungen einer quer verlaufenden Wärmeleitung zu begrenzen, ist eine möglichst gleichmäßige Erwärmung anzustreben. In order to limit the effects of transverse heat conduction, one is To aim for uniform heating as possible.  

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.The images captured by the thermal camera must be processed in a suitable manner to the effects of non-uniform radiation, uneven surface emissivity, the alignment of the surface and possible refle to eliminate xion of radiation from constant heat sources.

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.This problem can be dealt with in such a way that one with a step or Rectangular pulse thermal excitation as the sum of various sinusoidal signals of different frequencies to be considered on this Based on a Fourier analysis of the temperature profile over time for each individual pixel to execute and in this way the amplitude and phase with respect to the in question determine upcoming harmonics and finally reconstruct a phase image ren, which then offers all the advantages of the phase image of lock-in thermography.

Im folgenden ist nun ein anderes Verfahren erläutert.Another method is now explained below.

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
If the signal generated by the thermal camera and referred to a specific pixel with the coordinates x and y is denoted by S (x, y, t), then it can be said that

S(x,y,t) = C(x,y)E(x,y,t) + R(x,y) (1)
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.where C (x, y) is a constant which depends on the spatial distribution of the Lam pe outgoing radiation, the surface emissivity and the alignment of the upper area is dependent, E (x, y, t) the strength of the in the theoretical case of a uniform Warming and uniform surface emissivity emitted from the surface Infrared radiation indicates, and R (x, y) the proportion of constant heat sources called gentle reflection.

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. There are various ways to output C and R from the signal S (x, y, t) divide, which in any case results in a subtraction of two images for the Elimi R and lead to a division for the elimination of C.  

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.If the absence of reflections is guaranteed, the method can be based on a Division remain limited, the operations mentioned in any case for each pixel must be carried out individually.

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:
In the event that the heat source cannot be regarded as constant, but certainly the spatial distribution of the radiation, the constant C can be expressed in the following way:

C(x,y,t) = K(x,y)F(t) (2).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.The independence of the result from the spatial coordinates x and y can be in any case by dividing two images. The temporal dependence of the The result obtained is the detection of errors and internal structures of the Materials out of the way. In this, however, it depends, not through time to avoid constant sources of reflections.

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.As can be seen from the foregoing, in the absence of reflections, what caused by the heat source used to heat the test piece the, not absolutely necessary, that the heat source used absolutely over time is constant. An almost constant thermal excitation, which in any case right is relatively easy to do, is enough. However, it is of fundamental importance speed that the spatial shape of the thermal excitation is constant, d. H. that the radio tion K (x, y) is in no way time-dependent.

Bezeichnet man die resultierenden Bilder als B_i, dann ist in Abwesenheit von Reflexio­ nen beispielsweise die folgende Berechnungsvorschrift anwendbar:
If the resulting images are referred to as B _i , then the following calculation rule can be used in the absence of reflections:

Eine andere Möglichkeit ist:
Another possibility is:

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.In the first case (3), the image n is normalized with reference to the first image, errors which are gradually being made more apparent as n increases. Only the defects in the surface area already visible in Figure A ₀ are lost.

Im zweiten Falle (4) werden schrittweise in größerer Tiefe liegende Schichten sichtbar gemacht, wobei jedes Bild in bezug auf das jeweils vorausgegangene normiert wird.In the second case (4), layers lying deeper are gradually visible made, each image being normalized with respect to the previous one.

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.Given the dependence of the temperature on the reciprocal value, the images the square root of time in intervals increasing with the square of time taken, then neglecting radiation and con a linear temperature rise for a quasi infinite solid by. Any existing errors are caused by deviations from the linear Temperature curve recognizable. A limited depth of the solid also leads to a Deviation from this linear course.

Im Falle von durch konstante Quellen, einschließlich der für die Erwärmung des Prüf­ stücks verwendeten Wärmequelle, hervorgerufenen Reflexionen ist das folgende Be­ rechnungsschema anwendbar:
In the case of reflections caused by constant sources, including the heat source used to heat the test piece, the following calculation scheme can be used:

oder auch
or

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.The meaning of the expressions (5) and (6) is essentially the same as the expressions (3) or (4), with the difference mentioned that evoked by constant sources reflections can be eliminated.

Eine andere Möglichkeit ist:
Another possibility is:

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.There are, of course, numerous ways in which images can be obtained in to process data of interest, of which the aforementioned are merely as Examples should serve.

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.Other examples of the method according to the invention include an image shortly before Beginning of the heating process. This makes it possible to get initial Eliminate temperature inhomogeneities and reflections safely.

Bezeichnet man ein Bild vor dem Beginn des Erwärmungsprozesses mit A_p, und ein unmittelbar nach dem Beginn des Erwärmungsprozesses aufgenommenes Bild mit A₀, und darauf folgend aufgenommene Bilder jeweils mit A₁, A₂, . . . A_n, so sind die nachfol­ genden mathematischen Verfahren zur Bildverarbeitung möglich.
One designates an image before the beginning of the heating process with A _p , and an image taken immediately after the beginning of the heating process with A ₀ , and images subsequently taken with A ₁ , A _2,. . . A _n , the following mathematical methods for image processing are possible.

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:
As before, the images are processed pixel by pixel. B represents the resulting image again. Another possible processing method for the images taken is as follows:

Eine weitere Möglichkeit zur Bildverarbeitung erfolgt gemäß der Beziehung:
Another option for image processing is based on the relationship:

Ganz allgemein läßt sich die Bildverarbeitung darstellen als
In general, the image processing can be represented as

wobei i und j bzw. h und k unterschiedliche Zeitpunkte der Bildaufnahme betreffen und zwei Bilder dasselbe Bild sein können.where i and j or h and k relate to different times of the image acquisition and two pictures can be the same picture.

Die Bildverarbeitung kann auch Summen oder Subtraktionen solcher Ausdrücke für unterschiedliche Werte i, j, h und k enthalten.Image processing can also sum or subtract such expressions for contain different values i, j, h and k.

Geht man davon aus, daß ein Bild A_p kurz vor dem Beginn des Aufheizprozesses erhal­ ten wird, können die obigen Auswerteverfahren mit Ausnahme auf A_p 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:
Assuming that an image A _{p is obtained} shortly before the start of the heating process, the above evaluation methods, with the exception of A _p, can be applied to those images which occur during the heating, only after the heating or during and after the heating were obtained. An example of a mathematical evaluation in this case for images obtained during and after heating is described by the following formulas:

oder
or

A_n+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.
A _{n + 1} should be the first picture here after switching off the heat source. It should be emphasized that the quotient formed from the images after the shutdown is subtracted from the quotient formed from the images before the shutdown. This creates the following advantage.

B_n+m = DH-AH mit
B _{n + m} = DH-AH with

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 B_n+m ergeben, wogegen bei Subtraktionsbildung große Unterschiede für B_n+m auftreten.In the case of defects during delamination, the term DH is very large, while the term AH, which results after the heat source has been switched off, is small. Conversely, in a defect-free area, the expression DH is smaller and the expression AH is larger. Adding up the values of DH and AH would essentially result in the same value for B _{n + m} for imperfections and defect-free points, whereas large differences occur for B _{n + m} when subtraction is formed.

Nicht nur die Subtraktion oder Addition der Werte von DH und AH wäre möglich, son­ dern auch eine Quotientenbildung DH/AH.Not only the subtraction or addition of the values of DH and AH would be possible; also a quotient formation 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.In addition to the previously described reference formation by means of images that are just before or shortly after switching on the heat source, there is still the possibility standardize using a defect-free homogeneous reference sample. For this it is necessary that the relative positions of the IR camera, the heat source and the sample to be examined are constant, and that the sample is the same Shape, e.g. B. has a flat surface. In this case, the spatial Distribution of heat on the surface of the sample using a reference sample determine solution. A very clean, noise-free measurement can be used for the reference sample solution of the spatial distribution of the heating source on the surface of the reef Reference sample can be obtained to normalize the during the real measurement holding image sequence can be used without further noise and without the appearance of problems due to very flat defects that are already in egg  image taken immediately after the heat source was turned on de, can be visible.

Im Nachfolgenden wird das bearbeitete Referenzbild mit C bezeichnet.
In the following, the processed reference image is denoted by C.

C = A r|p - A r|t-ref
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 t_ref nach dem Einschalten der Wärmequelle aufgenommenes Bild ist.where A r | p is a reference picture taken before the heat source is switched on and A r | t-ref is a picture taken at a specific time t _ref after the heat source is switched on.

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.The reference sample can be a plate made of homogeneous material and / or parallel be surface areas, which is preferably large enough, the entire image field of the camera to fill in and which is preferably thick enough, one in the depth direction as infinite simulate solid to be viewed. The reference sample should be high and homogeneous surface emissivity, a low thermal conductivity and a ge rings have thermal effusivity to provide a good signal-to-noise ratio create.

Die Zeit t_ref 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. t_ref 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. The time t _ref should be selected so that the measurement of Ar | t-ref can be carried out with a very good signal-to-noise ratio. A suitable integration time should be selected on the camera to carry out the measurement. The integration time during which the IR sensor integrates the IR radiation coming from the sample under investigation should be as long as possible in order to allow a reduction in the signal-to-noise ratio, but not for so long that the infrared sensor is saturated goes. t _ref must also not be so long that influences of lateral thermal conductivity appear due to non-homogeneous heating of the sample surface and that convection effects occur. The longest possible integration time should also be used to record the following image A r | p in order to prevent noise. The average can be formed from several images. To obtain a smooth profile of the reference image C, filters, in particular color filters or nu merische filters, can also be used.

Das Referenzbild kann man dazu verwenden, die während der wahren Messungen des zu untersuchenden Gegenstands erhaltenen Bilder zu normieren.
The reference image can be used to normalize the images obtained during the true measurements of the object to be examined.

In dieser Beziehung stellt A_p und A_n von der wahren zu untersuchenden Probe erhaltene Bilder dar und B_n 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.In this regard, A _p and A _{n represent} images obtained from the true sample to be examined and B _n is again the result of the image processing. This method does not exclude changes in surface emissivity. However, it is suitable to examine different objects as long as they essentially have the shape of the reference sample in the examination field.

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.For routine inspection of identical components, for which also the relative position NEN of camera, heat source and component are the same, a faultless it component is used for a reference measurement as described above, and subsequently further components can be examined for defects. When used the same parts originating from the same manufacturing process as a reference pro not only influences due to inhomogeneous heating, but also effects due to local changes in surface emissivity and local changes the surface orientation used when a reference pattern was used sample, with z. B. flat surface, could not be excluded, eliminated become.

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:
If C ₀ = A r | p - A r | 0 A r | p - A r | 0, where A r | 0 is an image that was obtained on a reference sample immediately after the heat source was switched on, the result for Images taken at different times for evaluation:

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.The internal structures of the sample are visible, the changes in the Surface emissivity and different local surface orientations be closed. Of course, in this case, as mentioned above, the reference sample the same shape and surface emissivity as the samples to be examined point.

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:
It is also advantageous to record the images of the reference samples and the objects to be examined at the same times, and to carry out time-correlated normalizations. The error-free samples, which serve as a reference, are processed in the following way:

C₀ = A r|p - A₀; C₁ = A r|p - A r|1; C₂ = A r|p - A₂; . . . C_n = A r|p - A (18)C ₀ = A r | p - A ₀ ; C ₁ = A r | p - A r | 1; C ₂ = A r | p - A ₂ ; . . . C _n = A r | p - A (18)

Die Werte C₀ bis C_n werden anschließend entsprechend zur Normierung der Differen­ zen
The values C ₀ to C _n are then used to normalize the differences

A_p-A₀; A_p-A₁; A_p-A₂; A_p-A_n (19)
A _p -A ₀ ; A _p -A ₁ ; A _p -A ₂ ; A _p -A _n (19)

verwendet, die jeweils ebenfalls zu Zeiten t₀, t₁, . . . t_n an den wahren, zu untersuchenden Gegenständen durchgeführt wurden.used, each also at times t ₀ , t ₁ ,. . . t _n were carried out on the true objects to be examined.

Dann wird vorteilhafterweise wieder jeweils der Quotient gebildet
Then the quotient is again advantageously formed in each case

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. to maintain the internal structure of the components. There are all areas where no There are no differences due to defects between the sample and the reference conditions, eliminated and only the defects appear. This procedure represents the Possibility to automate a quality control in a simple way.  

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.The reflection caused by the lamp used to heat the test piece NEN can also be avoided by using a filter that is in the Is able to use the radiation emitted by the lamp in the thermal camera to eliminate th area.

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.By selecting images obtained at different times, it is possible to: different depths penetrate into the material and thus a three-dimensional re to preserve the construction (thermal tomography) of the internal structure.

Wichtig sind die Geschwindigkeit, mit welcher die Bilder, insbesondere die Ersten, ge­ wonnen werden, die thermische Sensibilität und ein möglichst niedriger Rauschanteil.The speed at which the images, especially the first ones, are important is important thermal sensitivity and the lowest possible noise component.

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).Focal Plane Array (FPA) currently available on the market Thermal cameras have considerably over the conventional scanning thermal cameras superior properties (low noise, increased sensitivity and increased Image acquisition speeds, up to 1,400 times in the latest versions per second).

Das Signal kann proportional der Intensität der Wärmequelle verstärkt werden.The signal can be amplified in proportion to the intensity of the heat source.

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.The exact measurement of the surface temperature by the thermal camera, and thus the approach of a correct coefficient for thermal emissivity is given the subsequent normalization of the images is not overly important.

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.Instead of an excitation source working with a step-like intensity change you can also use a source that works with a rectangular pulse, which consider themselves the sum of sine pulses with different frequencies leaves. The response to the rectangular pulse can be determined using the for each pixel Fourier transformation made over time are analyzed; so lets construct a phase image solely from the frequencies present in the pulse or subtractions and divisions can be performed possible reflections caused by constant sources, as explained above  and by non-uniform heating, different emissivity and orientation to eliminate surface effects.

In der Praxis können Einzelheiten der Durchführung im Rahmen der Erfindung und somit im Rahmen des beanspruchten Schutzes weitgehend abgewandelt werden.In practice, details of implementation within the scope of the invention and thus largely modified within the scope of the claimed protection.

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.The thermography, which works with a constant impulse, offers more than the pulsed one Thermography all the advantages of lock-in thermography: independence from Surface emissivity, insensitivity to non-uniform heating and elimination of reflections caused by constant sources.

Gegenüber der Lock-In-Thermografie ergeben sich die folgenden Vorteile:
Es ist nicht notwendig, die Quelle auf die verschiedenen Frequenzen zu kalibrieren.The advantages compared to lock-in thermography are as follows:
It is not necessary to calibrate the source to the different frequencies.

Es ergeben sich verschiedenen Eindringtiefen entsprechende Bilder, ohne die Messung zu wiederholen.Images corresponding to different penetration depths result without the measurement to repeat.

Durch konstante Quellen, einschließlich der zur Erwärmung des Prüfstücks verwende­ ten Quelle, hervorgerufene Reflexionen können eliminiert werden.From constant sources, including those used to heat the specimen th source, reflections caused can be eliminated.

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.Necessary to get the image of an error at a certain depth The duration of a measurement is considerably shorter than with lock-in thermography.

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.The operations of subtraction and division can be done immediately on any new image after its inclusion be carried out to be the result of the image processing to be displayed during the current measurement.

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).The considerably reduced duration of the measurement is particularly important for the determination of deep defects in materials with low thermal conductivity: With one wooden test piece was able to measure up to one with a duration of four minutes Penetrate depth of 10 mm, while it is only ge with the lock-in thermography  long to penetrate to a depth of 4-5 mm, and that with a measurement of ins total approx. ten minutes (five minutes until the heat transfer has subsided and five minutes for one cycle).

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.The elimination of constant sources, including those for heating The reflections used are also extremely important as they are in certain It is not possible due to the geometry of the workpiece to be tested Avoid reflections towards the thermal camera.

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.Other uses include measuring the thickness of coatings that Measurement of thermal material properties, determining the orientation of Fibers at different depths using a point source (laser) etc.

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.The following significant differences exist compared to the two-dimensional version of the TRIR described at the beginning:
The two-dimensional TRIR process works with a laser source to ensure constant emission over time.

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.Constant pulse thermography allows the use of one or several lamps, which have the advantage that they are considerably cheaper than a laser and can cover a considerably larger area.

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.The constant emission is advantageous when it comes down to it, due to the excitation to eliminate reflections caused by the source, but it can take time intervals are limited, during which the subsequently to be subtracted Bil who are won.

Eine zeitlich ausreichend konstante Emission kann durch vorzeitiges Aktivieren der Lampen und Abschirmung derselben mittels einer Blende erzielt werden. An emission that is constant over time can be activated by activating the Lamps and shielding thereof can be achieved by means of an aperture.  

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.The two-dimensional TRIR process uses those obtained from the first pictures data for calculating a comprehensive constant for thermal effusivity of the surface material in order to normalize the individual images. This too Purpose, it is absolutely necessary to use a source that is completely constant over time, e.g. B. to use a laser.

Die Thermografie nach der vorliegenden Erfindung arbeitet mit einem äußerst einfachen Berechnungsverfahren, welches aus einer einfachen Division zweier Bilder Pixel für Pixel besteht.The thermography according to the present invention works with an extremely simple one Calculation method, which consists of a simple division of two images pixel by pixel consists.

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.The two-dimensional TRIR process does not involve eliminating the reflections Consideration while constant pulse thermography allows from constant sources, including those used to heat the test piece Source to eliminate reflections.

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.In contrast to thermography with constant impulse, this looks two-dimensional TRIR procedures do not provide any facilities that enable the intensity of the limit radiation falling on the surface in order to limit the keep the surface temperature low and thus prevent unwanted convection phenomena limit.

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.1. A method for non-destructive material testing and characterization, in particular for defect detection by means of thermography, a sample to be examined being exposed to an excitation source for receiving excitation energy and in response thereto for delivering excitation energy, the excitation energy emitted locally by the sample the sample surface is measured in a spatially resolved manner with the generation of infrared images of the surface, characterized in that at different times, at least three images are recorded and compared with one another, regardless of a possible time dependence of the emission of excitation energy by the excitation source, with at least two images at a time during and / or after exposing the sample to the excitation energy, and wherein from the three or more images two different differences are formed from two images each, which are in relation to each other g be replaced. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that the excitation source Energy with relative spatial Ver. Constant at least at the location of the sample division according to the function C (x, y, t) = K (x, y) F (t), where C is the spatial temporal Energy distribution is, K (x, y) a temporally unchangeable form function of energy distribution and F (t) is a time-dependent factor. 3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungs­ quelle eine Energieanregung in Form einer stufenförmigen Intensitätsänderung oder eines Rechteckimpulses abgibt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the excitation source an energy stimulation in the form of a step-like change in intensity or emits a rectangular pulse. 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.4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that two images, from which the difference is formed and which ver in the denominator of the image processing be used, obtained on a reference sample and at least two images, from which the difference is formed and which are used in the counter on the to investigating sample can be obtained, compared to the acquisition of Images on the sample to be examined the same relative positions and Aus  direction of reference sample, excitation source and image capture device will hold. 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.5. The method according to claim 4, characterized in that the reference sample Plate is made of a homogeneous material with a homogeneous surface emissivity has a flat surface and constant thickness, or a body of ho mogeneous material with homogeneous surface emissivity, which has a flat surface che and is so thick that it has a semi-infinite body with regard to the time required for the measurement is the same. 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.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that as Reference sample a body with the same shape as the sample to be examined, the has been recognized as error-free is used. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der als fehlerfrei erkann­ te Körper statistisch aus einer großen Anzahl von untersuchten Körpers ermittelt wird.7. The method according to claim 6, characterized in that the recognized as error-free te body is statistically determined from a large number of examined bodies. 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, A_p eine Bildaufnahme unmittelbar vor dem Beginn des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie ist, A₁, A₂, A₃, . . . A_n Bildaufnahmen zu einer beliebigen Zeit während des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie sind, und A_n+1, A_n+2, A_n+3, . . ., A_n+m Bildaufnahmen zu ei­ ner beliebigen Zeit nach dem Ende des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie sind, und B₁, B₂, B₃, B₄, . . ., B_n Bildbearbeitungsergebnisse für verschiedene Tiefen in der Probe darstellen:
wobei A_i, A_j, A_n und A_k wenigstens drei unterschiedliche Bilder sind, von denen we­ nigstens zwei zu unterschiedlichen Zeiten während des Aufheizens und eines oder zwei das Bild A_p, das kurz vor dem Beginn des Aufheizens erhalten wird, sein kön­ nen; oder
8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an image normalization is carried out according to one of the calculation methods listed below, wherein A _{0 is} an image recording immediately after the start of the exposure of the sample to the excitation energy, A _{p is} an image recording immediately before The start of exposure to the excitation energy sample is A ₁ , A ₂ , A _3,. . . A _{n are} images at any time during the exposure of the sample to the excitation energy, and A _{n + 1} , A _{n + 2} , A _{n + 3,.} . ., A _{n + m} images at any time after the end of the exposure of the sample to the excitation energy, and B ₁ , B ₂ , B ₃ , B _4,. . ., B _n Display image processing results for different depths in the sample:
where A _i , A _j , A _n and A _{k are} at least three different images, of which we can be at least two at different times during the heating and one or two the image A _p obtained shortly before the start of the heating nen; or
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 A_n+1 unmittelbar nach dem Ende des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie ist.9. The method according to claim 8, wherein in said formulas each index is increased by n + 1 and only the index p remains unchanged, the image A being _{n + 1} immediately after the end of the exposure of the sample to the excitation energy. 10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 und 9, wobei gilt
B_n+m = DH - AH oder B_n+m = DH + AH oder B_n+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 A_p, ist; oder
wobei A_a, A_b, A_c und A_d 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 A_p sein kann, das kurz vor dem Beginn des Aufheizens aufgenommen wird.10. The method according to claims 8 and 9, wherein applies
B _{n + m} = DH - AH or B _{n + m} = DH + AH or B _{n + m} = DH / AH,
wherein DH is an image processing result according to one of the formulas mentioned in claim 8 for image processing of images taken during the exposure of the excitation energy, and AH is the result of an image processing according to claim 9 of images taken after the end of the exposure to the excitation energy, with the exception of A _p is; or
where A _a , A _b , A _c and A _{d are} at least three different images, at least two of which are taken at different times during and / or after heating, and one or two of the images can be the image A _p is recorded just before the start of heating. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle ein oder mehrere Strahlungsemissionsvorrichtungen, ins­ besondere Lampen verwendet werden.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that that one or more radiation emission devices, as the excitation source special lamps are used. 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.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a filter between the energy emission device and the surface of the object under investigation ( 2 ) is provided, with which the wavelength of the excitation source in the range of the spectral sensitivity of an image recording device is filtered out. 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.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an aperture ( 5 ) is provided in front of the excitation source ( 3 ), which is opened for switching on the excitation of the surface of the object under investigation after the excitation source has reached a stable state after start-up Has. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle (3) eine Ultraschallquelle verwendet wird.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an ultrasound source is used as the excitation source ( 3 ). 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.15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an inductive or capacitive coupling source, which induces induction currents, a Joule effect or a capacitive effect in the object to be investigated, is used as the excitation source ( 3 ). 16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle (3) eine Warm- oder Kaltluftstrahlen aussendende Quelle verwendet wird.16. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a source emitting warm or cold air jets is used as the excitation source ( 3 ). 17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle (3) ein Laser oder eine Mikrowellen abstrahlende Quelle verwendet wird.17. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a laser or a microwave emitting source is used as the excitation source ( 3 ). 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. 18. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the power of the excitation source ( 3 ) by means of a control device ( 6 ) is controlled before or during the heating of the sample in order to avoid excessive temperatures and the occurrence of convection effects. 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.19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation source ( 3 ) and an image recording device ( 1 ) are arranged on the same side of the sample to be examined ( 2 ). 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.20. The method according to any one of claims 1 to 18, characterized in that the excitation source ( 3 ) and an image recording device ( 1 ) on mutually facing sides of the sample to be examined ( 2 ) are provided. 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.21. An apparatus for non-destructive material testing, particularly for materials testing by means of thermography, with an excitation source (3), a two-dimensional image the and-resolution image pickup device (1), and a device (1) coupled to the image processing device (4) with the image recording, characterized net gekennzeich, that the image processing device ( 4 ) contains means to compare at least three images taken at different times, regardless of a possible time dependence of the emission of excitation energy by the excitation source, at least two images at a time during or after the exposure of the sample to the excitation energy are recorded, and wherein from the three or more images two different differences are formed from two images each, which are put in relation to each other. 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende (5) zwi­ schen der Anregungsquelle (3) und der zu untersuchenden Probe (2) vorgesehen ist.22. The apparatus according to claim 21, characterized in that an aperture ( 5 ) between the excitation source's ( 3 ) and the sample to be examined ( 2 ) is provided. 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.23. The apparatus according to claim 21 or 22, characterized in that a filter is provided between the sample to be examined and the excitation source ( 3 ), the filter locking in the region of the spectral sensitivity of the image recording device. 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. 24. Device according to one of claims 21 to 23, characterized in that the excitation source ( 3 ) is a radiation source, ultrasound source, electromagnetically a coupling source, microwave source or a warm or cold air jet source. 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.25. Device according to one of claims 21 to 24, characterized in that a control device ( 6 ) for controlling the power of the excitation source ( 3 ) is easily seen. 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.26. Device according to one of claims 21 to 25, characterized in that the Image comparison device contains means which are suitable for the method according to the Claims 2 to 7 perform.