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Impulse and lock-in thermography have been applied to detect delaminations of prototype solder joints, similar to those to be produced between Cu shunts and Cu busbar stabilisers at the Large Hadron Collider (LHC) at CERN. Two infrared cameras with different detector materials and with different spectral ranges and two excitation techniques have been tested and compared for their ability to detect delaminations behind 2 and 3 mm thick Cu shunts. We have analyzed the signal to noise ratio (SNR) for each detected defect and are able to detect defects down to a nominal edge length of 4 mm behind 2 mm thick Cu shunts by using fast impulse thermography and a camera with a microbolometer array. For the 3 mm thick Cu shunt, on the other hand, the nominal 4 mm defect is only visible in the lock-in thermography phase images and the highest SNR has been achieved with a cooled InSb-based camera. In addition, numerical simulations show the influence of the minimum detectable defect size on the shunt thickness and that the developed on-site testing technique is sufficient to find all defects that are detectable theoretically.
Für die optische Erwärmung von Prüfteiloberflächen sind Blitz- und Halogenlampen Stand der Technik. Der Vorteil dieser Wärmequellen liegt in ihren relativ geringen Anschaffungskosten bei gleichzeitig hohen Leistungsdichten am Prüfobjekt. Nachteilig ist bei den Halogenlampen die Limitierung der möglichen Modulationsffequenz auf ca. 1 Hz für die Anwendung dieser Quelle in der Lockin-Thermografie. Blitzlampen bieten für gewöhnlich nur eine feste Blitzdauer bei einer geringen Taktrate. Beide Anregungsquellen müssen in Reflexionsanordnung mit Filtern betrieben werden um die entstehende thermische Eigenstrahlung als Störquelle zu eliminieren. Wir stellen Untersuchungen an Hochleistungs-LEDs für den Einsatz in der aktiven Thermografie vor. Diese Lichtquellen werden durch die rasante Entwicklung der möglichen Leistungsdichten nun auch für die thermografische ZfP interessant. Sie zeigen ähnlich dem Laser eine schmale und auf den Werkstoff abstimmbare spektrale Verteilung der Strahlungsleistung bei moderaten Kosten. Die zugrunde liegende Elektrolumineszenz generiert kaum Wärmestrahlung und ermöglicht dadurch die Prüfung während des Erwärmungsvorganges ohne größeren Aufwand. Modulationsfrequenzen über 100 Hz mit thermischen Eindringtiefen < 1 mm sind möglich. Dadurch qualifizieren sich die LEDs zur Anwendung in der Lockin-Thermografie von Metallen und zur oberflächennahen Prüfung von Schichtsystemen. Durch die fast verzögerungsffeie Reaktion der LED auf das steuernde Signal sind nahezu beliebige zeitliche Anregungsformen möglich. Mit solch flexiblen Anregungsformen ließen sich bereits bei den photothermischen Verfahren erfolgreich höhere Tiefenreichweiten und -auflösungen gegenüber den klassischen Methoden der monofrequenten Lockin - und energiereichen Kurzimpuls-Anregung erzielen. Untersuchungen dieser Möglichkeiten im praktischen Einsatz der HochleistungsLEDs werden vorgestellt und mit herkömmlichen Lichtquellen verglichen.
Impact damages and delaminations in fibre-reinforced composites (FRC) might not be visible at the surface, but could have an influence on the resistance and on the long-term behaviour of the component. Therefore, and especially for safety relevant structures, non-destructive methods are required for the assessment of such damages.
Active thermography methods are suitable to characterize damages after loading using different kind of excitation techniques and various configurations of infrared (IR) camera and heating sources. Here, flash lamps, impulse excitation with infrared radiator and lock-in technique with halogen lamps or widened laser beams are suited. In addition, non-optical sources like sonotrodes (requiring direct contact to the structure) or induction generators (only suited for carbon fibre reinforced polymer (CFRP) structures) could be applied as well. For the investigation of the evolution of the damage during the impact, passive thermography can be applied in-situ. Elastic and plastic deformations alter the temperature of the structure and thus the temperature on the surface.
In this contribution, at first the general principles of quantitative defect characterisation in FRC using active thermography with flash, impulse and lock-in excitation are described. Optical and thermal properties of the FRC material and its anisotropy are considered. Results of phase differences obtained at flat bottom holes with flash and lock-in thermography are compared for qualifying both methods for quantitative defect characterization. Secondly, the damage evolution of CFRP and GFRP structures under impact load and static tensile loading is described. The spatial and temporal evolution of the surface temperature enables us to distinguish matrix cracks or fibre-matrix separation from delaminations between the layers. Afterwards, all results for loading defects, obtained by passive and active thermography, are compared with each other. Fig. 1 and 2 show the difference of passive and flash thermography obtained at impact and tensile loaded CFRP plates, respectively. As one purpose of these investigations is the development of standards within national (DIN) and European (CEN) standardisation bodies, new draft and final standards are presented and further needs are discussed at the end of the presentation.
In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten der Ortung von Fehlstellen in Cu Lötverbindungen unterhalb verschiedener Cu Blechdicken mit aktiver Thermografie demonstriert. Dabei wurden die Anregung mit Blitzlicht und die periodische Anregung mit der Lock-In Technik miteinander verglichen. Die Vor- und Nachteile der Anwendung unterschiedlicher IR-Kamerasysteme, einer gekühlten InSb-Quantendetektor IR-Kamera und einer Mikrobolometer IR-Kamera, werden dargestellt. Als objektives Kriterium wurde das SNR für unterschiedliche Fehlstellengrößen herangezogen.
Impulse-thermography has been established as a fast and reliable tool in many areas of non-destructive testing. In recent years several investigations have been done to apply active thermography to civil engineering. For quantitative investigations in this area of application, finite difference calculations have been performed for systematic studies on the influence of environmental conditions, heating power and time, defect depth and size and thermal properties of the bulk material (concrete). The comparison of simulated and experimental data enables the quantitative analysis of defects.
Abstract
In the recent years the application of infrared thermography and especially its active approaches lock-in thermography, impulse themography and pulse phase thermography (PPT) has gained more importance for non-destructive testing (NDT). In this paper it is demonstrated that PPT is very well suited for NDT in civil engineering. The method is based on pulse heating of the investigated specimen and on the observation of the cooling down process on its surface with an infrared camera. The transient behaviour is afterwards analysed with Fast Fourier Transformation, enabling the creation of phase and amplitude images with enhanced visualisation of the defects. Results of European and National (i.e. DFG) funded projects are presented, for example the detection of voids and inhomogeneities close to the surface and the localisation of delaminations on plastered concrete and masonry specimen.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Vorhabens zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen wird in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin (TUB) die Puls-Phasen-Thermografie (PPT) weiterentwickelt, bewertet und eingesetzt. Die durch die Impuls-Thermografie (IT) aufgenommenen Daten werden mittels Fast Fourier Transformation (FFT) bearbeitet. Die durch die FFT gewonnenen Phasenbilder reduzieren die Störeinflüsse von Oberflächeninhomogenitäten und ungleichmäßiger Erwärmung.
Die dargestellten Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich die PPT sehr gut zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen eignet. Insbesondere Inhomogenitäten im oberflächennahen Bereich, wie Ablösungen und Hohlstellen hinter Beschichtungen (Putz, CFK-Laminate etc.), aber auch Defekte in größeren Tiefen können zuverlässig geortet und bildgebend dargestellt werden.
Struktur- und Feuchteuntersuchungen von Bauteil- und Bauwerksoberflächen mit der Impuls-Thermografie
(2005)
An advanced quantitative approach of pulse-phase-thermography for nondestructive
testing in civil engineering is described in this contribution. The
characteristic frequency of the maximum phase-contrast between defects and sound
areas is used as a means for the characterization of its depth.
The new approach is tested in the laboratory on concrete structures with defects of
polystyrene. The surfaces of the structures were heated with IR-radiators for varying
time periods.
The presented investigations were funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) and were carried out in co-operation with the Technical University of Berlin
(TUB).
The active approach for non-destructive-testing in Civil Engineering (NDT-CE) with infraredthermography (IR), developed at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), is described in part one of this contribution. The active IR-approach is based on the principles of impulse- (IT) and pulse-phase-thermography (PPT). The concept is a direct result of a research project at the BAM in cooperation with the Technical University of Berlin (TUB) and was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). In the second part results of the new thermography-scanning system (thermo-scanner) of BAM on debonding of multi-layered structures, especially carbon fibre reinforced plates (CFRP) on concrete are presented. Both, the thermo-scanner developed at BAM, and the investigations carried out, are part of the
EU-Project Sustainable Bridges. In the third part of the paper the characteristic frequency of the optimum phase-contrast as a means for the characterization of defects depth in CE by means of PPT is introduced. A new quantitative approach is tested and discussed on concrete structures with defects of polystyrene and gas concrete.
False colour infrared (IR) thermography was performed on a sunny summer day in the Berlin Botanic Garden. The main interest focused on blossoms of different size, colours and shapes: disk-, bowl- and funnel-like anatomy demonstrating various modes of light absorption and heating-up during the day. Some of the flowers were phototropic or even solar tracking. Blossom temperatures ranged from 18.0 to 33.3 °C (mean 26.3 ± 2.5 °C, S.D., n = 37) at 21 °C air temperature. Several thermograms showed honey- and bumblebees also. In some cases the results are compared with those of a contact-free IR thermometry. One winter- and one late-spring-flowering plant are included in the overview.
Nach einer Einführung in die Puls-Phasen-Thermografie (PPT) wird ein neuer Ansatz für die Defekttiefenbestimmung im Frequenzraum mittels der sogenannten charakteristischen Frequenz des minimalen Phasen- und Amplitudenkontrastes zwischen Fehlstelle und ungestörtem Bereich entwickelt und anhand von systematischen Untersuchungen an Probekörpern der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und ergänzenden Simulationsrechnungen überprüft.
Die mit Rechteckimpuls-Spektral-Thermografie (RST) bezeichnete Methode, die auch als eine Rechteckimpuls-Thermografie (RIT) im Frequenzbereich oder eine durch Amplitudenauswertung ergänzte PPT für Rechteckimpulserwärmung verstanden werden kann, soll die existierenden Ansätze ergänzen und bietet eine Alternative für die Tiefenbestimmung von Defekten bei Messungen mit langen Erwärmungs- und Beobachtungszeiten, wie sie bei Anwendung von aktiver Thermografie im Bauwesen häufig vorkommen.
Thermal investigations using infrared (IR) thermometry and false colour thermography were carried out on flowering plants in the Botanical Garden of Berlin and in a private garden. Special interest went to phototropic plants that orient their blossoms towards a light source (mainly the sun) and within this group to solar trackers (heliotropism) that follow the path of the sun during the day. Best known among the latter is the sunflower. Bowl shaped flowers comparable to satellite disks focus the solar radiation effectively on their centre, resulting in a warming of the female organs at that point. Temperature differences above ambient can be as high as 10.7 K with a mean value of 6.0 K. Pollinating insects were often observed sun-basking in the bowls or on the flower disks attracted by energetic rewards in form of nectar and heat.
New thermography systems enable the application of active investigation techniques, i.e. the observation of the cooling down process after heating the surface of a structure under investigation. Defects like voids in concrete having a different thermal diffusivity in comparison to the bulk material are visualised by different surface temperatures. The differences between temperature transient curves above sound regions and above inhomogeneities are expected to include information about the defect parameters.
Experimental investigations with impulse thermography and radar on a concrete test specimen containing voids were analysed. Radar was used to determine the depth of the voids. The influence of size and depth of the voids on the temperature transient curves was studied for different heating times. The transient curves were also fitted with a simple semi-empirical model.
The applicability of pulse phase thermography (PPT) for the investigation of structures is studied systematically on concrete test specimens and on a plastered sandstone column. In the test specimens, voids and delaminations are implemented in different depths and with different sizes, modelling real voids, honeycombing and debonding. Delaminations of plaster in concrete and masonry and behind tiles on concrete are investigated. PPT is based on the frequency analysis of the cooling down process of actively heated surfaces. Therefore, it is contactless and thus completely non-destructive (if overheating of the surface is prevented), fast and allows the inspection of large surface areas. The interpretation of amplitude and phase images gives semi-quantitative information about the observed defects. The phase images provide a deeper probing up to 1015 cm in relation to the interpretation of the thermograms and to the amplitude images. In addition, the influence of surface inhomogeneities and non-uniform heating is reduced.
Impulse-thermography is an active method for quantitative investigations of the near surface region of various structures. It has recently been applied and optimised to applications in civil engineering. By using either an internal or external heat source, parts of the structure under investigation are heated up and the transient heat flux is observed by recording the temperature change at the surface as a function of time. This method is very well suited for the detection of voids and honeycombing in concrete, up to concrete covers of 10 cm as well as for the location of delaminations in multi-layered systems (e.g. plaster on concrete, CFRP-laminates on concrete, asphalt on concrete). Also safety relevant defects like voids in tendon ducts and cracks in concrete could be recognised.
Impulse thermography is an active method for quantitative investigations of the near
surface region of various structures. It has recently been applied and optimized to applications in civil
engineering. For quantitative analysis of data recorded on the building site, the problems are manifold.
Here, the influence of the different surface properties on the detection and characterization of voids
and honeycombing simulated by polystyrene cubes and cubes prepared of porous concrete are
demonstrated.
Die Kombination und direkte Datenfusion der Ergebnisse von 3DLaserscannern
zur Erfassung der Geometrie und der aktiven Thermografie zur
Ortung verdeckter Hohlstellen und anderer Inhomogenitäten liefert umfassende
quantitative Informationen über die Zuordnung von Merkmalen und Veränderungen
eines Bauteils. In diesem Beitrag werden die erforderlichen Verfahrensspezifikationen,
das Prinzip der Datenüberlagerung und ausgewählte Fallstudien aus der
Denkmalpflege vorgestellt.
Influence of concret properties on the calibration of radar, ultrasonics and active thermography
(2008)
Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen war es, die Einflüsse von variierenden thermischen Eigenschaften des Baustoffs sowie von unterschiedlichen Emissivitäten der Oberfläche auf die Ortung von Inhomogenitäten in Bauwerksstrukturen mit der aktiven Thermografie zu quantifizieren bzw. durch geeignete Auswerteverfahren zu reduzieren. Vorgestellt werden Ergebnisse von Untersuchungen an Betonprobekörpern mit unterschiedlichen Betonrezepturen und Oberflächenbeschichtungen und -modifikationen sowie an einem historischen Mauerwerksprobekörper mit aufsteigender Feuchte. Die Auswertung der Thermografiesequenzen erfolgte sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich.
In diesem Beitrag wird die Entwicklung eines aktiven Thermografieverfahrens zur zeit- und ortsaufgelösten in-situ und Echtzeit-Visualisierung von Transport- und Schädigungsprozessen für Anwendungen in Industrie und Umwelt vorgestellt. Das Verfahren ermöglicht unter Verwendung verschiedener thermischer Anregungsquellen u.a. die Bestimmung der thermischen Materialeigenschaften von Keramiken und trockenen und feuchten mineralischen Baustoffen. Schädigungsprozesse in Keramiken können in-situ visualisiert werden. Weiterhin werden Messergebnisse vorgestellt, die während des kapillaren Feuchtetransports in Naturstein erfasst wurden und diesen abbilden können.
Zerstörungsfreie Ortung von Fehlstellen und Inhomogenitäten in Bauteilen mit der Impuls-Thermografie
(2004)
Purpose – This purpose of this paper is to report about the temperature distribution in metal and ceramic powder beds during 3D printing. The differing powders are thoroughly characterized in terms of thermal conductivity, thermal diffusivity, emissivity spectra and density.
Design/methodology/approach – The temperature distribution was measured in a 3D printing appliance (Prometal R1) with the help of thin thermocouples (0.25 mm diameter) and thermographic imaging. Temperatures at the powder bed surface as well as at differing powder bed depths were determined. The thermal conductivity, thermal diffusivity and emissivity spectra of the powders were measured as well. Numerical simulation was used to verify the measured temperatures.
Findings – The ceramic powder heated up and cooled down more quickly. This finding corresponds well with numerical simulations based on measured values for thermal conductivity and thermal diffusivity as well as emissivity spectra. An observed color change at the metal powder has only little effect on emissivity in the relevant wavelength region.
Research limitations/implications – It was found that thermocouple-based temperature measurements at the powder bed surface are difficult and these results should be considered with caution.
Practical implications – The results give practitioners valuable information about the transient temperature evolution for two widely used but differing powder systems (metal, ceramic). The paramount importance of powder bed porosity for thermal conductivity was verified. Already small differences in thermal conductivity, thermal diffusivity and hence volumetric heat capacity lead to marked differences in the transient temperature evolution.
Originality/value – The paper combines several techniques such as temperature measurements, spectral emissivity measurements, measurements of thermal conductivity and diffusivity and density measurements. The obtained results are put into a numerical model to check the obtained temperature data and the other measured values for consistency. This approach illustrates that determinations of surface temperatures of the powder beds are difficult.
Anwendung der Impuls-Thermografie als quantitatives zerstörungsfreies Prüfverfahren im Bauwesen
(2002)
Zusammenfassung
Die Impuls-Thermografie ist eine aktive Methode zur Strukturuntersuchung von Bauteilen. Im Rahmen eines von der DFG geförderten Projektes wird in Kooperation mit der TU Berlin an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zur Zeit die mögliche Anwendung der Impuls-Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren im Bauwesen untersucht.
Die Impuls-Thermografie soll zur Ortung von oberflächennahen Inhomogenitäten, bei denen es sich im Normalfall um Fehlstellen handelt, in typischen Bauteilen verwendet werden und nach Möglichkeit die Geometrie- sowie die Materialparameter der Inhomogenitäten quantitativ bestimmt werden.
Messungen werden derart durchgeführt, dass Oberflächen mit einem geeigneten Heizstrahler erwärmt, die anschließenden Abkühlungsprozesse mit einer Infrarot-Kamera betrachtet und thermische Bilddaten (Thermogramme) aufgezeichnet werden. Der Hauptansatzpunkt für die quantitative Auswertung der Messdaten ist die Betrachtung von Temperatur-Zeit-Kurven (Transienten) des Abkühlungsprozesses über fehlerfreien und fehlerhaften Bereichen des Probekörpers. Zusätzlich werden auf Basis der Finiten-Differenzen-Methode numerische Simulationen durchgeführt. Quantitative Ergebnisse werden sowohl durch den Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationsrechnungen als auch durch eine Anpassung analytischer Funktionen an die Transienten erzielt.
Active infrared thermography in civil engineering - quantitative analysis by numerical simulation
(2003)
The cooling-down process of building structures after heating-up with an external radiation source was analysed to detect voids inside and below the surface. Quantitative results of concrete test specimen containing voids with different sizes at various depths will be presented here. The experimental results were compared to numerical simulations performed with a Finite Difference program developed at BAM.