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G. Busse
Universität Stuttgart Institut für Kunststofftechnik (IKT)
Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung (IKT-ZfP)Pfaffenwaldring 32, 70569 Stuttgart
13.4.2010 VDI Expertenforum
Lock-in Thermografie:Prinzip und technische Anwendungen
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Lockin-Thermografie:
- Prinzip
- Technische Anwendungen
- Aktuelle Entwicklungen
- Zusammenfassung
Gliederung
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hot steam
coldwater
thermometers
metal bar
Angstrom´s method:determine thermal diffusivity from
phase shift across modulated heat flowPhil. Mag. 25 (1863), S. 130-142
…how it really began…(Theory: Fourier 1822)
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)/(/0),( µωµ xtix eeTtxT −−=
cωρλµ 2
=
wobei
„Thermische Eindringtiefe“
Thermische Welle
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Thermal wave transmission for thickness measurement
Photothermal transmission probing of
wedged aluminiumG. Busse: Infrared Phys. 20
(1980) 429
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Subsurface boundary probing using propagation time effects or interference (phase is
normalised propagation time...)
Medium 1
Z1
Medium 2
Z2
Medium 3
Z3
R12
R23
Basic principle for depth probing
intput
output
Z= thermal wave impedance
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Z1 - Z2
Z1 + Z2
Depth range for amplitude and phase
Amplitude and phase for thermal
wave scanacross wedged
aluminiumsample
G. Busse: Appl. Phys. Lett. 35 (1979) 759-760
and
A. Lehto, M. Jokinen, J. Jaarinen, T. Tiosanen, M. Luukkala: Electr. Lett. 17
(1981) 364
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Setup for scanning photothermal radiometry
P.-E. Nordal, S. O. Kanstad: Phys. Scripta 20 (1979) p. 659-662
Photothermal radiometry:
Local remotemeasurement of temperature modulation(amplitude and phase).
Imaging:Point-by-point measurement one aftereach other.
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Principle of Optical Lockin Thermography (OLT)
sample
Halogen lamps
IR-camera
optical radiation
thermal wavedefect
boundary
Lockin Modul
absorption
Infrared emission
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Optisch angeregte Lockin-Thermografie (OLT)
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Optisch angeregte Lockin-Thermografie Bildstapelanalyse (bis 100 Gigabyte Daten)
x
ySi
nusa
rtig
e A
nreg
ungs
inte
nsitä
t1. Einzelbild
n. Einzelbild
Math.
Ergebnisbilder:Amplitude und Phasebei Anregungsfrequenz
Kontrastmechanismus:Lokale Temperaturleitfähigkeit
und Geometrie. Pixel
DFT
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Advantage of phase angle image: Not sensitive to topography and inhomogeneous illumination
Phase image Amplitude image
OLT of structured polymer surface
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Depth range of amplitude and phase in OLT
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Lockin-Thermografie:
- Prinzip
- Technische Anwendungen
(Anregung durch Licht oder Ultraschall)
- Aktuelle Entwicklungen
- Zusammenfassung
Gliederung
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Berührungslose OLT-Abbildung der Stringer und Spanten von außen
Do 328: ZFP des Heckbereichs
...und nach 30 s das Ergebnis: Das Phasenwinkelbild zeigt die
hinter der Außenhaut verborgenen Strukturen
Durchführung der Messung...
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OLT for detection of stringer disbond after application of
excessive mechanical load
OLT for remote monitoring of integrity
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cωρλµ 2
=
„Thermische Eindringtiefe“
Modulationsfrequenz
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Optisch angeregte Lockin-Thermografie :
Bilder der lokalen Temperaturleitfähigkeit,
tiefengewichtet. Beitrag bis zur
frequenzabhängigen thermischen Eindringtiefe.
Thermische Tiefenprofile.
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OLT on front side of CFRP-sample with stringers on rear surface (sample courtesy of DLR Stuttgart)
a: photo (front side) b: photo (rear side) c: Phase angle 0.02 Hz d: Phase angle 1.1 Hz
Patches ofrepairCFRP
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Cone-shaped damage in impacted laminate
Delamination betweenlayers due to shear
laminatelayers
Impacted front surface
Rear surface
Cylindrical compression:No delamination
impact
Resulting delamination pattern
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Impactschaden in CFK–tiefenaufgelöste Darstellung von der Impactseite aus
(“Thermische Tomographie”)
Phase bei 0,1 HzPhase bei 0,3 Hz Rückseite
Delamination
Impactseite0,4 J
OLT zur Impacterkennung
oberer Querschnitt tieferer Querschnitt
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Lockin Thermografie
mit interner Heizung
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WU, D., RANTALA, J.; KARPEN, W.; ZENZINGER, G.; SCHÖNBACH, B.; RIPPEL, W.; STEEGMÜLLER, R.; DIENER, L.; BUSSE, G.: Applications of lockin-thermography methods. D.O. Thompson u. D.E. Chimenti (Hrsg.): Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Plenum Press, New York (1996) 15, S. 511-519
Lockin-Thermography on current-modulated IC
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σ
ε
Increase in temperaturedue to
hysteresis effect
(mechanical friction)
…internal heat sourcedriven by elastic waves
Stress / strain diagram
Hysteresis and energy density
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Lockin-Thermografie:
- Prinzip
- Technische Anwendungen
(Anregung durch Licht oder Ultraschall)
- Aktuelle Entwicklungen
Gliederung
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Thermische Welle
Ultraschall-Konverter
IR Kamera
Amplitudenmodulation der elastischen Welle
Ultraschall-Frequenz
FFTAmplitudenbild
Phasenbild
Elastische Welle
Defekt
Bauteil
σ
Dissipierte Energie
ε
Lock-in Thermografie mit elastischen Wellen(ULT, Patent IKT 1992 )
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Ultrasound excited lock-in thermography (ULT)
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Ultraschallangeregte Lockin-Thermografie (ULT):
Defektselektive Abbildung des lokalen mechanischen Verlustwinkels,
z.B. nicht-kraftschlüssiger Bereiche, Niet- und Kleb- und Schraubverbindungen.
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ULT on punched rivets
Cross Section…
… and ULT phase image at 0.54 Hz
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one primary thermography image Fourier phase image at 0.18 Hz
riveted aluminium structure of aircraft
Ultrasound lockin thermography for fatigue crack detection in aircraft structure
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Optical and ultrasound lock-in thermography
Difference between the two techniques:
Optical lock-in thermography (OLT)…responds to thermal features:provides images e.g. of all boundaries.
Ultrasound lock-in thermography (ULT)…responds to local heat generation due to mechanical losses:provides images e.g. of local hysteresisor friction in cracks…it is defect-selective!
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Lockin thermography:
Excitation with ultrasound
as compared to
optical excitation
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Ultrasound-Thermography on riveted stringers of A 340
Phase angle images
TransducerOLT ULT
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Vorderseitig aufgenommene Abbildung verborgener Stringerablösung
OLT Phasenbild bei 0,0015 Hz zeigt alle verborgenen Grenzflächen
ULT
1 m
0.7
m
Bereich der Stringerablösung
Phasenbild bei 0,02 Hz, Ultraschall-Leistung 1600 W
ZFP mit OLT and ULT an der ebenen Vorderseite
Optisches Bild der Rückseite
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Optisch angeregte LockinThermografiePhase bei 0,03 Hz
Ultraschallangeregte LockinThermografiefrequenzmodulierter Ultraschall 15...25 kHzPhase bei 0,05 Hz
ZFP an Stringerbruch in CFK-Landeklappe
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Lockin-Thermografie:
- Prinzip
- Technische Anwendungen
(Anregung durch Licht oder Ultraschall)
- Aktuelle Entwicklungen
- Zusammenfassung
Gliederung
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Aktuelle Entwicklungen
1. Nicht-thermischer Nachweis thermischer Wellen über die thermische Expansion:Lockin-Interferometrie.
2. Data Fusion zur Merkmalsextraktion.
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Lockin-Speckle-Interferometie erfasst die langsame Modulation der Oberfläche
out-of-plane component
lens
object
objectbeam
beamsplitter
laser
monitor with ESPI-fringes
referencebeam
ccd- camera
sinusoidal modulated lamp (heating source)
filter
sinusoidal modulated deformation
A
t
lensdefect
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Vergleichende Charakterisierung an impactgeschädigten CFK-Platten
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Aktuelle Entwicklungen
1. Nicht-thermischer Nachweis thermischer Wellen über die thermische Expansion:Lockin-Interferometrie.
2. Data Fusion zur Merkmalsextraktion.
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Scatter plot for image correlation
Image 1 Image 2
Value at pixel x,y of image 1
Value at pixel x,y of image 2
Straight line ifimage 1 = image 2
Deviations areoutside this line
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Combined samples for data fusion
Edge effects around holes
IR-camera2 samples
1
3
2
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Phase images of whole scenery
12
3
Phase image at 0.0250 Hz Phase image at 0.0125 Hz
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Scatter plot of whole scenery
phase [rad] at 0.0125 Hz
phas
e[ra
d] a
t 0.0
250
Hz
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Tracing features back by filtering in the scatter plot
1 23
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Lockin-Thermografie:
- Prinzip
- Technische Anwendungen
(Anregung durch Licht oder Ultraschall)
- Aktuelle Entwicklungen
- Zusammenfassung
Gliederung
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Lockin-Thermografie:
Bildstapelanalyse: lokale Fouriertransformation an jedem Pixel entlang der Zeitachse.
- Robustes Phasenbild
- Abbildung thermischer Grenzflächenund Enthaftungen
- Tiefenreichweite über Modulationsfrequenzeinstellbar. Grenze trotzdem etwa 8 mm in CFK.
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Zusammenfassung
ZFP an CFK
• Fügefehler: Stringerablösung• Delamination• Impakterkennung von außen• Reparaturqualität• Harznester oder Harzmangel
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Zusammenfassung
Worin liegt die Attraktivität neuer ZfP-Verfahren?
Schnell (für 100%-Prüfung)
Berührungslos (auch an nassen oder entfernten Oberflächen)
Bildgebend(anschaulich)
Defektselektiv(hohe Erkennungswahrscheinlichkeit)
Merkmalsextraktion durch Filteruzng im Scatter Plot
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Die Ergebnisse wären nicht möglich gewesen ohne
• die engagierte Forschungsarbeit des Stuttgarter interdisziplinären Teams (Gastwissenschaftler, Doktoranden, Diplomanden, Studenten, …)
• Gute Zusammenarbeit mit Luftfahrt-Nachbarn und Industriepartnern (Realprobleme statt Laborproben)
• finanzielle Unterstützung durch DFG (Normalverfahren, SFB 381, SPP 1123).
Herzlichen Dank !!
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Fragen?Gerd Busse
+49 (0)711 685 62626Fax.: +49 (0)711 685 64635 [email protected]
www.zfp.uni-stuttgart.de
Universität Stuttgart Institut für Kunststofftechnik (IKT)
Abteilung Zerstörungsfreie Prüfung (IKT-ZfP)Pfaffenwaldring 32, 70569 Stuttgart
13.4.2010 VDI Expertenforum