JP2011506927A - Nondestructive inspection using laser ultrasound and infrared thermography - Google Patents
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Abstract
ターゲット材料の内部構造を試験するための検査システムが提供される。この検査システムは、生成レーザ、超音波検出システム、熱画像処理システム、及びプロセッサ/制御モジュールを備える。生成レーザは、ターゲット材料において超音波変位及び熱過渡を誘起するよう動作することができる、パルス・レーザ・ビームを生成する。超音波検出システムは、ターゲット材料における超音波表面変位を検出する。熱画像処理システムは、ターゲット材料における熱過渡を検出する。プロセッサは、ターゲット材料での検出した超音波変位及び熱画像の両方を分析して、ターゲット材料の内部構造についての情報をもたらす。 An inspection system for testing the internal structure of the target material is provided. The inspection system includes a generation laser, an ultrasonic detection system, a thermal image processing system, and a processor / control module. The generating laser generates a pulsed laser beam that can be operated to induce ultrasonic displacement and thermal transients in the target material. The ultrasonic detection system detects an ultrasonic surface displacement in the target material. The thermal imaging system detects thermal transients in the target material. The processor analyzes both the detected ultrasonic displacement and the thermal image at the target material to provide information about the internal structure of the target material.
Description
本発明は、非破壊試験に関し、より詳細には、材料の内部構造を検査するための熱画像処理及び超音波試験の使用法に関する。 The present invention relates to nondestructive testing, and more particularly to the use of thermal imaging and ultrasonic testing to inspect the internal structure of materials.
近年、航空宇宙産業、自動車産業、及び他の多くの民間産業において、先端複合材料構造体の使用が驚異的に伸びてきている。複合材料により著しい性能の改善がもたらされるが、複合材料は、製造プロセスにおいても、又これらの材料が完成品の中で使用された後にも、厳格な品質管理手順を必要とする。具体的には、非破壊評価(NDE)法は、複合材料の構造的完全性を評価しなければならない。適切に評価するには、表面に近い領域、及び内部深くの領域の両方で、含有物、層間はく離、及び多孔率を検出する能力を必要とする。 In recent years, the use of advanced composite structures has grown tremendously in the aerospace industry, automotive industry, and many other private industries. Although composite materials provide significant performance improvements, composite materials require strict quality control procedures both in the manufacturing process and after these materials are used in the finished product. Specifically, the nondestructive evaluation (NDE) method must evaluate the structural integrity of the composite material. Proper evaluation requires the ability to detect inclusions, delamination, and porosity in both areas close to the surface and deep inside.
複合構造体の構造的完全性を評価するための、様々な方法及び装置が提案されてきた。1つのソリューションでは、超音波源を使用して、ターゲット材料内に超音波表面変位を発生させる。次いで、超音波表面変位は、測定され、分析される。超音波源は、ターゲットに向けられたパルス生成レーザ・ビームでもよい。別個の検出レーザからのレーザ光が、超音波表面変位を照射し、加工物の表面によって散乱される。次いで、集光光学装置が、散乱したレーザ・エネルギーを集める。集光光学装置は、干渉計又は他の装置に結合され、散乱したレーザ・エネルギーの分析を通して、複合構造体の構造的完全性についてのデータを得ることができる。レーザ超音波は、製造プロセス時の各部品の検査において、非常に有効であることが示されてきた。 Various methods and apparatus have been proposed for assessing the structural integrity of composite structures. In one solution, an ultrasonic source is used to generate ultrasonic surface displacements in the target material. The ultrasonic surface displacement is then measured and analyzed. The ultrasound source may be a pulsed laser beam directed at the target. Laser light from a separate detection laser irradiates the ultrasonic surface displacement and is scattered by the surface of the workpiece. A collection optics then collects the scattered laser energy. The collection optics can be coupled to an interferometer or other device to obtain data about the structural integrity of the composite structure through analysis of the scattered laser energy. Laser ultrasound has been shown to be very effective in inspecting each part during the manufacturing process.
通常、レーザ光源は、干渉計に結合された探査レーザ・ビームが表面の変位又は速度を検出している間、表面上の局所的スポットにおいて熱膨張によって音波を生成する。生成レーザを吸収することによる熱膨張により、レーザ超音波検出システムによって復調される変位が生じ、結果として、レーザ超音波信号の最初にパルスが生じる。このエコーは普通、表面エコーと呼ばれている。表面エコーは、サンプルの表面近くの欠陥によって生成されるいかなるエコーをもマスクすることがある。表面エコーの持続時間は、生成レーザ・パルスの持続時間、及び検出システムの周波数帯域幅に依存する。通常、CO2生成レーザ及び検出用の共焦点ファブリ・ペローを用いると、表面エコーは数マイクロ秒まで継続することがある。したがって、その時間中にエコーを生成することになるいかなる欠陥も、マスクされることがある。こうした理由で、レーザ超音波検査は、内部深くの欠陥には感度が高く、表面近くの欠陥には感度が低い。 Typically, the laser light source generates sound waves by thermal expansion at local spots on the surface while the probe laser beam coupled to the interferometer detects the surface displacement or velocity. Thermal expansion by absorbing the generated laser causes displacement that is demodulated by the laser ultrasound detection system, resulting in a pulse at the beginning of the laser ultrasound signal. This echo is usually called a surface echo. A surface echo may mask any echo generated by defects near the surface of the sample. The duration of the surface echo depends on the duration of the generated laser pulse and the frequency bandwidth of the detection system. Typically, using a CO2 generating laser and a confocal Fabry-Perot for detection, the surface echo may last up to a few microseconds. Thus, any defect that will generate an echo during that time may be masked. For these reasons, laser ultrasonic inspection is highly sensitive to defects deep inside and low to defects near the surface.
別のNDE法である過渡赤外線(IR)サーモグラフィでは、ポリマー・マトリックス部品内の数mmよりも深い部分の欠陥に対するその感度が低いために、ポリマー・マトリックス複合材料の検査が効率的に行えるようにはならない。 Another NDE method, Transient Infrared (IR) thermography, allows for efficient inspection of polymer matrix composites due to its low sensitivity to defects deeper than a few millimeters in polymer matrix parts. Must not.
本発明の各実施例は、上記確認された必要性及び他の必要性にも実質的に取り組む、システム及び方法を対象とする。本発明の各実施例を、以下の説明及び特許請求の範囲でさらに説明する。本発明の各実施例の利点及び特徴は、この説明、添付図面及び特許請求の範囲から明らかになり得る。 Embodiments of the present invention are directed to systems and methods that substantially address the identified needs and other needs described above. Each embodiment of the invention is further described in the following description and claims. The advantages and features of each embodiment of the invention may become apparent from the description, the accompanying drawings, and the claims.
本発明の各実施例は、レーザ超音波技法と熱画像処理技法を組み合わせて、上記確認された必要性及び他の必要性にも実質的に取り組む。レーザ超音波発生技法は、過渡的な熱源を提供するのに使用してもよい。したがって、過渡赤外線(IR)サーモグラフィをレーザ超音波と組み合わせて、ポリマー・マトリックス部品(すなわち複合材料)のより完全な非破壊検査を実現してもよい。 Each embodiment of the present invention combines laser ultrasound and thermal imaging techniques to substantially address the above identified needs and other needs. Laser ultrasound generation techniques may be used to provide a transient heat source. Thus, transient infrared (IR) thermography may be combined with laser ultrasound to achieve a more complete non-destructive inspection of polymer matrix components (ie, composite materials).
一実施例では、ターゲット材料の表面近く及び内部深くの構造を検査する検査システムが提供される。この検査システムは、生成レーザ、超音波検出システム、熱画像処理システム、及びプロセッサ/制御モジュールを備える。生成レーザは、ターゲット材料において超音波変位及び熱過渡の両方を誘起するよう動作することができる、パルス・レーザ・ビームを生成する。超音波検出システムは、ターゲット材料における超音波表面変位を検出する。熱画像処理システムは、ターゲット材料における熱過渡を検出する。プロセッサ/制御装置は、ターゲット材料での検出した超音波変位及び熱画像の両方を分析し、その相関をとって、ターゲット材料の表面近く及び内部深くの構造についての情報をもたらす。 In one embodiment, an inspection system for inspecting structures near the surface and deep inside the target material is provided. The inspection system includes a generation laser, an ultrasonic detection system, a thermal image processing system, and a processor / control module. The generation laser generates a pulsed laser beam that can operate to induce both ultrasonic displacement and thermal transients in the target material. The ultrasonic detection system detects an ultrasonic surface displacement in the target material. The thermal imaging system detects thermal transients in the target material. The processor / controller analyzes both the detected ultrasonic displacement and thermal images at the target material and correlates them to provide information about the structure near and deep inside the target material.
他の実施例では、ターゲットの内部構造を検査する方法が提供される。この方法は、ターゲット材料における超音波変位及び熱過渡を誘起するステップを含む。これらの超音波変位及び熱過渡は、単一パルス生成レーザ・ビームを使用して生成してもよい。ターゲットの表面に導かれた生成レーザ・ビームによって生じる超音波変位及び熱過渡が、検出され分析されてもよい。生成し分析するステップは、超音波の情報及び熱の情報の両方を同期し、その相関をとって、ターゲットの構造についてのより完全な理解をもたらすステップを含んでもよい。たとえば、超音波変位を分析することにより、複合材料内の内部深くの構造についての情報がもたらされてもよい。熱画像により、複合材料の表面近くの内部構造についての情報がもたらされてもよい。超音波情報と熱情報の相関をとることにより、ターゲットの総合的な内部構造をよりよく理解できるようになる。 In another embodiment, a method for inspecting the internal structure of a target is provided. The method includes inducing ultrasonic displacement and thermal transients in the target material. These ultrasonic displacements and thermal transients may be generated using a single pulse generated laser beam. Ultrasonic displacement and thermal transients caused by the generated laser beam directed to the surface of the target may be detected and analyzed. The generating and analyzing step may include synchronizing both ultrasound information and thermal information and correlating them to provide a more complete understanding of the target structure. For example, analysis of ultrasonic displacement may provide information about structures deep inside the composite material. Thermal images may provide information about internal structures near the surface of the composite material. By correlating ultrasonic information and thermal information, the overall internal structure of the target can be better understood.
さらに他の実施例では、複合材料検査システムが提供される。この複合材料検査システムは、複合材料において超音波変位及び熱過渡を誘起するパルス・レーザ・ビームを生成するための生成レーザを備える。複合材料における超音波表面変位を検出するための超音波検出システムが提供される。複合材料における熱過渡を検出するための熱画像処理システムが提供される。制御モジュールは、熱画像処理フレーム取得を、生成レーザ・ビームのパルス速度とマッチさせてもよい。ターゲットの総合的な内部構造についての情報をもたらすために、検出された超音波変位及び熱画像を分析し、その相関をとるためのプロセッサが提供される。 In yet another embodiment, a composite material inspection system is provided. The composite inspection system includes a generation laser for generating a pulsed laser beam that induces ultrasonic displacement and thermal transients in the composite. An ultrasonic detection system for detecting ultrasonic surface displacement in a composite material is provided. A thermal imaging system is provided for detecting thermal transients in a composite material. The control module may match the thermal image processing frame acquisition with the pulse rate of the generated laser beam. A processor is provided to analyze and correlate detected ultrasonic displacements and thermal images to provide information about the overall internal structure of the target.
本発明及びその利点をより完全に理解するために、次に、添付図面とともになされる以下の説明を参照する。添付図面においては、同じ参照番号は同じ機能を示す。 For a more complete understanding of the present invention and its advantages, reference is now made to the following description taken in conjunction with the accompanying drawings. In the accompanying drawings, like reference numbers indicate like functions.
本発明の好ましい実施例を各図に示すが、同じ番号は、様々な図面の同じ部分及び対応する部分を指すのに使用される。 Preferred embodiments of the invention are illustrated in the figures, wherein like numerals are used to refer to like and corresponding parts of the various drawings.
本発明の各実施例は、レーザ超音波技法と熱画像処理技法を組み合わせて、ポリマー・マトリックス部品(すなわち複合材料)などの、ただしそれだけに限定されないターゲット材料の、より完全な非破壊検査を実現する。一実施例では、ターゲット材料の内部構造を検査するよう動作することができる、検査システムが提供される。この検査システムは、生成レーザ、超音波検出システム、熱画像処理システム、及びプロセッサ/制御モジュールを備える。生成レーザは、ターゲット材料において超音波変位及び熱過渡の両方を誘起するよう動作することができる、パルス・レーザ・ビームを生成する。超音波検出システムは、ターゲット材料における超音波表面変位を検出する。熱画像処理システムは、ターゲット材料における熱過渡を検出する。プロセッサは、ターゲット材料での検出した超音波変位及び熱画像の両方を分析し、その相関をとって、ターゲット材料の総合的な内部構造についての情報をもたらす。本発明の各実施例では、より速い検査速度、改善されたシステム信頼性、及びより低い運用コストが実現する。 Each embodiment of the present invention combines laser ultrasound and thermal imaging techniques to provide a more complete non-destructive inspection of target materials such as, but not limited to, polymer matrix components (ie, composite materials). . In one embodiment, an inspection system is provided that is operable to inspect the internal structure of the target material. The inspection system includes a generation laser, an ultrasonic detection system, a thermal image processing system, and a processor / control module. The generation laser generates a pulsed laser beam that can operate to induce both ultrasonic displacement and thermal transients in the target material. The ultrasonic detection system detects an ultrasonic surface displacement in the target material. The thermal imaging system detects thermal transients in the target material. The processor analyzes both detected ultrasonic displacements and thermal images at the target material and correlates them to provide information about the overall internal structure of the target material. Each embodiment of the present invention achieves faster inspection speed, improved system reliability, and lower operating costs.
図1は、本発明の各実施例に従って、生成レーザ・ビーム及び検出レーザ・ビームを使用して、レーザ超音波変位及び熱過渡を生成し検出する様子を示す。レーザ・ビーム102は、試験用の複合材料などのターゲット106において照射(検出)レーザ・ビーム104が超音波を検出する間に、超音波及び熱過渡を生成する。図に示すように、これらのレーザは、ターゲット106に対して同軸方向に加えてもよい。生成レーザ・ビーム102は、ターゲット106内にさらなる弾性膨張112を引き起こし、その結果、超音波変形又は超音波108が形成される。変形又は超音波108は、ターゲット106の中を伝搬し、検出レーザ・ビーム104を変調、散乱、及び反射して、ターゲット106から離れる方向に導かれた位相変調された光110を生成し、この光は、集められ、処理されて、ターゲット106の内部構造を表す情報が得られる。
FIG. 1 illustrates the generation and detection of laser ultrasonic displacements and thermal transients using generated and detected laser beams in accordance with embodiments of the present invention. The
図2は、超音波レーザ試験及び赤外線(TR)サーモグラフィを実行するための基本的な構成部品のブロック図を示す。生成レーザ210は、生成レーザ・ビーム212を生成し、光学アセンブリ214が、このビームをターゲット216に導く。図に示すように、光学アセンブリ214は、レーザ・ビーム212を走査手順又は試験手順218に沿って移動させる、スキャナ又は他の類似の機構を備える。光学アセンブリ214には、視覚カメラ、デプス・カメラ、IRカメラ、距離検出器、狭帯域カメラ、又は当業者に知られている他の類似の光学センサが含まれ得る。これらの光学センサはそれぞれ、検査を実行する前に、較正を必要とすることがある。この較正は、様々なセンサによって集められた情報を、システムが統合できることを検証する。生成レーザ210は、ターゲット216内に超音波108及び熱過渡を生成する。熱画像処理システム232は、ターゲットの熱画像を取り込む。これらの画像が処理されて、ターゲット216の表面近くの内部構造についての情報がもたらされる。図3以下を参照しながら、このプロセスについてさらに詳細に説明する。
FIG. 2 shows a block diagram of the basic components for performing ultrasonic laser testing and infrared (TR) thermography.
超音波108及び熱過渡を生成するさらなる弾性膨張112は、複合材料が生成レーザ・ビームを吸収した結果である。複合材料216は、消散又は破壊することなく、生成レーザ・ビーム212を容易に吸収する。よりハイパワーの生成レーザは、結果として加工物の表面において材料の消散を生じ、潜在的に構成部品を損傷する可能性があるので、信号対雑音比(SNR)の問題を克服するのには必ずしも好ましくはない。他の実施例では、試験される材料によっては、検出信号のSNRを増大させるために何らかの消散が許容されることがある。生成レーザ・ビーム212は、超音波表面変形及び適切な熱過渡を誘起するために、適切なパルスの持続時間、パワー、及び周波数を有する。たとえば、横方向励起大気圧(TEA)COレーザは、パルス幅が100ナノ秒で波長が10.6ミクロンのビームを生成することができる。レーザのパワーは、たとえば0.25ジュールのパルスをターゲットに供給するのに十分な強さでなければならず、繰返し速度400Hzのパルスで動作する100ワットのレーザを必要とすることがある。生成レーザ・ビーム212は、ターゲット表面に熱として吸収され、それにより、消散することなく、さらなる弾性膨張が生じる。
The additional
パルス・モード又はCWモードで動作している検出レーザ220は、超音波変位を誘起しない。たとえば、Nd:YAGレーザを使用することができる。このレーザのパワーは、たとえば、100ミリジュールで100マイクロ秒のパルスを供給するのに十分な強さでなければならず、1キロワット(KW)のレーザを必要とすることがある。検出レーザ220は、検出レーザ・ビーム222を生成する。検出レーザ220は、フィルタリング機構224を備えるか、又はそれと光学的に結合するかして、検出レーザ・ビーム224から雑音を取り除く。光学アセンブリ214は、検出レーザ・ビーム224を複合材料216の表面に導き、複合材料216は、検出レーザ・ビーム224を散乱及び/又は反射する。結果として生じる位相変調された光は、集光光学装置226によって集められる。ここで図に示すように、散乱及び/又は反射された検出レーザ光は、光学アセンブリ214を通って逆向きに進む。任意選択の光学プロセッサ228及び干渉計230は、位相変調された光を処理して、複合材料216の表面での超音波変位を表す情報を含む信号を生成する。データ処理及び制御システム232は、レーザ超音波システムの構成部品及び熱画像の構成部品の動作を調整して、ターゲットの内部構造についての情報をもたらす。
The
データ処理及び制御システム232は、単一の処理装置でもよく、複数の処理装置でもよい。このような処理装置は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコンピュータ、中央処理装置、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ、プログラマブル論理デバイス、状態機械、論理回路、アナログ回路、デジタル回路、及び/又はメモリ内に記憶された動作命令に基づいて信号(アナログ及び/又はデジタル)を処理するいかなる装置でもよい。メモリは、単一の記憶装置でもよく、複数の記憶装置でもよい。このような記憶装置は、読取り専用メモリ、ランダム・アクセス・メモリ、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、スタティック・メモリ、ダイナミック・メモリ、フラッシュ・メモリ、キャッシュ・メモリ、及び/又はデジタル情報を記憶するいかなる装置でもよい。これより説明することになる各ステップ及び/又は各機能のうちの少なくともいくつかに対応する動作命令を、メモリが記憶し、データ処理及び制御システム232が実行する。
The data processing and
図3は、本発明の各実施例によるレーザ超音波及びIR画像処理システム300のブロック図又は機能図を示す。レーザ超音波及びIR画像処理システム300は、生成レーザ302、制御モジュール304、レーザ超音波検出システム306、熱画像処理システム308、処理モジュール310、及び光学システム312を備える。生成レーザ302は、生成レーザ・ビームを生成し、生成レーザ・ビームは、光学システム312により、複合材料などの、ただしそれだけに限定されない材料で作られたターゲット314に導かれ、前述の通り超音波変位が誘起される。レーザ超音波検出システム306は、検出レーザ・ビームを生成し、検出レーザ・ビームは、光学システム312によりターゲット314に導かれ、ターゲット314の表面における超音波変位により検出レーザ・ビームが位相変調される。検出レーザ・ビームは、ターゲットの表面で散乱する。光学システム312は又、この散乱した位相変調光を集光する。レーザ超音波検出システム306は、超音波変位についての情報を含む信号を生成するために、集光された位相変調光を処理する。この信号は、処理モジュール310に供給される。
FIG. 3 shows a block diagram or functional diagram of a laser ultrasound and IR image processing system 300 according to embodiments of the present invention. The laser ultrasound and IR image processing system 300 includes a
生成レーザ302は又、ターゲット314のサーモグラフィによる測定のために、熱過渡を生成する。IRカメラなどの熱画像処理システム308は、ターゲット314内の熱過渡の熱画像又はフレームを取得する。画像は、各生成レーザ・パルスについて取得される。追加の画像は、各生成パルスの後に、所定の回数だけ取得してもよい。これら様々な画像が処理されて、レーザ超音波によって検査される領域全体のサーモグラフィ検査が実現する。
サーモグラフィによる結果は、レーザ超音波の結果を補完し、このようにして、より完全で、より信頼性の高い検査を実現する。過渡IRサーモグラフィは、ポリマー・マトリックス複合材料などの複合部品の効率的な検査を、単独では実現しない。過渡IRサーモグラフィは、複合部品の上面のみに敏感であるが、それは、ポリマー・マトリックス上で上面の熱伝導性が低いからである。したがって、IRサーモグラフィは、ポリマー・マトリックス部品又は複合部品内の深部の欠陥を検出し識別するのに使用することはできない。 The results from thermography complement the results of laser ultrasound, thus achieving a more complete and more reliable inspection. Transient IR thermography alone does not provide efficient inspection of composite parts such as polymer matrix composites. Transient IR thermography is sensitive only to the top surface of the composite part because of the low thermal conductivity of the top surface on the polymer matrix. Thus, IR thermography cannot be used to detect and identify deep defects in polymer matrix parts or composite parts.
レーザ超音波及びIR画像処理システム300は、内部深くの検査システムを実現するレーザ超音波、及びターゲット314の表面近くを検査するための熱画像処理の両方を組み込む。これにより、レーザ超音波検査は表面近くの欠陥に対する感度が低いことがあるという事実に関連した問題に取り組む。これら2つの技法を組み合わせることにより、レーザ超音波又はIRサーモグラフィのいずれかのみを使用していたときよりも、複合部品又は複合材料のより完全な非破壊検査が可能になる。
Laser ultrasound and IR image processing system 300 incorporates both laser ultrasound to provide a deep interior inspection system and thermal imaging to inspect near the surface of
図4は、ターゲット314の内部構造についての情報を収集するためのIR画像の処理を示す。熱画像は、生成レーザ・ビームが発射された後に、毎回又は所定の時間の後に収集されてもよい。生成レーザ・ビームが、ターゲット314Aに向けて発射又はパルス照射されるとき、生成レーザ・ビームは走査経路316に沿って走査されることになる。生成レーザ・ビームが導かれるポイント318は、それぞれ熱過渡320を有することになる。ターゲット314Nは、生成レーザ・ビームを用いてターゲット314を繰り返し照射し、数多くの熱画像を収集することにより、経路316の走査を示す。これらの熱過渡を使用して、ターゲット材料に関連する熱特性を決定してもよい。たとえば、定量的なサーマル・ウォールの厚さは、長時間にわたりターゲットにおいて熱画像を分析することによって決定してもよい。これは、図5に示すように、合成視覚画像の形で提示されてもよい。この処理手法は、赤外線画像を分析する(より具体的には、互いに異なる画像内の、時間の関数としての温度変化が分析される)。相対的な温度変化曲線は、IRカメラの各ポイントでの全てのOR画像から構成される。
FIG. 4 shows the processing of the IR image to collect information about the internal structure of the
他の実施例では、裏面の欠陥について材料を検査するための、走査IRサーモグラフィ技法が提供されることがある。これにより、どの時点においてもターゲットのごく一部のみが加熱されるという点で、ターゲットのピーク熱負荷を制限することができる。このようなシステムは、走査レーザを使用して、熱過渡を誘起する。 In other examples, a scanning IR thermography technique may be provided to inspect the material for backside defects. This can limit the target peak heat load in that only a small portion of the target is heated at any point in time. Such a system uses a scanning laser to induce a thermal transient.
図5は、底部が平坦な穴を有するポリマー板上でパルスCO2レーザ・ビームを走査することによって得られる赤外線の結果を示す。ターゲット502内の欠陥は、グレー・スケールの画像SOVに明瞭に現れている。画像500は、材料502内の様々なポイント504を含む。この画像は、「Synthetic reference thermal imaging method」と題する米国特許第6,367,969号に記載の方法などの画像処理法を使用して生成されてもよく、あらゆる目的でこの特許を参考として組み込む。IR過渡サーモグラフィ分析手法を使用して、ターゲットの厚さを正確に測定し、ターゲットの所望の領域にわたってその断面の厚さを表す視覚符号化された表示を提供してもよい。
FIG. 5 shows the infrared results obtained by scanning a pulsed CO2 laser beam over a polymer plate with a flat bottom hole. Defects in the
基本的には、急速に加熱されたターゲットの表面の温度−時間(T−t)応答解析における変曲点でのIR過渡サーモグラフィの使用は、「表側」のIRカメラの観察から得られることが好ましい。この変曲点は、T−t応答において相対的に早期に発生し、横方向の熱損失メカニズムとは本質的に無関係である。(こうした考慮は、たとえば金属を扱うときに特に重要となり得る。金属の熱伝導性率は高いため、金属ターゲットの熱応答はかなり急速であり、したがって、熱データの測定値を得るのに使用できる時間が通常短いからである)。変曲点は、連続したIRカメラの画像フレームから所定の期間にわたって取得された熱データから抽出される。この期間は、評価されているターゲットの厚さの推定値に基づく、予想される特性時間よりも少なくともいくらか長いことが好ましい。 Basically, the use of IR transient thermography at the inflection point in the temperature-time (Tt) response analysis of the surface of a rapidly heated target can be obtained from observation of a “front” IR camera. preferable. This inflection point occurs relatively early in the Tt response and is essentially independent of the lateral heat loss mechanism. (Such considerations can be particularly important when dealing with metals, for example. Due to the high thermal conductivity of metals, the thermal response of metal targets is rather rapid and can therefore be used to obtain measurements of thermal data. Because time is usually short). Inflection points are extracted from thermal data acquired over a predetermined period from successive IR camera image frames. This period is preferably at least somewhat longer than the expected characteristic time based on an estimate of the target thickness being evaluated.
熱基準データは、画像処理されるターゲットの各(x,y)の画素位置に対して計算され、次いで、各画素について、時間の関数としてコントラストを決定するために使用される。コンピュータ・システムは、画像処理システムを制御し、IRカメラを用いて取得した表面温度のデータを記録及び分析し、ターゲットの厚さに正確に対応するカラー又はグレーのパターンの統一がとれた画像を生成する。この情報をレーザ超音波データと組み合わせて、ターゲットのより詳細な内部画像を生成してもよい。 Thermal reference data is calculated for each (x, y) pixel location of the imaged target and then used to determine the contrast as a function of time for each pixel. The computer system controls the image processing system, records and analyzes the surface temperature data acquired using the IR camera, and produces an image with a unified color or gray pattern that accurately corresponds to the target thickness. Generate. This information may be combined with laser ultrasound data to generate a more detailed internal image of the target.
表面温度のデータの取得は、生成レーザを発射してターゲットの表面の一部を照射し加熱することによって開始される。次いで、熱画像フレームは、各生成レーザ・パルスの後に、ある期間にわたって記録され、記録された画像を使用して、図4の熱過渡320に関連する履歴など、温度−時間(T−t)の履歴を作成する。 Acquisition of surface temperature data is initiated by firing a generated laser to irradiate and heat a portion of the target surface. A thermal image frame is then recorded over a period of time after each generated laser pulse and using the recorded image, temperature-time (T-t), such as the history associated with thermal transient 320 in FIG. Create a history of.
次いで、取得された画像フレーム内の各画素に対してT−t履歴の熱流分析が実施されて、各分解要素の位置におけるターゲットの厚さを決定する。通常、ターゲットの固体部分を通る過渡熱流の分析には、熱エネルギーの「パルス」が第1の表面でターゲットを貫通し、反対側の表面で反射し、第1の表面に戻るのに要する特性時間を決定することが必要である。この特性時間は2つの表面間の距離に関係しているので、所望のポイントで2つの表面間のターゲットの厚さを決定するのに使用することができる。コントラスト対時間の曲線は、ターゲット表面の各分解要素に対応する各(x,y)の画素位置について決定される。 A T-t history heat flow analysis is then performed on each pixel in the acquired image frame to determine the thickness of the target at each resolving element location. Typically, the analysis of transient heat flow through the solid portion of a target is the property required for a “pulse” of thermal energy to penetrate the target at the first surface, reflect off the opposite surface, and return to the first surface. It is necessary to determine the time. Since this characteristic time is related to the distance between the two surfaces, it can be used to determine the thickness of the target between the two surfaces at the desired point. A contrast versus time curve is determined for each (x, y) pixel location corresponding to each decomposition element on the target surface.
図6は、本発明の各実施例による、複合材料などの、ただしそれだけに限定されない材料を検査するための方法を説明する論理流れ図を示す。工程600は、試験される材料の内部構造を検査し試験するために、レーザ超音波技法、及び熱画像処理技法又は赤外線サーモグラフィ技法の両方を応用する。工程600は、ステップ602で開始し、超音波変位及び熱過渡がターゲット材料内で誘起される。これらは両方とも、レーザ超音波システムと連携する生成レーザ・ビームを使用して行われてもよい。図1〜4を参照して先に述べた通り、この生成レーザ・ビームは、ターゲット材料の表面に導かれると、超音波変位及び熱過渡の両方を生成する。ステップ604で、超音波変位及び熱過渡が検出される。超音波変位は、レーザ超音波システムなどの、ただしそれだけに限定されない超音波システムを使用して検出してもよい。熱過渡は、ターゲット材料の熱画像を取得することによって検出してもよい。前述の通り、熱過渡及び超音波の生成は、同期してもよく、又は相関をとってもよい。この情報を使用して、ステップ606で実行された各分析結果をマッチさせてもよい。ステップ606で、検出された超音波変位及び熱画像が分析される。検出された超音波変位は、ターゲット材料の内部深くの構造に関する情報を提供することになるが、熱過渡の熱画像を処理して、ターゲット材料内の表面近くの構造を決定してもよい。超音波変位及び熱過渡は、同じ生成レーザ・ビームによって開始するので、この情報を使用して、検出された超音波変位及び熱画像の相関を容易にとってもよい。これにより、ステップ608で、ターゲット材料の表面近く及び内部深くの構造の両方について、詳細かつ複合的に理解できるようになる。
FIG. 6 shows a logic flow diagram illustrating a method for inspecting materials, such as but not limited to composite materials, according to embodiments of the present invention.
取得された熱画像にタイム・スタンプを加えることにより、部分的に相関をとってもよい。同様に、熱画像処理取得フレーム速度は、生成レーザ・ビームのパルス速度とマッチさせてもよい。サーモグラフィにより、ターゲット材料の他の表示についての合成画像を決定することが可能になる。これは、熱画像を分析することによって得られた定量的な熱的厚さを決定することを必要とすることがある。定量的なサーマル・ウォールの厚さの変化は、定量的なサーマル・ウォールの厚さの予期せぬ変化が起きるポイントにおいて、ターゲット材料内の表面近くの欠陥を示すことがある。この情報は、コントラストの急激な変化が、定量的なサーマル・ウォールの厚さの不連続性又は変化を示す、コントラスト表示によって視覚化してもよい。 Partial correlation may be obtained by adding a time stamp to the acquired thermal image. Similarly, the thermal image processing acquisition frame rate may be matched to the pulse rate of the generated laser beam. Thermography makes it possible to determine a composite image for other representations of the target material. This may require determining the quantitative thermal thickness obtained by analyzing the thermal image. A quantitative thermal wall thickness change may indicate defects near the surface in the target material at the point where an unexpected change in the quantitative thermal wall thickness occurs. This information may be visualized with a contrast display where a sharp change in contrast indicates a quantitative thermal wall thickness discontinuity or change.
生成レーザ・ビームは、Mid−IR超音波生成レーザでもよい。このような生成レーザは、超音波及び熱過渡を生成するための、コンパクトで平均出力の高いMid−IRレーザを実現する。図7に示すように、生成レーザ700は、ポンプ・レーザ・ヘッド702を備え、その中にファイバ・レーザを有し、ファイバは生成レーザ・ヘッド704に結合される。ファイバ・レーザを使用することにより、レーザ・ポンプを生成レーザ・ヘッド704から離れて配置することが可能になる。ポンプ・レーザ・ヘッドは、光ファイバ702を介して生成レーザ・ヘッド704に結合してもよい。
The generated laser beam may be a Mid-IR ultrasound generated laser. Such a generated laser realizes a compact, high average power Mid-IR laser for generating ultrasonic and thermal transients. As shown in FIG. 7, the
ポンプ・レーザ・ヘッド702を生成レーザ・ビーム送出ヘッド704から数m離して配置することにより、総合的なペイロード、及び生成レーザ・ビームを送出し、熱画像を取得するのに使用されるロボット・システムへの安定性要求を低減させる、コンパクトなMid−IR生成レーザ・ヘッドが可能になる。ロボット・システムの検査ヘッド内には、生成レーザ・ビーム送出ヘッド及びIRカメラを含む、コンパクトで軽量なモジュールのみを取り付ける必要がある。これにより、より小さいロボットを使用するMid−IRレーザ光源の導入が可能になる。したがって、携帯用のレーザ超音波システム及びIRサーモグラフィ・システムを使用するインフィールドの複合NDAについての、新規の複合検査の機会が生み出される。これらの手法は、「FIBER LASER TO GENERATE ULTRASOUND」と題する米国特許出願第1号で議論されており、あらゆる目的で本明細書に援用する。 By placing the pump laser head 702 a few meters away from the production laser beam delivery head 704, the overall payload and the robot used to deliver the production laser beam and acquire thermal images. A compact Mid-IR generated laser head is possible that reduces the stability requirements on the system. Only the compact and lightweight module, including the production laser beam delivery head and the IR camera, needs to be installed in the inspection head of the robot system. This makes it possible to introduce a Mid-IR laser light source using a smaller robot. Thus, a new combined inspection opportunity is created for in-field combined NDA using portable laser ultrasound systems and IR thermography systems. These approaches are discussed in US Patent Application No. 1 entitled “FIBER LASER TO GENERATE ULTRASOUND” and are incorporated herein by reference for all purposes.
要約すれば、本発明の各実施例は、ターゲット材料の内部構造を検査するよう動作することができる検査システムを提供する。この検査システムは、生成レーザ、超音波検出システム、熱画像処理システム、及びプロセッサ/制御モジュールを備える。生成レーザは、ターゲット材料において超音波変位及び熱過渡を誘起するよう動作することができる、パルス・レーザ・ビームを生成する。超音波検出システムは、ターゲット材料における超音波表面変位を検出する。熱画像処理システムは、ターゲット材料における熱過渡を検出する。プロセッサは、ターゲット材料での検出した超音波変位及び熱画像の両方を分析して、ターゲット材料の内部構造についての情報をもたらす。 In summary, each embodiment of the present invention provides an inspection system that can be operated to inspect the internal structure of a target material. The inspection system includes a generation laser, an ultrasonic detection system, a thermal image processing system, and a processor / control module. The generating laser generates a pulsed laser beam that can be operated to induce ultrasonic displacement and thermal transients in the target material. The ultrasonic detection system detects an ultrasonic surface displacement in the target material. The thermal imaging system detects thermal transients in the target material. The processor analyzes both the detected ultrasonic displacement and the thermal image at the target material to provide information about the internal structure of the target material.
当業者であれば理解するように、用語「実質的に」又は「ほぼ」は、本明細書で使用されることがあるように、その対応する用語に対して産業界で受け入れられている許容度を示す。このように産業界で受け入れられている許容度は、1パーセント未満から20パーセントの範囲にあり、構成部品の数値、集積回路のプロセス変動、温度変動、立上り時間及び立下り時間、並びに/又は熱雑音に対応するが、それだけには限定されない。当業者であればさらに理解するように、用語「動作できるように結合される」は、本明細書で使用されることがあるように、直接結合、及び他の構成部品、要素、回路、又はモジュールを介した間接結合を含み、間接結合においては、介在する構成部品、要素、回路、又はモジュールは、信号の情報を変更せず、その電流レベル、電圧レベル、及び/又はパワー・レベルを調整することがある。当業者であればやはり理解するように、推論結合(inferred coupling)(すなわち、ある要素が別の要素と推論によって結合される)は、「動作できるように結合される」のと同様に、2つの要素間の直接結合及び間接結合を含む。当業者であればさらに理解するように、用語「有利に比較する」は、本明細書で使用されることがあるように、2つ以上の要素、アイテム、信号などの間で比較することにより、所望の関係を提供することを示す。たとえば、所望の関係が、信号1の振幅が信号2よりも大きいというときに、信号1の振幅が信号2の振幅よりも大きいとき、又は信号2の振幅が信号1の振幅よりも小さいときに、有利な比較を実行してもよい。 As will be appreciated by those skilled in the art, the terms “substantially” or “approximately” are accepted by the industry for their corresponding terms as may be used herein. Degrees. As such, industry-accepted tolerances range from less than 1 percent to 20 percent, including component numbers, integrated circuit process variations, temperature variations, rise and fall times, and / or heat. Corresponds to noise, but is not limited to it. As will be further understood by one of ordinary skill in the art, the term “operably coupled” as used herein may be a direct coupling and other components, elements, circuits, or Includes indirect coupling through modules, where an intervening component, element, circuit, or module does not change signal information and adjusts its current level, voltage level, and / or power level There are things to do. As will also be appreciated by those skilled in the art, inferred coupling (ie, one element is inferred by another element) is equivalent to 2 being “operably coupled”. Includes direct and indirect coupling between two elements. As will be further understood by one skilled in the art, the term “advantageously compared” is used by comparing between two or more elements, items, signals, etc., as may be used herein. To provide the desired relationship. For example, when the desired relationship is that the amplitude of signal 1 is greater than that of signal 2, the amplitude of signal 1 is greater than the amplitude of signal 2, or the amplitude of signal 2 is less than the amplitude of signal 1. An advantageous comparison may be performed.
本発明を詳細に説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義されている本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、置換え、及び改変を本発明に加えることができることを理解されたい。 Having described the invention in detail, it should be understood that various changes, substitutions, and modifications can be made to the invention without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. I want you to understand.
Claims (25)
前記ターゲットにおいて超音波変位及び熱過渡を誘起するように動作することができる、生成レーザ・ビームを生成するステップと、
前記生成レーザ・ビームを前記ターゲットの表面に導くステップであって、前記生成レーザ・ビームは、前記ターゲットにおいて超音波変位及び前記熱過渡を生成するステップと、
前記ターゲットにおいて前記超音波変位及び前記熱過渡を検出するステップと、
前記ターゲットにおいて検出された超音波変位、及び前記ターゲットの熱画像の両方を分析することにより、前記ターゲットについての情報をもたらすステップとを含む、方法。 A method for inspecting a target,
Generating a generated laser beam that is operable to induce ultrasonic displacement and thermal transients at the target;
Directing the generated laser beam to a surface of the target, the generated laser beam generating ultrasonic displacement and the thermal transient at the target;
Detecting the ultrasonic displacement and the thermal transient at the target;
Analyzing both the ultrasonic displacement detected at the target and a thermal image of the target to provide information about the target.
検出された超音波変位を分析することにより、前記複合材料の内部深くの構造についての情報をもたらし、
前記ターゲットにおける熱画像を分析することにより、前記複合材料の表面近くの内部構造についての情報をもたらす、請求項1に記載の方法。 The target comprises a composite material;
By analyzing the detected ultrasonic displacement, it provides information about the structure deep inside the composite material,
The method of claim 1, wherein analyzing a thermal image at the target provides information about internal structures near a surface of the composite material.
前記検出レーザ・ビームを前記ターゲットの前記表面に導くステップと、
前記ターゲットの前記表面で前記検出レーザ・ビームを散乱させて、超音波表面変位によって位相変調された光を生成するステップと、
前記位相変調された光を集光するステップと、
前記位相変調された光を処理して、前記表面での前記超音波表面変位を表すデータを得るステップと、
前記情報を有する前記データを収集して、前記ターゲット内の構造を分析するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。 Generating a detection laser beam;
Directing the detection laser beam to the surface of the target;
Scattering the detection laser beam at the surface of the target to generate light phase modulated by ultrasonic surface displacement;
Condensing the phase modulated light;
Processing the phase modulated light to obtain data representing the ultrasonic surface displacement at the surface;
Collecting the data with the information and analyzing the structure in the target.
前記ターゲットにおいて超音波変位及び熱過渡を誘起するよう動作することができるパルス・レーザ・ビームを生成するよう動作することができる生成レーザと、
前記ターゲットにおいて前記超音波表面変位を検出するよう動作することができる超音波検出システムと、
前記ターゲットにおいて前記熱過渡を検出するよう動作することができる熱画像処理システムと、
前記ターゲットにおいて検出された超音波変位、及び前記ターゲットの熱画像の両方を分析して、前記ターゲットの前記内部構造についての情報をもたらすよう動作することができるプロセッサとを備える検査システム。 An inspection system operable to inspect the internal structure of the target,
A generating laser operable to generate a pulsed laser beam operable to induce ultrasonic displacement and thermal transients in the target;
An ultrasonic detection system operable to detect the ultrasonic surface displacement at the target;
A thermal imaging system operable to detect the thermal transient at the target;
An inspection system comprising: a processor operable to analyze both the ultrasonic displacement detected at the target and a thermal image of the target to provide information about the internal structure of the target.
前記ターゲットにおいて前記超音波表面変位を照射するよう動作することができる検出レーザ・ビームを生成するよう動作することができる検出レーザと、
前記ターゲット表面において散乱された前記検出レーザ・ビームから、超音波表面変位によって位相変調された光を集光するための集光光学装置と、
前記位相変調された光を処理し、少なくとも1つの出力信号を生成する干渉計と、
前記少なくとも1つの出力信号を処理して、前記ターゲットにおける前記超音波表面変位を表すデータを得る処理ユニットとを備える、請求項12に記載の検査システム。 The ultrasonic detection system includes:
A detection laser operable to generate a detection laser beam operable to irradiate the ultrasonic surface displacement at the target;
A condensing optical device for condensing the phase-modulated light by ultrasonic surface displacement from the detection laser beam scattered on the target surface;
An interferometer that processes the phase-modulated light and generates at least one output signal;
The inspection system according to claim 12, further comprising: a processing unit that processes the at least one output signal to obtain data representing the ultrasonic surface displacement at the target.
前記処理ユニットは、
検出された超音波変位を分析して、前記複合材料の内部深くの構造についての情報をもたらし、
前記ターゲットにおける熱画像を分析して、前記複合材料の表面近くの内部構造についての情報をもたらし、
前記複合材料の前記内部深くの構造と、前記複合材料の前記表面近くの内部構造についての情報の相関をとる、請求項15に記載の検査システム。 The target comprises a composite material;
The processing unit is
Analyzing the detected ultrasonic displacement to provide information about the structure deep inside the composite material;
Analyzing thermal images at the target to provide information about internal structures near the surface of the composite material;
16. The inspection system of claim 15, wherein the inspection system correlates information about the deep interior structure of the composite material and the internal structure near the surface of the composite material.
前記複合材料において前記超音波表面変位を検出するよう動作することができる超音波検出システムと、
前記複合材料において前記熱過渡を検出するよう動作することができる熱画像処理システムと、
熱画像処理フレーム取得を、前記生成レーザ・ビームのパルス速度とマッチさせるよう動作することができる制御モジュールと、
前記複合材料において検出された超音波変位、及び前記ターゲットの熱画像の両方を分析して、前記ターゲットの前記内部構造についての情報をもたらすよう動作することができるプロセッサとを備える、大面積複合検査システム。 A generating laser capable of operating to generate a pulsed laser beam capable of operating to induce ultrasonic displacement and thermal transients in the composite material;
An ultrasonic detection system operable to detect the ultrasonic surface displacement in the composite material;
A thermal imaging system operable to detect the thermal transient in the composite material;
A control module operable to match a thermal imaging frame acquisition with a pulse rate of the generated laser beam;
A large area composite inspection comprising a processor operable to analyze both the ultrasonic displacement detected in the composite material and a thermal image of the target to provide information about the internal structure of the target. system.
検出された超音波変位を分析して、前記複合材料の内部深くの構造についての情報をもたらし、
前記ターゲットにおける熱画像を分析して、前記複合材料の表面近くの内部構造についての情報をもたらし、
前記複合材料の前記内部深くの構造と、前記複合材料の前記表面近くの内部構造についての情報の相関をとる、請求項20に記載の検査システム。 The processing unit is
Analyzing the detected ultrasonic displacement to provide information about the structure deep inside the composite material;
Analyzing thermal images at the target to provide information about internal structures near the surface of the composite material;
21. The inspection system of claim 20, wherein information about the deep structure inside the composite material and information about the internal structure near the surface of the composite material is correlated.
前記ターゲットにおいて前記超音波表面変位を照射するよう動作することができる検出レーザ・ビームを生成するよう動作することができる検出レーザと、
前記ターゲット表面において散乱された前記検出レーザ・ビームから、超音波表面変位によって位相変調された光を集光するための集光光学装置と、
前記位相変調された光を処理し、少なくとも1つの出力信号を生成する干渉計と、
前記少なくとも1つの出力信号を処理して、前記ターゲットにおける前記超音波表面変位を表すデータを得る処理ユニットとを備える、請求項20に記載の検査システム。 The ultrasonic detection system includes:
A detection laser operable to generate a detection laser beam operable to irradiate the ultrasonic surface displacement at the target;
A condensing optical device for condensing the phase-modulated light by ultrasonic surface displacement from the detection laser beam scattered on the target surface;
An interferometer that processes the phase-modulated light and generates at least one output signal;
21. The inspection system of claim 20, comprising a processing unit that processes the at least one output signal to obtain data representative of the ultrasonic surface displacement at the target.
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