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Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwendungsgemeinde. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und technische Regeln eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normung in Deutschland vorgestellt. Wir zeigen, welche Normen und technischen Regeln es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwendungsgemeinde. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und technische Regeln eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normung in Deutschland vorgestellt. Wir zeigen, welche Normen und technischen Regeln es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
In this work, we report on our progress for investigating a new experimental approach for thermographic detection of internal defects by performing 2D photothermal super resolution reconstruction. We use modern high-power laser projector technology to repeatedly excite the sample surface photothermally with varying spatially structured 2D pixel patterns. In the subsequent (blind) numerical reconstruction, multiple measurements are combined by exploiting the joint-sparse nature of the defects within the specimen using nonlinear convex optimization methods. As a result, a 2D-sparse defect/inhomogeneity map can be obtained. Using such spatially structured heating combined with compressed sensing and computational imaging methods allows to significantly reduce the experimental complexity and to study larger test surfaces as compared to the one-dimensional approach reported earlier.
Das thermografische Nachweisprinzip beruht auf der Analyse von instationären Temperaturverteilungen, welche durch die Wechselwirkung eines von außen zugeführten Wärmestroms mit der inneren Geometrie des Prüfobjekts oder mit darin eingeschlossenen Inhomogenitäten verursacht werden. Eine äquivalente Beschreibung dieses wechselwirkenden Wärmestroms ist die Ausbreitung von Wärmewellen im Inneren des Prüfobjekts. Obwohl die Thermografie für die Erkennung einer Vielzahl von Inhomogenitäten und für die Prüfung verschiedenster Materialien geeignet ist, besteht die grundlegende Einschränkung in der diffusen Natur der Wärmewellen und der Notwendigkeit, ihre Wirkung nur an der Prüfobjektoberfläche radiometrisch messen zu können. Der fundamentale Nachteil von diffusen Wärmewellen gegenüber propagierenden Wellen, wie sie z. B. im Ultraschall vorkommen, ist die dadurch verursachte schnelle Verschlechterung der räumlichen Auflösung mit zunehmender Defekttiefe. Diese Verschlechterung schränkt in der Regel die Anwendbarkeit der Thermografie bei der Suche nach kleinen tiefliegenden Defekten ein.
Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der räumlichen Auflösung und damit der Erkennungsempfindlichkeit und der Rekonstruktionsqualität in der thermografischen Prüfung liegt in der speziellen Formung dieser diffusen Wärmewellenfelder mittels strukturierter Laserthermografie bzw. photothermischer Anregung. Einige Beispiele sind:
- Schmale rissartige Defekte unterhalb der Oberfläche können durch Überlagerung mehrerer interferierender Wärmewellenfelder mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden,
- Nahe beieinander liegende Defekte können durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Heizstrukturen getrennt werden,
- Defekte in unterschiedlichen Tiefen können durch eine optimierte zeitliche Gestaltung der thermischen Anregungsfunktion unterschieden werden,
- Schmale Risse auf der Oberfläche können durch robotergestütztes Scannen mit fokussierten Laserspots gefunden werden,
- Defekte, die während der additiven Fertigung auftreten, können bereits im Bauraum und mit dem Fertigungslaser detektiert werden.
Wir präsentieren die neuesten Ergebnisse dieser Technologie, die mit Hochleistungslasersystemen und modernen numerischen Methoden erzielt wurden.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwenderschaft. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und Richtlinien eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normierung vorgestellt. Wir werden zeigen, welche Grundlagennormen und Anwendungsnormen es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
Thermographic non-destructive testing is based on the interaction of thermal waves with inhomogeneities. The propagation of thermal waves from the heat source to the inhomogeneity and to the detection surface according to the thermal diffusion equation leads to the fact that two closely spaced defects can be incorrectly detected as one defect in the measured thermogram. In order to break this spatial resolution limit (super resolution), the combination of spatially structured heating and numerical methods of compressed sensing can be used. The improvement of the spatial resolution for defect detection then depends in the classical sense directly on the number of measurements. Current practical implementations of this super resolution detection still suffer from long measurement times, since not only the achievable resolution depends on performing multiple measurements, but due to the use of single spot laser sources or laser arrays with low pixel count, also the scanning process itself is quite slow. With the application of most recent high-power digital micromirror device (DMD) based laser projector technology this issue can now be overcome.
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Grenze für 1D- und 2D Defektgeometrien mit Hilfe des Abscannens des Prüfkörpers mittels einzelner Laserspots und der anschließenden Anwendung von photothermischer Super-Resolution-Rekonstruktion überwunden werden kann. Bei dieser Methode wird eine Kombination aus sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und numerischen Optimierungsmethoden eingesetzt. Dies geschieht allerdings auf Kosten der experimentellen Komplexität, die zu einer langen Messdauer, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung führt.
In dieser Arbeit berichten wir über einen neuen experimentellen Ansatz, bei dem räumlich strukturierte 2D-Beleuchtungsmuster in Verbindung mit Compressed-Sensing und Computational-Imaging-Methoden verwendet werden, um die experimentelle Komplexität deutlich zu verringern und die Methode für die Untersuchung größerer Prüfflächen nutzbar zu machen.
Der experimentelle Ansatz basiert dabei auf der wiederholten (blinden) photothermischen Anregung mit räumlich strukturierten 2D-Mustern unter Verwendung moderner Projektortechnik und eines Hochleistungslasers. In der anschließenden numerischen Rekonstruktion werden mehrere Messungen unter Ausnutzung der Joint-Sparsity der Defekte innerhalb des Prüfkörpers mittels nichtlinearer konvexer Optimierungsmethoden kombiniert. Als Ergebnis kann eine 2D-sparse Defekt-/Inhomogenitätskarte erstellt werden.
Detection of surface breaking cracks using flying line laser thermography: A Canny-based algorithm
(2021)
In this work, we introduce a new algorithm for effectual crack detection using flying line laser thermography, based on the well-known Canny approach. The algorithm transforms the input thermographic sequence into an edge map. Experimental measurements are performed on a metallic component that contains surface breaking cracks due to industrial use. The specimen is tested using flying line thermography at different scanning speeds and laser input powers. Results obtained with the proposed algorithm are additionally compared with a previously established algorithm for flying spot thermography. The proposed Canny-based algorithm can be used in automated systems for thermographic non-destructive testing.
Pulse-compression thermography is an emerging technique that has shown versatility by combination of pulsed and lock-in thermography. Accordingly, several aspects of this technique are still unexplored, and some others not fully developed yet. Barker codes were widely used in radar applications due to their simplicity and their optimum autocorrelation function. Nevertheless, applications were limited by the amplitude of the sidelobes present in the autocorrelation function and therefore, several filters have been developed which aim to reduce the sidelobes. However, the filters usually depend on empirical parameters which must be determined for each application. A better alternative would improve the applicability of the Barker codes. In this work, we further develop the pulse-compression thermography technique by introducing a 13-bit modified Barker code (mBC): This allows to drastically reduce the sidelobes characteristic of the 13-bit Barker code (BC). Consequently, the thermographic impulse response, obtained by cross-correlation, is almost free of such sidelobes. Deeper defects become easier to detect in comparison with using a 13-bit Barker code. Numerical simulations using the finite element method are used for comparison and experimental measurements are performed in a sample of steel grade St 37 with machined notches of three different depths: 2 mm, 4 mm and 6 mm.
In vielen Umgebungen, besonders bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungen oder auf bewegten oder schlecht zugänglichen Flächen, kann die Temperatur nicht oder nur mit nicht akzeptablem Aufwand mit Berührungsthermometern gemessen werden. Diese Umgebungsbedingungen sind unter anderem in der chemischen Industrie, der Lebensmittel-, Metall-, Glas-, Kunststoff- und Papierherstellung sowie bei der Lacktrocknung anzutreffen. In diesen Bereichen kommen Strahlungsthermometer zum Einsatz. Der VDI-Statusreport zeigt typische Anwendungsfelder von nicht radiometrisch kalibrierten Wärmebildkameras und von radiometrisch kalibrierten Thermografiekameras. Um verlässlich mit spezifizierten Messunsicherheiten berührungslos Temperaturen zu messen, müssen die Strahlungsthermometer und Thermografiekameras nicht nur kalibriert, sondern radiometrisch und strahlungsthermometrisch umfassend charakterisiert werden. Auch die optische Materialeigenschaft, der spektrale Emissionsgrad und die Gesamtstrahlungsbilanz (Strahlung des Messobjekts und der Umgebung) sind bei der industriellen Temperaturmessung von großer Bedeutung. In den letzten Jahrzehnten ist dazu ein umfassendes technisches Regelwerk entstanden, das wir Ihnen mit diesem VDI-Statusreport vorstellen. Manche in den Richtlinien beschriebenen Kennwerte mögen abstrakt wirken. In diesem Statusreport zeigen wir an konkreten Beispielen, was diese Kenngrößen für die berührungslose Temperaturmessung bedeuten. Beispiele von Anwendungen zeigen, wo temperaturmessende Thermografiekameras und ausschließlich bildgebende Wärmebildkameras in der Praxis eingesetzt werden. Mit einer Analyse, welche Themen und Anwendungen derzeit besonders intensiv diskutiert werden, versuchen wir Trends für zukünftige Entwicklungen herauszuarbeiten.
The work to be presented focuses on our most recent studies to laser excited super resolution (SR) thermography. The goal of nondestructive testing with SR is to facilitate the separation of closely spaced defects. Photothermal SR can be realized by performing structured illumination measurements in com-bination with the use of deconvolution algorithms in post-processing. We explain that stepwise as well as continuous scanning techniques are applicable to generate structured illumination measurements. Finally, we discuss the effect of experimental parameters and image processing techniques to find the optimal SR technique which leads to the highest reconstruction quality within laser thermography.
Thermographic super resolution techniques allow the spatial resolution of defects/inhomogeneities below the classical limit, which is governed by the diffusion properties of thermal wave propagation. In this work, we report on the extension of this approach towards a full frame 2D super resolution technique. The approach is based on a repeated spatially structured heating using high power lasers. In a second post-processing step, several measurements are coherently combined using mathematical optimization and taking advantage of the (joint) sparsity of the defects in the sample
This paper presents deep unfolding neural networks to handle inverse problems in photothermal radiometry enabling super resolution (SR) imaging. Photothermal imaging is a well-known technique in active thermography for nondestructive inspection of defects in materials such as metals or composites. A grand challenge of active thermography is to overcome the spatial resolution limitation imposed by heat diffusion in order to accurately resolve each defect. The photothermal SR approach enables to extract high-frequency spatial components based on the deconvolution with the thermal point spread function. However, stable deconvolution can only be achieved by using the sparse structure of defect patterns, which often requires tedious, hand-crafted tuning of hyperparameters and results in computationally intensive algorithms. On this account, Photothermal-SR-Net is proposed in this paper, which performs deconvolution by deep unfolding considering the underlying physics. This enables to super resolve 2D thermal images for nondestructive testing with a substantially improved convergence rate. Since defects appear sparsely in materials, Photothermal-SR-Net applies trained blocksparsity thresholding to the acquired thermal images in each convolutional layer. The performance of the proposed approach is evaluated and discussed using various deep unfolding and thresholding approaches applied to 2D thermal images. Subsequently, studies are conducted on how to increase the reconstruction quality and the computational performance of Photothermal-SR-Net is evaluated.
Thereby, it was found that the computing time for creating high-resolution images could be significantly reduced without decreasing the reconstruction quality by using pixel binning as a preprocessing step.
Learned block iterative shrinkage thresholding algorithm for photothermal super resolution imaging
(2020)
Block-sparse regularization is already well-known in active thermal imaging and is used for multiple measurement based inverse problems. The main bottleneck of this method is the choice of regularization parameters which differs for each experiment. To avoid time-consuming manually selected regularization parameters, we propose a learned block-sparse optimization approach using an iterative algorithm unfolded into a deep neural network. More precisely, we show the benefits of using a learned block iterative shrinkage thresholding algorithm that is able to learn the choice of regularization parameters. In addition, this algorithm enables the determination of a suitable weight matrix to solve the underlying inverse problem. Therefore, in this paper we present the algorithm and compare it with state of the art block iterative shrinkage thresholding using synthetically generated test data and experimental test data from active thermography for defect reconstruction. Our results show that the use of the learned block-sparse optimization approach provides smaller normalized mean square errors for a small fixed number of iterations than without learning. Thus, this new approach allows to improve the convergence speed and only needs a few iterations to generate accurate defect reconstruction in photothermal super resolution imaging.
The separation of two closely spaced defects in fields of Thermographic NDE is very challenging. The diffusive nature of thermal waves leads to a fundamental limitation in spatial resolution. Therefore, super resolution image reconstruction can be used. A new concerted ansatz based on spatially structured heating and joint sparsity of the signal ensemble allows for an improved reconstruction of closely spaced defects. This new technique has been studied using a 1D laser array with randomly chosen illumination pattern.
This paper presents the results after applying super resolution algorithms, such as the iterative joint sparsity (IJOSP) algorithm, to our processed measurement data. Different data processing techniques before applying the IJOSP algorithm as well as the influence of regularization parameters in the data processing techniques are discussed. Moreover, the degradation of super resolution reconstruction goodness by the choice of experimental parameters such as laser line width or number of measurements is shown.
The application of the super resolution results in a spatial resolution enhancement of approximately a factor of four which leads to a better separation of two closely spaced defects.
Using spatial and temporal shaping of laser-induced diffuse thermal wave fields in thermography
(2020)
The diffuse nature of thermal waves is a fun-damental limitation in thermographic nonde-structive testing. In our studies we investigated different approaches by shaping the thermal wave fields which result from heating. We have used high-power laser sources to heat metallic samples. Using these spatial and temporal shaping techniques leads to a higher detection sensitivity in our measurements with the infra-red camera. In this contribution we show our implementation of shaping laser-induced diffuse thermal wave fields and the effect on the defect reconstruction quality.
In this work we focus on our most recent studies to super resolution (SR) laser thermography. The goal of SR nondestructive testing methods is to facilitate the separation of closely spaced defects. We explain how to combine laser scanning with SR techniques. It can be shown that stepwise as well as continuous scanning techniques are applicable. Finally, we discuss the effect of experimental parameters and im-age processing techniques to find the optimal SR technique which leads to the highest reconstruction quality within laser thermography.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Diese Inhomogenitäten hängen mit der Probengeometrie oder der Materialzusammensetzung zusammen. Obwohl die Thermografie für ein breites Spektrum von Inhomogenitäten und Materialien geeignet ist, ist die grundlegende Einschränkung die diffuse Natur der thermischen Wellen und die Notwendigkeit, ihre Wirkung lediglich an der Probenoberfläche radiometrisch messen zu können. Die Ausbreitung der thermischen Wellen von der Wärmequelle über die Inhomogenität zur Detektionsoberfläche führt zu einer Verschlechterung des räumlichen Auflösungsvermögens der thermografischen Technik. Ein neuer konzertierter Ansatz auf Basis einer räumlich strukturierten Erwärmung und einer Joint Sparsity des Signalensembles ermöglicht eine verbesserte Rekonstruktion von Inhomogenitäten.
Im Beitrag wird die Implementierung dieses Ansatzes auf Basis einer strukturierten Beleuchtung mit einem 1D-Laser-Array vorgestellt. Die einzelnen Emitterzellen des Laser-Arrays werden durch ein pseudozufälliges Binärmuster gesteuert und zusätzlich leicht verschoben. Die wiederholte Messung dieser verschiedenen Konfigurationen bei gleichzeitig konstanter Inhomogenität ermöglicht eine Rekonstruktion der Inhomogenität unter Ausnutzung der Joint Sparsity.
The detection of cracks before the failure is highly significant when it comes to safety-relevant structures. Crack detection in metallic samples at high surface temperature is one of the challenging situation in manufacturing industries.
Laser thermography has already proved its detection capability of surface cracks in metallic samples at room temperature. In this work a continuous wave (CW) laser use to generate a laser, which is using to scan the metal surface with notch.
The corresponding heat distribution on the surface monitored using infrared thermal (IR) camera. A simplified 3D model for laser thermography is developed and validated with experimental results. A dedicated image processing algorithm developed to improve the detectability of the cracks. To understand the dependency of surface temperature, laser power, laser scanning speed etc. in defect detection, we carried out parametric studies with our validated model. Here we Report the capability of laser thermography in crack detection at elevated temperature.
Due to their high irradiance and wide modulation bandwidth, high-power lasers open up a wide field of application. For example, the classical methods of pulse and lock-in thermography can be realized in high quality. In addition, structured heating is also possible by using arrays of such lasers. This makes it possible to implement new thermographic methods, such as interference-based detection of cracks or super resolution.