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WO2010130558A1 - Erfassung von wärmebildern eines objekts - Google Patents

Erfassung von wärmebildern eines objekts Download PDF

Info

Publication number
WO2010130558A1
WO2010130558A1 PCT/EP2010/055529 EP2010055529W WO2010130558A1 WO 2010130558 A1 WO2010130558 A1 WO 2010130558A1 EP 2010055529 W EP2010055529 W EP 2010055529W WO 2010130558 A1 WO2010130558 A1 WO 2010130558A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
excitation signal
thermal images
signal
heat
thermal
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/055529
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max Rothenfusser
Christian Homma
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to EP10718539A priority Critical patent/EP2430434A1/de
Priority to US13/320,506 priority patent/US20120062751A1/en
Publication of WO2010130558A1 publication Critical patent/WO2010130558A1/de

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for detecting thermal images of an object.
  • a device has an excitation unit for the mechanical excitation of the object with a periodic excitation signal. Furthermore, the device has a camera for acquiring the thermal images of the object.
  • thermography is an imaging process that makes infrared radiation visible.
  • the infrared radiation emitted by an object can be interpreted as a temperature distribution.
  • a thermal imaging camera converts the heat radiation (infrared light) of the object, invisible to the human eye, into electrical signals with the help of special sensors, which can be easily processed.
  • thermography is usually used as a synonym for the term infrared thermography.
  • a problem in the detection of thermal images of an object excited by a periodic excitation signal is that thermal imaging cameras available today have only a limited frame rate, typically in the range between 50 Hz to 1000 Hz. This limits the applicability of this technique.
  • EP 1 582 867 A2 discloses an error detection system which evaluates thermal images of a structure excited by sonic or ultrasonic energy.
  • the system includes a transducer for coupling a sound signal into the structure.
  • the sound signal causes the heating of errors in the structure.
  • a thermal imaging camera captures an image of the structure warmed by the sound signal.
  • the invention has for its object to improve the detection of thermal images of an object.
  • This object is achieved by a device for acquiring thermal images of an object with an excitation unit for the mechanical excitation of the object with a periodic see excitation signal, with a camera for detecting the thermal images of the object, wherein a thermal image having a plurality of pixels, and wherein Pixel is provided in each case for representing a thermal signal detected by the object, and with means for adjusting the detection of the thermal images of the object and the periodic excitation signal such that in a plurality of periods of the periodic excitation signal detected thermal images information with respect to each of the pixels shown heat signals can be determined during a period.
  • This object is achieved by a method for acquiring thermal images of an object, with the following steps:
  • Mechanical excitation of the object with a periodic excitation signal - capturing the thermal images of the object, wherein a thermal image comprises a plurality of pixels, wherein each pixel represents a heat signal detected by the object, wherein the detection of the thermal images of the object and the mechanical excitation with the periodic Excitation signals are tuned such that from the thermal images detected in a plurality of periods of the periodic excitation signal information can be determined with respect to each of the pixels represented heat signals during a period.
  • the invention is based on the idea of exploiting the periodicity of the mechanical excitation of an object in a novel manner in order to compensate for the limited frame rate of a camera for acquiring thermal images.
  • the advantage of the mechanical excitation with a periodic excitation signal is that the thermal responses of the object excited by the mechanical excitation repeats substantially during each period of the periodic excitation signal.
  • it is sufficient to detect and evaluate the corresponding heat signal during a plurality of periods of the periodic excitation signal respectively at respectively selected times.
  • the detection of the thermal images of the object and the periodic excitation signal are coordinated with one another. This allows significantly higher frequencies of the periodic excitation signal, thus opening up completely new fields of application of such a method.
  • the information includes a course of the heat signal during a period of the periodic excitation signal.
  • the information includes an amplitude and a phase of the heat signals. This offers particular advantages in applications in which the exact course of a heat signal is not important, but information about the amplitude or the phase of the heat signal sufficient.
  • the camera is provided for detecting a sequence of the thermal images of the object.
  • a sequence comprises a sufficient number of thermal images in order to be able to determine the information relating to the respective heat signals represented by the pixels during a period of the periodic excitation signal.
  • evaluation means are provided for determining the information relating to the heat signal respectively represented by the pixels. nale during a period.
  • evaluation means include, for example, computers.
  • the means for adjusting the detection of the thermal images of the object and the periodic excitation signal are advantageously designed such that they have a pulse generator unit for generating sampling pulses, wherein the camera and the pulse generator unit are coupled to each other such that the detection of one of the thermal images by one of the sampling pulses is triggerable. This enables the time-accurate triggering of the camera to capture the thermal images.
  • a sampling pulse with a comparison to a generated for each earlier period of the excitation signal sampling pulse continuously increasing delay can be generated.
  • the effect of this delayed sampling is that so over the period of several periods of the excitation signal different portions of the respective heat signal can be detected and evaluated.
  • this sampling pulse can be generated after one or in each case a multiple of periods of the excitation signal, depending on the embodiment of the invention.
  • the evaluation means for determining frequency components of the heat signals are provided according to a further advantageous embodiment of the invention.
  • this makes it possible to determine fundamental frequency components and components of higher harmonics.
  • the advantages of the invention come according to a further advantageous embodiment of the same in particular to bear, when the periodic excitation signal a frequency between 2 kHz and 200 kHz, in particular a frequency in the ultrasonic range has.
  • the method according to the invention can be used in particular for error detection, for measuring mechanical stresses and / or for fatigue analysis of an object.
  • FIG. 1 shows a device for recording thermal images of an object in a schematic representation
  • thermographic examination of a periodically excited object provides a lot of different information about the respective object.
  • the advancement of technology depends mainly on the availability of fast and sensitive thermal imaging cameras, especially infrared cameras. Typical applications are error detection with acoustic thermography, the measurement of voltage divisions as well as the fatigue analysis of an object. For each of these applications, different measurement systems are required according to the prior art.
  • the frame rate of commercially available cameras is typically in the range between 50 Hz and 1000 Hz (full frame). This limits the applicability of the technique. There are no satisfactory solutions for the methods of investigation described below.
  • thermographic lifetime prediction based on periodic loading is also limited by the available frame rate of the infrared camera. A maximum excitation frequency of about 30 Hz is known so far. Furthermore, this technique can not be easily applied to all test objects, but is available only with appropriately designed test objects.
  • the core problem is thus the limited frame rate of infrared cameras.
  • the currently achievable maximum frequency for high-speed cameras in full-screen mode is approximately 1000 Hz.
  • the maximum mechanical excitation frequency is 100 Hz.
  • FIG. 1 A schematic system structure of a device for detecting thermal images of an object 1 is shown in FIG.
  • the device has an excitation unit 2 for the mechanical excitation of the object 1 with a periodic excitation signal.
  • a camera 3 is for detecting the thermal images of the object 1.
  • a thermal image has a plurality of pixels. One pixel is used for each
  • the device has means 4 for tuning the detection of the thermal images of the object 1 and the periodic excitation signal.
  • the means 4 have a pulse generator unit 6 for generating sampling pulses, also referred to below as stroboscopic signals. There are different ways to generate the stroboscopic signal:
  • a microcontroller is programmed to provide sampling pulses with increasing delay. - A specially developed electronic circuit with
  • the excitation signal output by the excitation unit 2 to the object 1 is generated in a generator 7.
  • EMAT Electro Magnetic Acoustic Transducer
  • the acquisition of the thermal images of the object 1 and the mechanical excitation with the periodic excitation signal are adjusted such that information about the thermal signals 8 respectively represented by the pixels during a period can be determined from thermal images acquired in a plurality of periods of the periodic excitation signal.
  • evaluation means 5 the information relating to the respective thermal signals 8 represented by the pixels is determined during a period.
  • post-processing is performed for each individual camera pixel.
  • Both the Fourier analysis and the lock-in technique are methods for determining the contribution (amplitude and phase) of both the fundamental frequency and the higher harmonics as well as each other relevant frequency component.
  • the required post-processing depends on the respective application.
  • FIG. 2 shows the time profile of a periodic excitation signal 20. Furthermore, the thermoelastic portion 21 of a heat signal, which is emitted by an object excited by the excitation signal 20, and the thermoplastic portion 22 of the heat signal are shown schematically. The thermal signals radiated by the object represent the thermal responses to the periodic excitation. The scaling of the horizontal time axes is always the same in order to facilitate a comparison of the signals shown at certain times.
  • the frequency component with the frequency f s is based on the so-called thermoelastic effect and is suitable for evaluating the local voltage.
  • the thermoelastic effect is a reversal of the known thermal expansion and causes the periodic heating and cooling of the object.
  • FIG. 3 shows a typical stress-strain diagram for a cyclically excited object.
  • the mechanical clamping ⁇ (ordinate 30) over the strain ⁇ (abscissa 31) applied.
  • the reference numeral 32 denotes a linearly elastic stress-strain curve
  • the reference numeral 33 a schematic elastic-plastic stress-strain curve.
  • the elastic-plastic stress-strain curve 33 has a hysteresis.
  • thermoplastic effect is irreversible and causes a temperature increase in both the pressure and the voltage phase of the excitation. Therefore, the heat signal has a frequency component with twice the fundamental frequency f s , in addition higher harmonics and a temperature increase progressing over time.
  • both the higher harmonics and the progressive increase in temperature are a local phenomenon caused by heat-radiating effects on the crack front or crack tip (friction, damping, plastic deformation).
  • FIG. 4 shows a periodic heat signal 42 to be detected, whose magnitude (ordinate 40) is plotted over time (abscissa 41).
  • One period of the heat signal 42 is designated by the reference numeral 45.
  • the cyclic detection of the heat signal 42 takes place with a period 44.
  • the reference symbol 43 denotes the integration time t x of the camera detection (also referred to below as the image acquisition time t x ).
  • the respectively detected by the camera area of the heat signal 42 is marked with circles 46.
  • a trigger pulse for the camera is generated with a continuously increasing delay ⁇ t.
  • this triggering pulse can also be generated in each case for a multiple of periods of the excitation signal.
  • a trigger for the camera is triggered only for every twentieth ultrasonic period.
  • a number N of these sampling pulses is needed to sample and reconstruct a complete period of the infrared signal.
  • the stroboscopic sampling pulses are synchronized with the excitation signal.
  • the parameters describing the stroboscopic signal are excitation frequency f s and number N of sampling intervals for one period and the corresponding resultant increasing time delay ⁇ t.
  • the image acquisition time t x must be adjusted accordingly.
  • FIG 5 shows the measurement of amplitude and phase of a heat signal by means of the so-called stroboscopic lock-in technique.
  • the signal strength (ordinate 50) of a thermal signal 52 is plotted over time (abscissa 51).
  • Reference numeral 53 denotes the integration time t x of the camera.
  • the period duration t a of the detection is denoted by the reference numeral 54, the period t s of the signal by the reference numeral 55.
  • the heat signal 52 during the time sections 57, 58, 59 and 60 is detected. The captured, over the
  • Integral time 53 is the integrated value of the heat signal 52 during the time interval 57. Accordingly, the value integrated during the time segment 58 should be referred to as B, during the time period 59 as C and during the time period 60 as D.
  • FIG. 7 shows the resulting signal 70, which occurs when detecting a heat signal by means of the lock-in technique described in connection with FIG.
  • the described embodiments of the invention provide new possibilities of acoustic thermography, in which the detection and the processing of the frequency component of the heat signal for frequencies up to the ultrasound range take place.
  • a stroboscopic technique is proposed.
  • Subsequent analysis provides the frequency components of the signal for each pixel of the image sequence.
  • This application is based on the higher harmonics (2f s , 3f s , etc.) - Depending on the set parameters, the signal-to-noise ratio and thus the probability of error detection improve compared to known techniques. The higher the frequencies used, the lower the fuzziness of thermal diffusion error detection. This allows more accurate localization and sizing of defects.
  • the higher harmonics (2f s , 3f s , etc.) are used.
  • the proposed method avoids costly fixed setups and the need for specially shaped test objects.
  • real test objects can be examined by coupling an excitation signal.
  • the examination time is significantly reduced because the excitation frequency used can be significantly higher.
  • the proposed method provides a complete record of the thermal response of a periodically loaded test object. Simply by selecting the respective frequency component, it is decided which application is selected.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts (1). Die Vorrichtung weist auf : eine Anregungseinheit (2) zur mechanischen Anregung des Objekts (1) mit einem periodischen Anregungssignal, eine Kamera (3) zur Erfassung der Wärmebilder des Objekts, wobei ein Wärmebild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, wobei ein Pixel jeweils zur Darstellung eines vom Objekt (1) erfassten Wärmesignals (8) vorgesehen ist und Mittel (4) zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts (1) und dem periodischen Anregungssignal derart, dass aus in einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale (8) während einer Periode ermittelbar sind.

Description

Beschreibung
Erfassung von Wärmebildern eines Objekts
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts. Eine solche Vorrichtung weist eine Anregungseinheit zur mechanischen Anregung des Objekts mit einem periodischen Anregungssignal auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Kamera zur Er- fassung der Wärmebilder des Objekts auf.
Die Erfassung von Wärmebildern wird auch als Thermographie bezeichnet. Die Thermographie ist ein bildgebendes Verfahren, das Infrarotstrahlung sichtbar macht. Die von einem Objekt ausgesendete Infrarotstrahlung kann als Temperaturverteilung interpretiert werden. Dafür wandelt eine Wärmebildkamera die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotlicht) des Objekts mit Hilfe von Spezialsensoren in elektrische Signale um, die leicht verarbeitet werden können. Der Begriff Thermographie wird meist als Synonym für den Begriff Infrarotthermographie verwendet. Problematisch bei der Erfassung von Wärmebildern eines mit einem periodischen Anregungssignal angeregten Objekts ist, dass heutzutage verfügbare Wärmebildkameras nur eine begrenzte Bildfolgerate (engl.: frame rate) aufweisen, typischerweise im Bereich zwischen 50 Hz bis 1000 Hz. Dadurch wird die Anwendbarkeit dieser Technik beschränkt.
Die EP 1 582 867 A2 offenbart ein Fehlererkennungssystem, welches Wärmebilder einer mit Schall- bzw. Ultraschallenergie erregten Struktur auswertet. Das System beinhaltet einen Wandler zur Einkopplung eines Schallsignals in die Struktur. Das Schallsignal bewirkt die Erwärmung von Fehlern in der Struktur. Eine Wärmebildkamera erfasst ein Bild der durch das Schallsignal erwärmten Struktur.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erfassung von Wärmebildern eines Objekts zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts mit einer Anregungseinheit zur mechanischen Anregung des Objekts mit einem periodi- sehen Anregungssignal, mit einer Kamera zur Erfassung der Wärmebilder des Objekts, wobei ein Wärmebild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, und wobei ein Pixel jeweils zur Darstellung eines vom Objekt erfassten Wärmesignals vorgesehen ist, und mit Mitteln zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts und dem periodischen Anregungssignal derart, dass aus in einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale während einer Periode ermittelbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts, mit folgenden Schritten:
Mechanische Anregung des Objekts mit einem periodischen Anregungssignal, - Erfassung der Wärmebilder des Objekts, wobei ein Wärmebild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, wobei ein Pixel jeweils ein vom Objekt erfasstes Wärmesignal darstellt, wobei die Erfassung der Wärmebilder des Objekts und die mechanische Anregung mit den periodischen Anregungssignalen derart abgestimmt werden, dass aus in einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale während einer Periode ermittelbar sind.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Periodizität der mechanischen Anregung eines Objekts auf neuartige Weise auszunutzen um die begrenzte Bildfolgerate einer Kamera zur Erfassung von Wärmebildern zu kompensieren. Der Vorteil der me- chanischen Anregung mit einem periodischen Anregungssignal ist, dass die durch die mechanische Anregung angeregten thermischen Antworten des Objekts sich im Wesentlichen während jeder Periode des periodischen Anregungssignals wiederholen. Um Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln eines Wärmebilds dargestellten Wärmesignale, welche vom Objekt ausgesandt werden, während einer Periode zu ermitteln, genügt es somit, das entsprechende Wärmesignal während einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals zu jeweils entsprechend gewählten Zeitpunkten zu erfassen und auszuwerten. Um das zu ermöglichen, werden erfindungsgemäß die Erfassung der Wärmebilder des Objekts und das periodische Anregungssignal miteinander abgestimmt. Dies ermöglicht deutlich höhere Frequenzen des periodischen Anregungssignals, und eröffnet damit völlig neue Anwendungsfelder eines solchen Verfahrens .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bein- halten die Informationen einen Verlauf des Wärmesignals während einer Periode des periodischen Anregungssignals. Dies bietet den Vorteil, dass ein Verlauf der Wärmesignale bestimmbar ist, obwohl die Bildfolgerate der Kamera im Vergleich zur Frequenz des periodischen Anregungssignals niedrig ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beinhalten die Informationen eine Amplitude und eine Phase der Wärmesignale. Dies bietet insbesondere Vorteile in Anwendungsfällen, in denen der genaue Verlauf eines Wärmesignals nicht von Bedeutung ist, sondern Informationen zur Amplitude bzw. zur Phase des Wärmesignals ausreichen.
Vorteilhafterweise ist die Kamera zur Erfassung einer Sequenz der Wärmebilder des Objektes vorgesehen. Eine solche Sequenz umfasst insbesondere eine genügende Anzahl an Wärmebildern, um die Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale während einer Periode des periodischen Anregungssignals ermitteln zu können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Auswertungsmittel zur Ermittlung der Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesig- nale während einer Periode vorgesehen. Solche Auswertungsmittel umfassen beispielsweise Rechner.
Die Mittel zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts und dem periodischen Anregungssignal sind vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass sie eine Impulsgebereinheit zur Erzeugung von Abtastimpulsen aufweisen, wobei die Kamera und die Impulsgebereinheit derart miteinander gekoppelt sind, dass die Erfassung eines der Wärmebilder durch einen der Abtastimpulse auslösbar ist. Damit wird die zeitlich exakte Auslösung der Kamera zur Erfassung der Wärmebilder ermöglicht.
Dies wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung insbesondere dafür ausgenutzt, dass für eine jeweils spätere Periode des Anregungssignals ein Abtastimpuls mit einer gegenüber einem für eine jeweils frühere Periode des Anregungssignals generierten Abtastimpuls kontinuierlich steigenden Verzögerung generierbar ist. Der Effekt dieser verzögerten Abtastung ist, dass so über den Zeitraum von mehreren Perioden des Anregungssignals unterschiedliche Abschnitte des jeweiligen Wärmesignals erfasst werden und ausgewertet werden können. Dabei ist dieser Abtastimpuls nach jeweils einer oder nach jeweils einem Vielfachen von Perioden des Anregungssignals generierbar, abhängig von der Ausgestaltung der Erfindung.
Um weitergehende Aussagen bezüglich des Objekts treffen zu können, sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Auswertungsmittel zur Bestimmung von Frequenzanteilen der Wärmesignale vorgesehen. Damit lassen sich insbesondere Grundfrequenzanteile und Anteile höherer Harmonischer bestimmen.
Die Vorteile der Erfindung kommen gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung derselben insbesondere zum Tragen, wenn das periodische Anregungssignal eine Frequenz zwischen 2 kHz und 200 kHz, insbesondere eine Frequenz im Ultraschallbereich, aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere zur Fehlererkennung, zur Messung von mechanischen Spannungen und/oder zur Ermüdungsanalyse eines Objekts einsetzen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschreiben und erläu- tert.
Es zeigen:
FIG 1 eine Vorrichtung zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts in schematischer Darstellung,
FIG 2 ein periodisches Anregungssignal sowie dadurch hervorgerufene Wärmesignale,
FIG 3 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm,
FIG 4 die Erfassung eines Wärmesignals über mehrere Perioden,
FIG 5 eine Parameterbestimmung mittels Lock-in-Technik,
FIG 6 die Erfassung eines Wärmesignals, und
FIG 7 ein resultierendes Signal bei Anwendung der Lock-in- Technik.
Die thermographische Untersuchung eines periodisch angeregten Objekts stellt eine Menge an verschiedenen Informationen über das jeweilige Objekt zur Verfügung. Die Weiterentwicklung der Technik hängt hauptsächlich von der Verfügbarkeit von schnellen und empfindlichen Wärmebildkameras, insbesondere Infrarotkameras, ab. Typische Anwendungen sind die Fehlererkennung mit akustischer Thermographie, die Messung von Spannungsver- teilungen als auch die Ermüdungsanalyse eines Objekts. Für jede dieser Anwendungen sind gemäß dem Stand der Technik unterschiedliche Messsysteme erforderlich. Die Bildfolgerate von kommerziell erhältlichen Kameras ist typischerweise im Bereich zwischen 50 Hz und 1000 Hz (komplettes Einzelbild) . Dies begrenzt die Anwendbarkeit der Technik. Für die im Folgenden beschriebenen Untersuchungsmethoden existieren bisher keine zufriedenstellenden Lösungen.
Für die nicht zerstörende Prüfung mittels akustischer Thermo- graphie muss sichergestellt sein, dass die maximale mechanische Belastbarkeit eines Objekts an keiner Stelle des Objekts überschritten wird. Allerdings ist es bis jetzt nicht möglich, die Spannungsverteilung für Anregungen im oberen Audio- bereich (einige kHz) bis hin in den Ultraschallbereich mit Infrarotkameras zu messen und darzustellen.
Sowohl die Größe als auch die Morphologie von Rissen bestimmen deren Auffindbarkeit. Insbesondere für geschlossene Risse ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei der akustischen Thermo- graphie oft zu klein, so dass diese Fehler mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Überprüfung nicht gefunden werden. Eine Lock-in-Technik, basierend auf der Anregungsfrequenz (z. B. 20 kHz), würde die Detektierbarkeit erheblich verbes- sern. Allerdings sind die verfügbaren Bildfolgeraten von handelsüblichen Infrarotkameras nicht geeignet, um das Wärmesignal im Ultraschallbereich aufzulösen.
Die thermographische Lebenszeitvoraussage basierend auf einer periodischen Belastung ist ebenso limitiert durch die verfügbare Bildfolgerate der Infrarotkamera. Eine maximale Anregungsfrequenz von ungefähr 30 Hz ist bisher bekannt. Des Weiteren kann diese Technik nicht ohne weiteres auf alle Testobjekte angewendet werden, sondern ist nur bei entsprechend gestalteten Testobjekten verfügbar.
Das Kernproblem ist somit die limitierte Bildfolgerate von Infrarotkameras. Die momentan erreichbare maximale Frequenz für Hochgeschwindigkeitskameras im Vollbildmodus beträgt ungefähr 1000 Hz. Wenn beispielsweise jede Periode des Wärmesignals mit N=IO Abtastungen pro Periode aufgelöst werden soll, beträgt die maximale mechanische Anregungsfrequenz 100 Hz.
Im Folgenden werden die erforderlichen Komponenten und Techniken für eine frequenzaufgelöste akustische Thermographie- anwendung beschrieben. Ein schematischer Systemaufbau einer Vorrichtung zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts 1 wird in FIG 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Anregungseinheit 2 zur mechanischen Anregung des Objekts 1 mit einem periodischen Anregungssignal auf. Eine Kamera 3 dient zur Erfassung der Wärmebilder des Objekts 1. Ein Wärmebild weist eine Vielzahl von Pixeln auf. Ein Pixel dient jeweils zur
Darstellung eines vom Objekt 1 erfassten Wärmesignals 8. Die Vorrichtung weist Mittel 4 zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts 1 und dem periodischen Anregungssignal auf. Die Mittel 4 weisen eine Impulsgebereinheit 6 zur Erzeugung von Abtastimpulsen, im Folgenden auch stroboskopi- sche Signale genannt, auf. Es gibt unterschiedliche Wege, das stroboskopische Signal zu generieren:
Ein Mikrokontroller wird derart programmiert, dass er Abtastimpulse mit zunehmender Verzögerung bereitstellt. - Eine speziell entwickelte elektronische Schaltung mit
Hardwarekomponenten (Zähler, Zeitgeber mit Verzögerungsfunktion) .
Kommerziell verfügbare Plug-in-Schaltungen für Rechner, mit Zähler, Zeitfunktion und Verzögerungsfunktion.
Gemäß dem in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das durch die Anregungseinheit 2 an das Objekt 1 abgegebene Anregungssignal in einem Generator 7 generiert. Jede bekannte Art der Anregung im akustischen Bereich oder im Ultraschallbereich kann benutzt werden (z. B. elektromagnetische Anregung, Piezoschwinger, Ultraschallreinigungsbäder, Elektromagnetische Ultraschall-Wandler (EMAT = Electro Magne- tic Acoustic Transducer) , etc.). Die Erfassung der Wärmebilder des Objekts 1 und die mechanische Anregung mit dem periodischen Anregungssignal werden derart abgestimmt, dass aus in einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale 8 während einer Periode ermittelbar sind. Mit Auswertungsmitteln 5 werden die Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale 8 wäh- rend einer Periode ermittelt.
Für die aufgenommenen Wärmesignale 8 wird eine Nachverarbeitung für jedes einzelne Kamerapixel durchgeführt. Sowohl die Fourieranalyse als auch die Lock-in-Technik sind Methoden, um den Beitrag (Amplitude und Phase) sowohl der Grundfrequenz als auch der höheren Harmonischen sowie jedem weiteren relevanten Frequenzanteil zu bestimmen. Die erforderliche Nachverarbeitung hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
FIG 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines periodischen Anregungssignals 20. Des Weiteren sind der thermoelastische Anteil 21 eines Wärmesignals, welches von einem durch das Anregungssignal 20 angeregten Objekt ausgesandt wird, sowie der thermoplastische Anteil 22 des Wärmesignals schematisch dar- gestellt. Die vom Objekt abgestrahlten Wärmesignale stellen die thermischen Antworten auf die periodische Anregung dar. Die Skalierung der waagerechten Zeitachsen ist jeweils gleich, um einen Vergleich der dargestellten Signale zu bestimmten Zeitpunkten zu erleichtern.
Der Frequenzanteil mit der Frequenz fs beruht auf dem so genannten thermoelastischen Effekt und ist anwendbar zur Bewertung der lokalen Spannung. Der thermoelastische Effekt ist eine Umkehrung der bekannten thermischen Ausdehnung und ver- ursacht das periodische Aufheizen und Abkühlen des Objekts.
FIG 3 zeigt ein typisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm für ein zyklisch angeregtes Objekt. Dabei ist die mechanische Span- nung σ (Ordinate 30) über der Dehnung ε (Abszisse 31) aufgetragen. Mit dem Bezugszeichen 32 ist eine linear elastische Spannungs-Dehnungs-Kurve bezeichnet, mit dem Bezugszeichen 33 eine schematische elastisch-plastische Spannungs-Dehnungs- Kurve. Die elastisch-plastische Spannungs-Dehnungs-Kurve 33 weist eine Hysterese auf.
Alle höheren Harmonischen des Wärmesignals beruhen auf dem nichtlinearen mechanischen Verhalten des Testobjekts, welches sich in einer Hysterese der Spannungs-Dehnungs-Beziehung bemerkbar macht. Dieser thermoplastische Effekt ist nicht umkehrbar und verursacht einen Temperaturanstieg sowohl in der Druck- als auch in der Spannungsphase der Anregung. Daher weist das Wärmesignal einen Frequenzanteil mit doppelter Grundfrequenz fs, zusätzlich höhere Harmonische und einen mit der Zeit fortschreitenden Temperaturanstieg auf.
Für metallische Objekte ist dieser Effekt - im Gegensatz zu Kunststoffen - typischerweise sehr klein, aber kann trotzdem für bestimmte Materialien, z. B. Stahl, festgestellt werden. Des Weiteren bietet er ein quantitatives Maß für den Ermüdungszustand bestimmter Materialien.
Im Falle eines Risses sind sowohl die höheren Harmonischen als auch das fortschreitende Ansteigen der Temperatur ein lokales Phänomen, welches durch wärmeabstrahlende Effekte an der Rissfront oder der Rissspitze verursacht wird (Reibung, Dämpfung, plastische Verformung) .
FIG 4 zeigt ein zu erfassendes periodisches Wärmesignal 42, dessen Stärke (Ordinate 40) über die Zeit (Abszisse 41) aufgetragen ist. Eine Periode des Wärmesignals 42 ist mit dem Bezugszeichen 45 bezeichnet. Die zyklische Erfassung des Wärmesignals 42 erfolgt mit einer Periodendauer 44. Mit dem Be- zugszeichen 43 ist die Integrationszeit tx der Kameraerfassung (im Folgenden auch Bildaufnahmezeit tx genannt) bezeichnet. Der jeweils durch die Kamera erfasste Bereich des Wärmesignals 42 ist mit Kreisen 46 markiert. Für jede folgende Periode des Anregungssignals mit einer Frequenz fs wird ein Auslöseimpuls für die Kamera mit einer kontinuierlich steigenden Verzögerung Δt generiert. Falls die maximale Bildfolgerate der Kamera nicht hoch genug ist, kann dieser Auslösepuls auch jeweils für ein Vielfaches von Perioden des Anregungssignals generiert werden. So wird beispielsweise bei einer Ultraschallfrequenz von 20 kHz und einer Bildfolgerate der Kamera von 1 kHz nur für jede zwanzigste Ultraschallperiode ein Trigger für die Kamera ausgelöst. Abhängig von der erforderlichen zeitlichen Auflösung wird eine Anzahl N dieser Abtastimpulse benötigt, um eine komplette Periode des Infrarotssignals abzutasten und zu rekonstruieren. Die stroboskopischen Abtastimpulse werden dabei mit dem Anre- gungssignal synchronisiert. Die das stroboskopische Signal beschreibenden Parameter sind Anregungsfrequenz fs und Anzahl N von Abtastungsintervallen für eine Periode und die entsprechende resultierende ansteigende Zeitverzögerung Δt . Die Bildaufnahmezeit tx muss entsprechend angepasst werden.
FIG 5 zeigt die Messung von Amplitude und Phase eines Wärmesignals mittels der so genannten stroboskopischen Lock-in- Technik. Die Signalstärke (Ordinate 50) eines Wärmesignals 52 ist über die Zeit (Abszisse 51) aufgetragen. Mit dem Bezugs- zeichen 53 wird die Integrationszeit tx der Kamera bezeichnet. Die Periodendauer ta der Erfassung wird mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet, die Periodendauer ts des Signals mit dem Bezugszeichen 55. Gemäß dem in FIG 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Wärmesignal 52 während der Zeitab- schnitte 57, 58, 59 und 60 erfasst. Der erfasste, über die
Integrationszeit 53 integrierte Wert des Wärmesignals 52 während des Zeitabschnitts 57 sei A. Entsprechend sei der während des Zeitabschnitts 58 integrierte Wert als B, während des Zeitabschnitts 59 als C und während des Zeitabschnitts 60 als D bezeichnet. Die Verzögerung der Erfassung bezüglich des Wärmesignals ist mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnet und weist den Wert Δt auf. Für Δt = ts/4 ergibt sich Folgendes: Amplitude = (1/4) * (A - C) Phase = 0
Für einen beliebigen Wert Δt ergeben sich folgende Beziehun- gen :
Amplitude = (1/4) * SQRT ((A - C)2 + (B - D)2) Phase = arctan ((B - D) / (A - C) )
FIG 6 zeigt das resultierende Signal 66, welches den Verlauf des Wärmesignals 65 während einer Periode des periodischen Anregungssignals annähert.
FIG 7 zeigt das resultierende Signal 70, welches bei der Er- fassung eines Wärmesignals mittels der im Zusammenhang mit FIG 5 beschriebenen Lock-in-Technik auftritt.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen neue Möglichkeiten der akustischen Thermographie zur Verfü- gung, bei welchen die Erfassung und die Verarbeitung des Frequenzanteils des Wärmesignals für Frequenzen bis in den Ultraschallbereich erfolgen. Um ein solches Signal aufzulösen, wird eine stroboskopische Technik vorgeschlagen. Eine nachfolgende Analyse stellt die Frequenzanteile des Signals für jedes einzelne Pixel der Bildsequenz zur Verfügung.
Die Grundfrequenz als auch die höheren Harmonischen werden dabei für verschiedene Anwendungen verwendet:
1. Bestimmung von lokalen Spannungen bei periodischer Anregung.
Es ist möglich, die Spannungsverteilung eines zyklisch beaufschlagten Testobjekts für Frequenzen bis in den Ultraschall- bereich zu visualisieren und quantitativ zu bestimmen. Der dafür verwendete Frequenzanteil ist die Grundfrequenz fs. 2. Fehlererkennung
Diese Anwendung basiert auf den höheren Harmonischen (2fs, 3fs, etc.)- Abhängig von den eingestellten Parametern verbes- sern sich das Signal-Rausch-Verhältnis und somit auch die Wahrscheinlichkeit der Fehlererkennung im Vergleich zu bekannten Techniken. Je höher die verwendeten Frequenzen, desto niedriger ist die Unscharfe der Fehlererkennung durch thermische Diffusion. Das ermöglicht eine genauere Lokalisierung und Größenbestimmung von Defekten.
3. Thermographische Lebenszeitvoraussage
Auch hier werden die höheren Harmonischen (2fs, 3fs, etc.) genutzt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden teure, unbewegliche Untersuchungsaufbauten sowie die Erfordernis von speziell geformten Testobjekten vermieden. Somit können reale Testobjekte durch Ankoppeln eines Anregungssignals untersucht werden. Des Weiteren wird die Untersuchungszeit deutlich re- duziert, da die verwendete Anregungsfrequenz deutlich höher sein kann.
Für die drei beschriebenen Anwendungen ist lediglich ein einziger experimenteller Aufbau nötig (siehe FIG 1) . Das vorge- schlagene Verfahren stellt einen vollständigen Datensatz der thermischen Antwort eines periodisch belasteten Testobjekts zur Verfügung. Allein durch Wahl des jeweiligen Frequenzanteils wird entschieden, welche Anwendung selektiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts (1), - mit einer Anregungseinheit (2) zur mechanischen Anregung des Objekts (1) mit einem periodischen Anregungssignal,
- mit einer Kamera (3) zur Erfassung der Wärmebilder des Objekts, wobei ein Wärmebild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, wobei ein Pixel jeweils zur Darstellung eines vom Objekt (1) erfassten Wärmesignals (8) vorgesehen ist und
- mit Mitteln (4) zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts (1) und dem periodischen Anregungssignal derart, dass aus in einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anre- gungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale (8) während einer Periode ermittelbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen einen Verlauf der Wärmesignale (8) während einer Periode des periodischen Anregungssignals beinhalten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen eine Amplitude und eine Phase der Wärmesignale (8) beinhalten.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (3) zur Erfassung einer Sequenz der Wärmebilder des Objekts (1) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Auswertungsmittel (5) zur Ermittlung der Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale (8) während einer Periode vorgese- hen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (4) zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts (1) und dem periodischen Anregungssignal eine Impulsgebereinheit (6) zur Erzeugung von Abtastimpulsen aufweisen, wobei die Kamera (3) und die Impulsgebereinheit (6) derart miteinander gekoppelt sind, dass die Erfassung eines der Wärmebilder durch einen der Abtastimpulse auslösbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine jeweils spätere Periode des Anregungssignals ein Ab- tastimpuls mit einer gegenüber einem für eine jeweils frühere Periode des Anregungssignals generierten Abtastimpuls kontinuierlich steigenden Verzögerung generierbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Auswertungsmittel (5) zur Bestimmung von Frequenzanteilen der Wärmesignale (8) vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das periodische Anregungssignal eine Frequenz zwischen 2 kHz und 200 kHz, insbesondere eine Frequenz im Ultraschallbereich, aufweist.
10. Verfahren zur Erfassung von Wärmebildern eines Ob- jekts (1), mit folgenden Schritten:
- mechanische Anregung des Objekts (1) mit einem periodischen Anregungssignal,
- Erfassung der Wärmebilder des Objekts (1), wobei ein Wärmebild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, wobei ein Pixel je- weils ein vom Objekt (1) erfasstes Wärmesignal (8) darstellt, wobei die Erfassung der Wärmebilder des Objekts (1) und die mechanische Anregung mit dem periodischen Anregungssignal derart abgestimmt werden, dass aus in einer Vielzahl von Pe- rioden des periodischen Anregungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale (8) während einer Periode ermittelbar sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen einen Verlauf der Wärmesignale (8) während einer Periode des periodischen Anregungssignals und/oder eine Amplitude und eine Phase der Wärmesignale (8) beinhalten.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung eines der Wärmebilder durch Abtastimpulse ausgelöst wird.
13. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12, zur Fehlererkennung, zur Messung von mechanischen Spannungen und/oder zur Ermüdungsanalyse des Objekts (1).
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