RS61563B1 - Širografski uređaj i postupak za nedestruktivno ispitivanje materijala pomoću širografije - Google Patents

Description

Opis

[0001] Postupak se odnosi na uređaj za širografiju kao i postupak za nedestruktivno ispitivanje materijala pomoću širografije. Predmet pronalaska je takođe podoban za nedestruktivnu analizu vibracija.

[0002] Rastući zahtevi i potraživanja u pogledu kvaliteta građevinskih elemenata, naročito u segmentu vazduhoplovstva, automobilske industrije, vetroparkova i solarnih parkova, kao i u građevinskoj industriji povećavaju zahteve u pogledu postupaka za nedestruktivno ispitivanje materijala. Ispitivanje materijala bi pre svega trebalo da bude moguće tokom tekuće proizvodnje ali i kasnije zbog popravki tokom rada. Što ranije detektovanje defekata, odn. slabih tačaka, značajno doprinosi redukciji troškova i produženju životnog veka određene konstrukcije.

[0003] Poželjne su merne metode koje površinski, beskontaktno, nedestruktivno i u visokoj rezoluciji mogu da detektuju defekte. Poznati postupci koriste naročito ultrazvučnu tehnologiju, rendgen, termografiju, spekle interferometriju, lasersku vibrometriju, kompjutersku tomografiju ili teraherc tehniku.

[0004] Baš spekle interferometrija omogućava beskontaktno ispitivanje materijala na velikim površinama. Prostorna rezolucija spekle merne tehnike je pritom vrlo visoka, tako da se već i najmanje nepravilnosti kako na površini materijala, tako i u unutrašnjosti materijala, mogu prepoznati. U najznačajnije spekle merne postupke spadaju ESPI (elektronska spekle interferometrija) i ESPSI (elektronska spekle širografska interferometrija).

[0005] DE19856400 A1 opisuje na primer širografski postupak za nedestruktivno merenje objekata kod kojeg se zračenje reflektovano sa objekta na optičkom klinu prelama na manje od četiri granične površine.

[0006] Ovde je predmet bliže ispitvanje širing interferometrije .

[0007] U segmentu spekle merne tehnike se naročito korišćenjem prostornog faznog pomaka može izvršiti ispitivanje materijala. Tom prilikom se naročito vrši prostorni fazni pomak sa širografskim elementom a dobijeni interferogram se pomoću Furijeove transformacije matematičkim ekstrahovanjem faznih informacija transformiše u spektralni segment. Do sada poznati merni uređaji koji se zasnivaju na različitim vrstama interferometara (po pravilu Majkelson ili Mah-Zender interferometri) za prostorni fazni pomak imaju nedostatak što se pokreću laserima sa visokim učinkom. Razlog za to je nizak svetlosni prinos jer svetlosni senzor (detektor) na kraju može da registruje manje od 50% svetlosnog intenziteta koji prima uređaj.

Osim toga su dobijeni rezultati često nedovoljno kvalitetni tako da u večini slučajeva ne mogu da se obrade.

[0008] Iz tog razloga je zadatak pronalaska da obezbedi merni spekle postupak kod kojeg će pomoću prostornog faznog pomaka biti dobijeni interferogrami dovoljno visokog kvaliteta uz nizak učinak iskorišćenog zračenja kao i jednostavne i robusne strukture.

[0009] Ovaj zadatak se ovde rešava pomoću uređaja za širografiju prema zahtevu 1 kao i postupkom prema zahtevu 12.

[0010] U predmetnom pronalasku je otkriveno da se širografija koja se zasniva na prostornom faznom pomaku u pogledu optičke strukture može optimizovati dodatnom blendom i zamenom klasičnog interferometra širografskim elementom.

[0011] Kod poznatih interferometrijskih mernih postupaka koji se zasnivaju na vremenskom faznom pomaku, neophodno je napraviti šest snimaka ispitanika. Ova potreba proizilazi iz fizičkih okolnosti jer osnovna jednačina sadrži tri nepoznate veličine. U veličine koje je neophodno odrediti spadaju pozadinski intenzitet, modulacije rešenja interferencije i relativna faza. Prave se tri snimka mernog objekta u osnovnom stanju, a naknadno dodatna tri snimka nakon opterećenja ispitanika. Između snimaka se vrši fazni pomak, najčešće pomoću piezo aktuatora. Na ovaj način se dobija rešivi sistem jednačina koji se sastoji od šest jednačina i šest nepoznatih. Radi povećanja robusnosti vremenskog faznog pomala se često koristi metoda sa ukupno osam snimaka i šest faznih pomaka. Između pojedinačnih snimaka tokom merenja ne sme doći do vibracija ili sličnih smetnji jer bi merenje postalo neupotrebljivo.

[0012] U predmetnom pronalasku je otkriveno da se promenom uobičajenog rasporeda merenja broj snimaka može redukovati na dva snimka. Takođe je primećeno da oba snimka mogu vremenski da se detektuju vrlo brzo jedan za drugim i da se prvi snimak može izvršiti u osnovnom stanju, a drugi snimak nakon promene stanja ispitanika.

[0013] Ova mogućnost se obezbeđuje tako što se prostorni fazni pomak u pogledu optičke strukture može poboljšati pomoću dodatnog difrakcionog uređaja. Difrakcioni uređaj pritom može biti postavljen ispred ili iza širing elementa. Pomoću difrakcionog uređaja je moguća difrakcija od izvora svetlosti emitovanog zračenja, koje se reflektuje preko mernog objekta.

[0014] U vezi sa ovim treba napomenuti da je za interferometrijsko ispitivanje materijala neophodan koherentan izvor svetlosti. Pomoću širing elementa se zraci reflektovani sa mernog objekta na putanjama zračenja različite dužine sprovode do uređaja za snimanje. Usled ovih putanja zračenja različite dužine se na senzoru uređaja za snimanje pojavljuje slika interferencije zrakova, koji su sporovedeni sa mernog objekta preko širing elementa do uređaja za snimanje. Na osnovu koherentnog izvora zračenja se zraci slažu tako da daju interferogram.

[0015] Korišćenjem optičkog difrakcionog smera je moguće u opsegu frekvencije interferograma dobiti odvajanje pozadinskog intenziteta od tražene fazne informacije. Zbog difrakcionog uređaja je do sada neophodno snabdeti izvor zračenja sa dovoljno visokim učinkom zračenja. Difrakcionim uređajem se veliki deo intenziteta zračenja ublažava tako da su interferogrami detektovani na senzoru uređaja za snimanje nudili malo informacija.

[0016] Sada je pronađeno da se izmenjenom geometrijskom strukturom u odnosu na uobičajeni Majkelson odn. Mah Zender interferometar (ili druge interferometre) zračenje, koje se deli pomoću širing elementa i koje se sa određenim razmakom ponovo slaže, prelama na manje od četiri granične površine širing elementa.

[0017] Odgovarajućim rasporedom širing elemenata je broj prelamanja transmitovanog zraka redukovan u odnosu na uobičajene rasporede tako da interferogram daje rezultate koji se dobro mogu obraditi. Osim toga se u širing elementu može izostaviti delimićno reflektujuća površina jer se zraci ovde neposredno i skoro potpuno pomoću širing elementa provode do uređaja za snimanje.

[0018] Odgovarajućim rasporedom između difrakcionog uređaja, širing elementa i uređaja za snimanje moguće je ekstrahovati relativnu fazu u spektralnom segmentu interferograma pomoću odgovarajućeg filtera (pojasno propusni filter, niskopropusni filter itd.) npr. maskiranjem. Prostornim međusobnim rasporedom difrakcionog uređaja, širing elementa i uređaja za snimanje se u spektralnog funkciji interferograma postiže dovoljni razmak frekvencije između difrakcionog obrasca nultog reda (intenzitet pozadine) i difrakcionog obrasca prvog reda (fazne informacije). Filter se onda može podesiti tako da se difrakcioni obrazac prvog reda propušta (maskira).

[0019] Predmetnim pomeranjem faza se time omogućava brzo i u pogledu smetnji malo osetljivo merenje. Pored toga se raspored merenja i u odnosu na uobičajne prostorne kao i vremenske rasporede faznih pomaka može značajno uprostiti jer u odnosu na uobičajene merne metode, koje se zasnivaju na vremenskom pomaku vremena, može izostati vremenski fazni pomak. Aktivni elementi u mernom rasporedu, a samim tim i njihovo upravljanje, mogu se izostaviti. U odnosu na uobičajene merne metode sa prostornim vremenskim pomakom je predmetni raspored značajno uprošćen i kvalitet mernih rezultata se može povećati.

[0020] Pomoću predmetnog širografskog uređaja je moguće da se u skoro realnom vremenu detektuju interferogrami i da se ovi interferogrami u realnom vremenu međusobno koreliraju radi dobijanja širograma. Pomoću odgovarajućih elektronskih postupaka se skoro u realnom vremenu može prikazati rezultat merenja.

[0021] Širogrami koji su detektovani pomoću predmetnog širografskog uređaja omogućavaju kvantitativno ispitivanje materijala. Širogrami se kvantitativno mogu obraditi i stoga se mogu dati kvantitativni iskazi o na primer osobinama materijala. Pritom se predmetni širografski uređaj može naročito koristiti u oblasti serijske proizvodnje, inspekcije, modalne analize kao i za istraživanja i razvoj. Naročito se korelacija dva interferograma može dobiti maskiranjem određenih spektralnih funkcija odgovarajućim filterima. Određivanje i prikazivanje kvantitativnih konačnih rezultata već tokom merenja u velikoj meri povećava prilagodljivost korisniku.

[0022] Naročito je poželjna analiza vibracija. Usled predmetne mogućnosti povezivanja dva interferograma u širogram u realnom vremenu, analiza se može izvršiti skoro u realnom vremenu. Ukoliko se opterećenje vibracijama obrađuje u realnom vremenu, širogrami se neprestano mogu proizvoditi iz vremenski (ne nužno neposrednih) uzastopnih interferograma, a merni objekat se može oceniti u stanju vibracije. S obzirom na to da je svetlosni prinos usled predmetnog rasporeda znatno povećan, kamere velikih brzina sa brzinom kadra od preko 50 ’frames per second’ (fps), naročito preko 100 fps, naročito više od 500 fps ili više od 1000 fps mogu detektovati interferograme sa dovoljno visokim kontrastom.

[0023] Detektovanje manje kod dinamičnog opterećenja se naročito može vršiti ukopčavanjem elastičnih talasa, kao npr. lamb talasa, u merni objekat. Talasi su u direktnoj interakciji sa defektima i pomoću predmetnog mernog rasporeda se neposredno mogu detektovati. Amplituda pobuđenih talasa iznosi u zavisnosti od frekvencije pobuđivanja samo nekoliko 100 nm ili manje. Pomoću klasične širografije se tako elastični talasi jedva mogu detektovati, jer usled male amplitude ne nastaju tipični prugasti uzorci. Predmetnim prostornim faznim pomakom je moguće izvršiti detektovanje elastičnih talasa i time nedestruktivno ispitivanje materijala u dinamičnom stanju opterećenja.

[0024] Najpre je novim rasporedom širing elementa moguć izvor svetlosti sa manjim učinkom. Naročito je laser sa niskim intenzitetom izvor svetlosti. Ovo je naročito izvor svetlosti sa učinkom laserske klase 1, 1M, 2, 2M ili 3R po DIN EN 60825-1: 2008-05; naročito jedan jedini laser pomenute klase ili više lasera, koji ne prevazilaze ukupan učinak navedenih klasa.

[0025] Korišćenjem koherentnog izvora svetlosti se prilikom refleksije na mernom objektu dobija takozvani spekle šablon, poznat još kao laserska granulacija.

[0026] Sa površine koja je hrapava na mikroravni se pristižući zraci u skladu sa Hajgens-Frenelovim principom rasipaju po svakoj mikroskopskoj neravnini u obliku kugličastih odn, kružnih elementarnih talasa sa faznim pomakom koji odgovara tipologiji. Raspodela intenziteta rasutog svetla je na nivou prikaza kod površina bez sistematične strukture potpuno slučajan. Svaki posmatrač će shodno tome videti drugačiji šablon. Ova vrsta šablona se označava kao takozvana subjektivna spekle pojava jer se koristi sistem prikaza, na primer ljudsko oko ili kamera.

[0027] Srednja karakteristična veličina jednog jedinog spekla zavisi od korišćene optike, koja se koristi za dobijanje oštre slike. Pristižući zraci se slažu sa razmakom u odnosu na žižnu ravan. Pritom se ne sme ići ispod određene veličine spekli dx,y.Prečnik dx,yspekli dodatno zavisi od talasne dužine korišćenog zračenja, naročito od korišćenog lasera. Prečnik spekli daje:

[0028] Pritom je D prečnik otvora uređaja za prelamanje. Putem odgovarajućeg otvora blende D se dakle može podesiti neophodna veličina dx,yspekli.

[0029] Predmetno se poželjno koristi itrijum aluminijum granata laser dotiran atomima neodijuma (ND:YAG laser) sa talasnom dužinom od 520 nm ili jednom/više laserskih dioda u vidljivom ili infracrvenom spektralnom opsegu. Blenda odn. prečnik blende D se poželjno podešava tako da veličina spekli iznosi tri do četiri piksela na senzoru uređaja za snimanje.

[0030] Freznelov broj blende se izračunava iz

tako što je D prečnik blende, λ je talsna dužina izvora zračenja i Zb,kje razmak od blende B do senzora slike (uređaj za snimanje) K.

[0031] Pre nego što pomoću uređaja za prelamanje prelomljeni talasi dođu do uređaja za snimanje se predmetno predlaže širing element. Širing element je doduše takav da se, ne kao što je uobičajeno četiri ili više preloma zrakova vrši na širing elementu, već se zračenje prelama samo na manje od četiri granične površine širing elementa. Ovim malim brojem prelamanja i optimizovanom putanjom zračenja se optimizuje intenzitet zračenja na senzoru uređaja za snimanje.

[0032] Pre širing elementa ili u ostalom opsegu putanje zračenja se može koristiti optički pojasno propusni filter, naročito spektralni filter, poželjno apsorpcioni filter. Spektar propusnosti naročito leži u opsegu frekvencije izvora zračenja.

[0033] Uređaj za snimanje po pravilu ima objektiv odn. sočivo i senzor slike. Predmetno je moguće da sa objektiv uređaja za snimanje postavi ispred ili iza difrakcionog uređaja i širing elementa. Tako reflektovano zračenje ili najpre prolazi kroz sočivo uređaja za snimanje, potom difrakcioni uređaj i nakon toga širing element kako bi došlo u dodir sa senzorom uređaja za snimanje ili najpre prolazi kroz difrakcioni uređaj i širing element, a nakon toga sočivo, kako bi došlo u dodir sa senzorom uređaja za snimanje .

[0034] Predmetnim rasporedom se samo difrakcioni uređaj, širing element i uređaj za snimanje moraju podešavati jedan u odnosu na drugi. Podložnost smetnjama ovog sistema se značajno redukuje, a kvalitet snimanja se povećava, naročito u nestacionarnim, naročito mobilnim primenama.

[0035] Nadalje nasuprot postojećim širografskim uređajima poželjno u segmentu širing elementa nije neophodan razdelnik snopa. Zraci samo jednom sa difrakcionog uređaja prolaze kroz širing element i tu se ne dele na delimično reflektujućoj ravni. Tako se zraci ne reflektuju kroz razdelnik snopa širing elementa što dovodi do povećanog svetlosnog prinosa.

[0036] Nadalje je moguće da bude predviđen uređaj za stabilizaciju u vidu objektiva kamere, na kojem nije samo postavljen uređaj za snimanje odn. sočivo uređaja za snimanje, već i difrakcioni uređaj kao i širing element. Stabilizacija pomoću ovog uređaja time ne deluje samo na objektiv odn. sočivo uređaja za snimanje već povrh toga i na difrakcioni uređaj kao i širing element.

[0037] Širing element je poželjno raspoređen tako da se makar prvi deo kroz difrakcioni uređaj transmitovanog, od strane uređaja za snimanje detektovanog, zračenja izvora svetlosti prelama na dve granične površine širing elementa. Prelamanjem na samo dve granične površine širing elementa se dodatno povećava svetlosni prinos.

[0038] Poželjno je širing element biprizma ili optički klin. Razdelnik snopa se takođe može koristiti sa lateralnim otklonom, kao Calcite Beam Displacer, Volastonova prizma, raspored dveju ili više blendi ili slično kao širing element.

[0039] U skladu sa oblikom izvođenja se predlaže da širing element bude postavljen tako tako da se makar drugi deo kroz difrakcioni uređaj transmitovanog, od strane uređaja za snimanje detektovanog zračenja izvora svetlosti, uređaj za snimanje ne detektuje prelomljeno od strane širing elementa. Ovo znači da zračenje transmitovano kroz difrakcioni uređaj može makar neprelomljeno u delovima kroz širing element stići do uređaja za snimanje. Prvi deo zračenja se prelama pomoću širing elementa i time se njegova optička putanja u odnosu na optičku putanju drugog dela produžava. Ovo dovodi do malog međusobnog pomeranja detektovanih slika mernog objekta u ravni slika.

[0040] Kako bi se površina za snimanje koji je potrebno ispitati povećala, predlaže se da se zračanje koje napušta izvor svetlosi najpre ekspanduje pomoću ekspanzionog sočiva. Takođe je moguće da se kao izvor svetlosti koriste jedna ili više laserskih dioda.

[0041] U skladu sa oblikom izvođenja se predlaže da difrakcioni uređaj bude blenda sa kružnim otvorom, blenda sa trakastim otvorom ili optička rešetka. Naročito je slanje blende sa otvorom u vidu proreza poželjno. Senzor za snimanje unutar uređaja za snimanje je poželjno CCD senzor ili CMOS senzor. On je poželjno pravougaonog oblika. Kod takvog senzora je dobra blenda sa otvorom u vidu proreza, jer se spektralne funkcije dobijene iz interferograma onda bolje slažu sa faktorom oblika senzora.

[0042] Poželjno uređaj za snimanje ima najmanje jedan optički senzor. On može biti CCD senzor ili CMOS senzor. Pomoću tog senzora se može detektovati interferogram reflektovanog zračenja sa mernog objekta. Pored senzora uređaj za snimanje obuhvata optiku, koja je smeštena i objektivu i ima makar jedno sočivo. Sočivo odn. objektiv uređaja za snimanje može, kao što je prethodno objašnjeno, biti predviđeno ispred odn. iza difrakcionog uređaja.

[0043] Naročito su za mobilnu primenu difrakcioni uređaj, širing element i uređaj za snimanje montirani na zajedničkom, mobilnom nosaču. Mobilni nosač može npr. da bude kamera ili kućište kamere. Širing element i difrakcioni uređaj može naročito da bude ugrađen ispred ili iza objektiva u kameri. Pritom dodatno izvor svetlosti i eventualno ekspanziono sočivo mogu da budu postavljeni na istom mobilnom nosaču. Na ovom mobilnom nosaču na njemu montirani elementi mogu međusobno biti nepomično fiksirani tako da je podešavanje širografskog uređaja pre upotrebe moguće, a tokom upotrebe nije više neophodno. Smer (razmak i/ili međusobni ugao) između difrakcionog uređaja, širing elementa i uređaja za snimanje se određuje pre merenja. Tokom merenja su elementi nepomični jedan u odnosu na drugi i ne vrši se kalibriranje tokom merenja. Aksijalni smer širing elementa i difrakcionog uređaja oko optičke ose objektiva može doduše da varira.. Tako širing element i difrakcioni uređaj mogu zajedno da se okreću oko optičke ose objektiva za 90°. Ovo može biti naročito relevantno za vrstu defekta koji je neophodno izmeriti. Defekti mogu biti različito orijentisani. Okretanjem širing elementa i difrakcionog uređaja mođe da se vrši prekrivanje interferograma u x-smeru ili u y-smeru. Čak i kod takvog okretanja međusobni razmak između elemenata može ostati nepromenjen. Na primer je moguće da se okretanje širing elementa i difrakcionog uređaja izvrši motorno tako da merni objekat može ispitivati defekte i u x-smeru i u y-smeru, a da pritom nije potrebno manuelno operisanje rasporedom. Ovo naročito može biti relevantno u mobilnoj upotrebi.

[0044] Pomoću širografskog uređaja se može detektovati više interferograma u vremenskom nizu. Interferogrami mogu biti u međusobnoj korelaciji i može se dobiti širogram. Kod korelacije se na primer fazna informacija oba interferograma može koristiti i ova fazna informacija se jednostavnim oduzimanjem može međusobno korelirati.

[0045] Naročito difrakcionim uređajem se informacija intenziteta odvaja od fazne informacije u spektralnom segmentu. Odgovarajućim odabirom otvora difrakcionog uređaja i/ili širing elementa i/ili razmaka difrakcionog urežaja od širing elementa i/ili mernog objekta i/ili odgovarajućim podešavanjem razmaka između difrakcionog uređaja i uređaja za snimanje se spektralne informacije intenziteta i faze mogu razdvojiti tako da se u spektralnom segmentu pomoću odgovarajućeg filtera fazne informacije dobijaju iz spektra. Naročito otvor difrakcionog uređaja, npr. prečnik otvora kao i širing ugao širing elementa mogu imati značajni uticaj na spektralnu raspodelu interferometara, a time i mogućnost da se pomoću odgovarajućih filtera dobije odvajanje faznih informacija od pozadinskih informacija. Za to se predlaže da se od interferograma napravi spektralna funkcija. Za to je naročito pogodno sredstvo Furijeova transformacija. U spektralnom segmentu se filter na spektralnu funkciju može primeniti tako da preostaje isključivo fazna informacija iz spektograma a informacija o pozadinskom intenzitetu se na primer otklanja.

[0046] Interferogram i posle maskiranja može biti transformisan u lokalni segmnt. Ovo se može vršiti pomoću inverzne Furijeove transformacije. Za pikselno određivanje fazne informacije se arkus tangens imaginarnog dela povratno transformisanog interferograma može utvrditi deljenjem sa realnim delom povratno transformisanog interferograma. Za određivanje relativne faze se na primer vrši pikselno oduzimanje fazne informacije oba interferograma, naročito kod različitih stanja opterećenosti. Druge metode da se obe fazne informacije stave u međusobni odnos su moguće npr. sabiranjem.

[0047] Obračunata relativna promena faza je modulo 2π savijena i podložna je šumu. Za eliminsanje šuma se nefiltrirani širogram poželjno rastavlja u sinus i kosinus funkciju. Oba dela se odvojeno filtriraju odgovarajućim filterom, poželjno niskopropusnim filterom naročito filterom srednje vrednosti ili medijana filterom. Nakon odvojenog filtriranja oba rešenja vrši se računanje arkus tangens funkcije tako što se sinus rešenje deli kroz kosinus rešenje. Relativna diferncija faza se dobija na osnovu različitih opterećenja između oba interferograma i približno prikazuje istezanje mernog objekta, naročito prvi gradijent preoblikovanja u širing smeru. Mesto defekta dovodi do varijacije u istezanju koja se integracijom, naročito numeričkom integracijom može preračunati u informaciju za preoblikovanje. Tako je moguće detektovanje istezanja i/ili preoblikovanja mernog objekta između opterećenog i neopterećenog stanja i tako se lokalno promenjenim istezanjem odn. lokalno promenjenim preoblikovanjem može zaključiti gde je defektno mesto.

[0048] Prvi interferogram se u prvom stanju opterećenosti (npr. neopterećen) detektuje, a drugi interferogram se detektuhe u drugom stanju opterećenosti. Stanje opterećenosti se može aktivirati različitim podsticajima mernog objekta. Merni objekat se naročito može podstaći statički, induktivno, optički, dinamički hidrostatički. Optički podsticaj se može vršiti laserom ili toplotnim zračenjem.

[0049] Kao što je već objašnjeno, pomični npr. mobilni nosač može nositi širografski uređaj. Nosač je onda mntiran na platformi za inspekciju, naročito dronu. Naročito u oblasti vetroelektrana dron može biti leteći dron. Pomoću letećeg drona se na primer vetroelektrana, njene elise prilikom održavanja i inspekcije mogu makar nakon dostave i montaže ispitati bez smetnji.

[0050] Za neposrednu analizu rezultata ispitivanja je moguće montiranje komunikacionog uređaja za bežični prenos slika sa uređaja za snimanje i/ili za rezultate analize uređaja za analizu.

[0051] Prenos se tom prilikom može vršiti preko WLAN mreže, Bluetooth-a, ZigBee-a ili slično. Pomoću platforme za inspekciju je takođe moguće ispitivanje krovova zgrada, na primer stadiona, tržnih centara ili slično. Tornjevi ili mostovi takože za kratko vreme mogu da se ispitaju na platformi za inspekciju pomoću širografskog uređaja. Provera se pritom može vršiti u realnom vremenu jer je fazna informacija odn, iz nje izvedene informacije o istezanju i preoblikovanju postoje u realnom vremenu. Moraju se snimiti samo dva interferograma kako bi se iz toga pomoću ovde opisanih metoda dobila informacija o istezanju odn. pomeranju mernog objekta. Izračunavanje se poželjno vrši numerički i dovodi do toga da se pomoću uobičajenih računara u skoro realnom vremenu dobijaju merni rezultati.

[0052] Uređaj za snimanje pritom može biti refleksna kamera sa uobičajenim sočivom. Nije neophodno opsežno podešavanje ili upravljanje komponentama.

[0053] Optimizovanim korišćenjem širing elementa i difrakcionog uređaja se prinos zračenja optimizuje. Iz tog razloga se u skladu sa dodatnim aspektom predlaže da izvor svetlosti ne prelazi ukupni učinak laserske klase 1, 1M, 2, 2M ili 3R po DIN EN 60825-1:2008-05.

[0054] Uz pomoć predmetnog širografskog uređaja je moguć prostorni fazni pomak. On omogućava dobijanje mernih rezultata u realnom vremenu. Izračunavamjem fazne informacije pomoću međukoraka preko filtriranja u spektralnom segmentu je moguće naročito brzo dobijanje fazne informacije. Ukoliko se vrši maskiranje fazne informacije, naročito kao što je opisano, iz oba interferograma se istezanje može izračunati u realnom vremenu. Neophodna su samo dva snimka odn. dva interferograma istog mernog objekta u različitim stanjima opterečenja.

[0055] Moguće je ostaviti određenu referntnu sliku odn, određeni interferogram u međumemoriji računara. Nakon toga se može vršiti transformacija u spektralni segment, naročito pomoću Furijeove transformacije. Naknadno maskiranje i transformacija unazad je sa novim računarima vrlo jednostavna, tako da se aktuelni snimak u deliću sekunde može obraditi i fazna informacija određenog snimka je dostupna. Korelacijom dva snimka, naročito dve fazne informacije iz interferograma se informacije o istezanju mogu dobiti vrlo jednostavno.

[0056] Naknadno je objašnjen predmet na osnovu oblika izvođenja na slikama. Na slikama je

prikazano:

Slika 1 šematski raspored predmetnog širografskog uređaja;

Slika 2 drugi šematski raspored predmetnog širografskog uređaja;

Slika 3a prvi širing element u skladu sa jednim oblikom izvođenja ;

Slika 3b drugi širing element u skladu sa oblikom izvođenja;

Slika 4 širografski uređaj na zajedničkom nosaču

Slika 5 korišćenje predmetnog širografskog uređaja

Slika 6a šematski tok postupka za detektovanje širograma

Slika 6b spektralna distribucija interferograma kružnog difrakcionog uređaja

Slika 7 numerička interpretacija detektovanog širograma

[0057] Slika 1 pokazuje širografski uređaj 2 za nedestruktivno ispitivanje materijala 4. Predmetni širografski uređaj 2 obuhvata izvor 6 svetlosti, na primer laser, naročito laser od laserskih dioda, koji na primer pri talasnoj dužini od 650 nm zrači koherentnim svetlom. Svetlosni zrak 8 se pomoću optimalnog ekspanzionog sočiva 10 provodi na materijal 4. Reflektovani svetlosni zraci 8 sa materijala 4 se susreću sa difrakcionim uređajem 12, na primer blendom 6 sa otvorom u vidu proreza. Prelomljeni svetlosni zrak se preko širing elementa 14, u kojem se vrši nastajanje neznatno međusobno pomerenih slika mernog objekta, i optike 16, na primer objektiva, naročito sočiva susreče sa fotosenzorom 18, na primer CMOS senzorom. Interferogram detektovan fotosenzorom 18 se čuva pomoću uređaja 20 za analizu i korelira sa dodatnim interferogramima kako bi se dobio širogram.

[0058] Suštinski je kod predmetnog rasporeda to da je širing element u neposrednoj putanji zraka između fotosenzora 18 i difrakcionog uređaja 12 i da se svetlosni zrak 8 na širing element 14 na prelama na manje od četiri granične površine. Ovo dovodi do optimizovanog svetlosnog prinosa na fotosenzoru 18, tako da se detektovane slike mogu neposredno koristiti za sastavljanje širograma.

[0059] Slika 2 prikazuje dodatni oblik izvođenja širografskog uređaja 2, koji se od širografskog uređaja 2 u skladu sa slikom 1 razlikuje naročito po tome što su i difrakcioni uređaj 12 kao i širing element 14 postavljeni iza objektiva 16 uređaja za snimanje. Otkriveno je da putanja zračenja svetlosnih zraka 8 reflektovane zrake sa materijala 4 najpre provodi kroz difrakcioni uređaj 12 i širing element 14, a nakon toga se preko objektiva 16 odn. sočiva mogu provesti do fotosenzora 18 ili što objektiv 16 može biti postavljen između materijala 4 i difrakcionog uređaja 12. I jedno i drugo dovodi do dovoljno dobrog svetlosnog prinosa za sastavljanje interferograma u segmentu uređaja 20 za analizu.

[0060] Drugačije nego kod uobičajenih Majklson interferomeatara je širing element 14 prikazan na slikama 3a i 3b izveden tako da može da izađe na kraj bez delimično reflektujuće površine.

Svetlosni zraci 8 prolaze kroz širing element 14 tako da se na samo dve granične površine vrši prelamanje svetla.

[0061] Slika 3a pokazuje biprizmu kao širing element 14, koji je pogodan da aktivira prostorni fazni pomak svetlosnih zraka 8. Na fotosenzoru 18 je svetlosni prinos relativno visok jer u širing elementu 14 nije predviđena delimično reflektujuća površina, koja svetlosno zrak provodi do ogledala, koje je postavljeno izvan širing elementa 14, kao što je slučaj kod uobičajenih Majklson interferometara.

[0062] U skladu sa slikom 3a se svi svetlosni zraci koji dolaze do fotosenzora 18, koje su reflektovani od strane sa materijala 4 pomoću difrakcionog uređaja 12, transmituju kroz širing element 14. Širing element 14 je biprizma.

[0063] Nije doduše moguće da širing element 14, kao na primer što je prikazan na slici 3b, prelama samo delove svetlosnih zraka 8 a da ostali delovi svetlosnih zraka 8 neprelomljeno dopiru do fotosenzora 18. Na slici 3b je širing element 14 na primer optički klin. Može se prepoznati da se prvi kroz difrakcioni uređaj transmitovani svetlosni zrak 8 prelama od strane širing elementa 14, a drugi svetlosni znak neprelomljeno od difrakcionog uređaja 12 može dopreti do fotosenzora 18. I ovako nastaju dve neznatno pomerene slike mernog objekta u ravni prikaza.

[0064] Kombinacijom difrakcionog uređaja 12 sa širing elementom 14 je moguće spektralno rastavljanje interfeograma. Slika 6 prikazuje primer toka postupka za sastavljanje širograma. Tom prilikom se najpre vremenski jedan za drugim detektuju dva interferograma 22a, 22b pomoću širografskog uređaja 2. Interferogrami 22s, 22b, predstavljaju spekle mustru posmatranog materijala 4, pri čemu prvi interferogram 22a predstavlja materijal 4 u neopterećenom stanju, a drugi interferogram 22b materijal 4 u opterećenom stanju.

[0065] Naknadni koraci 24-28 se mogu sprovesti neposredno nakon obrade određenog interferograma 22a, 22b ili nakon što su oba interferograma 22a, 22b sastavljena.

[0066] Odgovarajućim podešavanjem Freznelovog broja na difrakcionom uređaju 12, naročito <20 i >3 se dobija dovoljan kvalitet širograma. Pogodno širenje spektrograma se naročito postiže odgovarajućim difrakcionim uređajem i odgovarajućim širing elementom, kao što će naknadno biti pokazano. Tako se razmak između difrakcionog uređaja 12 i fotosenzora može podesiti u zavisnosti od Freznelovog broja i prečnika blende.

[0067] Oba interferograma 22a, 22b se prevode u spektralne funkcije 24a, 24b. Ovo se vrši tako što se interferogrami iz lokalnog segmenta transformišu u segment frekvencije. Ovde je naročito pogodna Furijeova transformacija koja, ukoliko su interferogrami u digitalnom obliku 22a, 22b mogu i numerički da se izvrše kao FFT. Dobijene spektralne funkcije 24a, 24b imaju centralni maksimum i dva susedna maksimuma, kao što je prikazano na slici 6b. Razmak između centralnog maksimuma i oba lokalna maksimuma se dobija širing iznosom na širing elementu 14 kao i talasna dužina korišćenog lasera. Maksimum 30 je reprezentativan za intenzitet pozadine interferograma 22a, 22b pri čemu oba lokalna maksimuma 32a, 32b sadrže tražene fazne informacije.

[0068] Nakon što su izračunate spektralne informacije 24a, 24b je pomoću odgovarajućeg filtera moguće naročito maskiranje jednog od lokalnih maksimuma 32a, 32b, na primer korišćenjem pojasno propusnog filtera, koji oko centralne frekvencije jednog od lokalnih maksimuma 32a, 32b sprovodi maskiranje. Pomoću filtera se tako fazna informacija može odvojiti od pozadinskog intenziteta.

[0069] Time su dostupne maskirane spektralne funkcije 26a, 26, koje se nakon toga lokalno transformišu unazad i dostupni su interferogrami 28a, 28b.

[0070] U lokalnom segmentu se fazne informacije izračunavanjem arkus tangensa imaginarnog dela dele kroz realni deo inverzno transformisanog interferograma.

[0071] Inverzno transformisani interferogrami, naročito njihove fazne informacije mogu međusobno da koreliraju, naročito obrazovanjem diferencije faza. Diferentna slika je željeni širogram 34. Ovo se može vršiti kao što je prethodno opisano.

[0072] Ovaj širogram 34 sadrži relativnu faznu razliku između materijala 4 u neopterećenom stanju i materijala 4 u opterećenom stanju (ili obrnuto). Iz ove relativne fazne razlike se, kao što je prikazano na slici 7, pomoću 1D, 2D ili 3d demodulacije (unwrapping) odrediti prostorno istezanje. Na osnovu ovih varijacija istezanja se defektna mesta na materijalu 4 ne mogu detektovati samo na njegovoj površini već i ispod površine. Ponašanje tokom istezanja je različito naročito u segmentima defektnih mesta. Integracijom informacije o istezanju, naročito numeričkom integracijom se može utvrditi deformacija na materijalu 4.

[0073] Neophodni računski koraci za dobijanje širograma 34 se u roku od nekoliko sekundi mogu izvršiti modernim računarima tako da dve interferograma 22a, 22b koji su vremenski detektovani jedan za drugim mogu neposredno međusobno da se koreliraju i da se dobiju u širogramu 34 u realnom vremenu, odn. iz njega određene informacije o istezanju i preoblikovanju, kao što je prikazano na slici 7.

[0074] Ova naročito brza mogućnost evaluacije pruža mogućnost da se širografski uređaj 2 primenjuje u mobilnim platformama za inspekciju. Ovde je prednost ukoliko je širografski uređaj 2 montiran na mobilnom nosaču 36. Na mobilnom nosaču 36 je smešten izvor svetlosti 6, difrakcioni uređaj 12, širing element 14 kao i uređaj za snimanje, naročito objektiv 16 i fotosenzor 18. Nadalje može biti predviđen uređaj 20 za evaluaciju koji skladišti makar detektovane interferograme 22a, 22b i eventualno ih prenosi bežično. Ovo je prikazano na slici 4.

[0075] Na nosaču 36 ugrađene komponente mogu međusobno biti fiksirano raspoređene. I ekspanziono sočivo 10 kao i spektralni filter mogu biti predviđeni ispred difrakcionog uređaja 12 i/ili senzora 18. Spektralnim filterom se može postići da se samo zraci sa frekvencijom izvora svetlosti, naročito frekvencijom lasera, dopru do senzora 18.

[0076] Širografski uređaj 2 se može usmeriti na nosaču 36, a naročito se mogu podesiti razmaci između difrakcionog uređaja 12, širing elementa 14 kao i fotosenzora 18. Jednom izvršeno podešavanje onda može ostati statično i mobilni nosač 36 se na primer može montirati na mobilnoj platformi za inspekciju.

[0077] Takva mobilna platforma za inspekciju je u obliku letećeg drona 38 prikazana na slici 5.

[0078] Leteći dron 38 je podoban za inspekciju vetroelektrane 40. Pomoću letećeg drona 38 se na primer može preleteti oko elisa rotora vetroelektrane 40 i pomoću širografskog uređaja 2 se može izvršiti ispitivanje materijala elisa rotora. Prenosom interferograma 22a, 22b odn. dobijenog interferograma 34 sa letećeg drona 38 na računar 42, naročito bežično, rezultati inspekcije se skoro u realnom vremenu mogu prikazati na monitoru. Ovo omogućava neposrednu reakciju na rezultate merenja i eventualne detaljne provere na mogućim defektnim mestima pomoću letećeg drona 38.

[0079] Podrazumeva se da širografski uređaj ne može da se instalira samo na nosaču, kao na primer dronu, već i na drugim primenama, npr. industrijskom uređajima, građevinama itd. Ispitivanje materijala može npr. da bude montirano na proizvodnoj traci i tokom proizvodnje vršiti automatsko ispitivanje.

[0080] Predmetnim širografskim uređajem je moguće ispitivanje materijala skoro u realnom vremenu. Svetlosni prinos je znatno poboljšan u odnosu na uobičajene širografske uređaje, tako da laseri sa niskim učinkom zračenja mogu biti dovoljni. Prostorni fazni pomak omogućava korelacija dva uzastopna interferograma kako bi se dobile informacije o istezanju odn. preoblikovanju materijala. Kompaktni raspored širografskog uređaja omogućava njegovu instalaciju na mobilnom nosaču, naročito platformi za inspekciju, kao na primer dronu. Bežični prenos detektovanih interferograma odn. na platformi za inspekciju već izračunatih širograma, omogućava kontrolu mernih rezultata u skoro realnom vremenu.

Spisak pozivnih oznaka

[0081]

2 širografski uređaj

4 materijal

6 izvor svetlosti

8 svetlosni zrak

10 ekspanziono sočivo

12 difrakcioni uređaj

14 širing element

16 objektiv

18 fotosenzor

20 uređaj za evaluaciju

22a, b interferogram

24a, b spektralna funkcija

a, b maskirana spektralna funkcija a, b maskirani interferogram pozadinski intenzitet

a, b fazna informacija

širogram

mobilni nosač

leteći dron

vetroelektrana

kompjuter

Claims (15)

PATENTNI ZAHTEVI

1. Širografski uređaj sa,

- mobilnim nosačem

- koherentnim izvorom (6) svetlosti,

- optičkim difrakcionim uređajem (12) za difrakciju zračenja emitovanog sa izvora (6) svetlosti i reflektovanog sa mernog objekta, i

- prijemni uređaj (18) za detektovanje zračenja transmitovanog difrakcionim uređajem (12) od izvora (6) svetlosti,

pri čemu,

- je između difrakcionog uređaja (12) i prijemi uređaja (18) postavljen širing element (14) tako da se makar prvi deo kroz difrakcioni uređaj (12) transmitovanog, od prijemnog uređaja (18) detektovanog zračenja izvora svetlosti (6) prelama na manje od četiri granične površine širing elementa (14),

naznačen time, što

- su difrakcioni uređaj (12), širing element (14) i prijemni uređaj (18) montirani na mobilnom nosaču tako da

- su poravnanje i razmak između difrakcionog uređaja (12), širing elementa (14) i prijemnog uređaja (18) tokom merenja konstantni, i

- da se širing element (14) i difrakcioni uređaj motorički mogu rotirati oko optičke ose objektiva

2. Širografski uređaj prema zahtevu 1, naznačen time

- što je širing element (14) raspoređen tako da se makar prvi deo zračenja izvora svetlosti (6) transmitovanog kroz difrakcioni uređaj (12), detektovanog uređajem (18) za snimanje prelama na dve granične površine širing elementa (14)

3. Širografski uređaj prema zahtevu 1 ili 2, naznačen time

- što je širing element (14) biprizma, i/ili

- što je širing element (14) optički klin.

4. Širografski uređaj prema jednom od navedenih zahteva, naznačen time što

- je širing element (14) raspoređen tako da se makar drugi deo zračenja izvora svetlosti (6) transmitovanog kroz difrakcioni uređaj (12), detektovanog uređajem (18) za snimanje detektuje širing elementom (14) a de ne dolazi do prelamanja od strane uređaja za snimanje (18).

5. Širografski uređaj prema jednom od prethodnih zahtevam naznačen time

- što je difrakcioni uređaj blenda sa kružnim otvorom, blenda sa trakastim otvorom ili optička rešetka.

6. Širografski uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time

- što uređaj za snimanje (18) ima makar jedan optički senzor, naročito CMOS senzor i podešen je da snimi interferogram zračenja reflektovanog sa mernog objekta.

7. Širografski uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time

- što je uređaj (20) za evaluaciju podešen tako da korelira dva interferograma detektovana jedan za drugim i obrazuje širogram.

8. Širografski uređaj prema zahtevu 7, naznačen time

- što je uređaj (20) za evaluaciju podešen da interferogram uređaja (18) za snimanje transformiše u spektralnu funkciju i što filter maskira spektralnu funkciju.

9. Širografski uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time

- što je nosač mobilna platforma za inspekciju, naročito dron, naročito leteći dron.

10. Širografski uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time

- što je postavljen uređaj za komunikaciju za bežični prenos slika uređaja (18) za snimanje i/ili rezultata evaluacije uređaja (20) za evaluaciju.

11. Širografski uređaj prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time

- što izvor (6) svetlosti ima laser sa maksimalnim učinkom laserske klase 1, 1M, 2 ili 2M po DIN EN 60825-1:2008-05.

12. Postupak za nedestruktivno ispitivanje materijala pomoču širografije kod kojeg se

- merni objekat ozračuje koherentnim izvorom (6) svetlosti,

- zračenje reflektovano sa mernog objekta se prelama u difrakcionom uređaju (12) - prelomljeno zračenje na širing uređaju se prelama na manje od četiri granične površine širing elementa (14) i nakon toga uređaj (18) za snimanje sastavlja interferogram difrakcionog, prelomljenog zračenja, naznačen time što

- se difrakcioni uređaj (12), širing element (14) i uređaj (18) za snimanje montiraju na zajedničkom, mobilnom nosaču tako da su smer i razmak između difrakcionog uređaja (12), širing elementa (14) i uređaja (18) za snimanje tokom merenja konstantni i

- što se širing element (14) i difrakcioni uređaj motorički rotiraju oko optičke ose objektiva uređaja (18) za snimanje.

13. Postupak prema zahtevu 12, naznačen time što

- se interferogram transformiše u spektralnu funkciju, naročito

- da se spektralna funkcija maskira filterom, naročito

- da se maskirana spektralna funkcija inverzno transformiše.

14. Postupak prema zahtevu 13, naznačen time

- što se najmanje dve inverzno transformisane spektralne funkcije međusobno koreliraju i dobija se širogram.

15. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva 12 do 14, naznačen time,

- što makar dva interferograma bivaju detektovana mobilnom platformom za inspekciju i što se interferogrami i/ili širogrami bežično prenose sa platforme za inspekciju.