DE19838858A1 - Vorrichtung und Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charakterisierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charakterisierung, insbesondere zur Defekterkennung mittels der Thermografie, wobei eine zu untersuchende Probe einer Anregungsquelle ausgesetzt wird zur Aufnahme von Anregungsenergie und in Erwiderung darauf zur Abgabe von Anregungsenergie, wobei die von der Probe abgegebene Anregungsenergie lokal über die Probenoberfläche ortsaufgelöst unter Erzeugung von Infrarotbildern der Oberfläche gemessen wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung, insbesondere zur Materialprüfung mittels Thermografie, mit einer Anregungsquelle, ei­ ner zweidimensional abbildenden und auflösenden Bildaufnahmevorrichtung, und einer mit der Bildaufnahmevorrichtung gekoppelten Bildbearbeitungseinrichtung.

In der gewerblichen Praxis werden für die zerstörungsfreie Materialprüfung bisher im wesentlichen zwei thermografische Verfahren angewendet: die gepulste Thermografie und die Lock-In-Thermografie.

In beiden Verfahren wird das zu prüfende Werkstück thermisch angeregt, und die Ober­ flächentemperatur wird von einer Thermokamera aufgezeichnet, um Bilder von unter­ halb der Oberfläche vorhandenen Fehlern zu erhalten.

Die gepulste Thermografie arbeitet mit Blitzimpuls von einer Dauer von wenigen Millise­ kunden, wobei nacheinander erhaltene Bilder gespeichert werden, um je nach ihrer Tiefe zu verschiedenen Zeiten als örtliche Temperaturschwankungen (thermische Kon­ traste zwischen fehlerfreien und fehlerhaften Bereichen) an der Oberfläche erscheinen­ de Fehler kenntlich zu machen.

Die Lock-In-Thermografie arbeitet mit einer über die Zeit in Sinusform modulierten thermischen Erregerquelle mit Aufzeichnung mehrerer Bilder und anschließender Be­ rechnung nach der Fourier'schen Transformation des zeitlichen Temperaturverlaufs für jedes einzelne Pixel.

Da in diesem Falle die thermische Anregung einen sinusförmigen Verlauf hat, zeigt auch die Oberflächentemperatur einen sinusförmigen Verlauf, wobei jedoch Amplitude und Phase in Abhängigkeit von thermischen Eigenschaften des Materials und damit vom Vorhandensein von Fehlern unter der Oberfläche variieren.

Auf diese Weise werden somit zwei Bilder erzeugt, namentlich ein Amplitudenbild und ein Phasenbild.

Das Amplitudenbild ist beeinflußt durch Unterschiede in der Emissivität der Oberfläche, durch nicht gleichförmige Erwärmung der Oberfläche und durch die Ausrichtung dersel­ ben, während das Phasenbild diesen Einflüssen nicht unterliegt und dadurch den Erhalt eines mühelos zu interpretierenden Fehlerbilds ermöglicht.

Von konstanten thermischen Quellen hervorgerufene Reflexionen werden im Phasen­ bild zwar eliminiert, durch die für die thermische Erregung verwendete modulierte ther­ mische Quelle hervorgerufene Reflexionen erzeugen jedoch starke Störungen, welche allein durch Unterdrücken der Reflexion, z. B. mittels Filtern, eliminiert werden können.

Die Tiefe von auf diese Weise erkennbaren Fehlern ist abhängig von der Art des Mate­ rials und von der Modulationsfrequenz: niedrigere Frequenzen vermögen eine größere Tiefe zu erreichen.

Für die Berechnung der Phasen- und Amplitudenbilder ist ein vereinfachter Algorithmus anwendbar, wobei es jedoch darauf ankommt, daß die thermische Quelle mit höchster Genauigkeit in Sinusform moduliert wird.

Die zumeist verwendete thermische Quelle besteht aus einer oder mehreren Lampen; wenn es sich bei der erforderlichen sinusförmigen Modulation dabei bei der Lampe um ein nicht lineares System handelt, d. h. wenn die sinusförmige Modulation der Eingangs­ spannung keine sinusförmige Modulation der Ausgangsstrahlung erzeugt, ist für die Er­ regerquelle ein Kalibriersystem erforderlich, mittels dessen sich bestimmen läßt, welche Form die Eingangsspannung haben muß, um am Ausgang die gewünschte sinusförmi­ ge Modulation zu erhalten. Diese Kalibrierung muß für jede einzelne thermische Quelle und für jede zur Anwendung vorgesehene Frequenz vorgenommen werden, was zu ei­ nem beträchtlichen Zeitaufwand führt.

Ein mit einem Infrarotsensor und konstanter thermischer Laseranregung arbeitendes, bisher jedoch nur im Labor angewendetes zerstörungsfreies Prüfverfahren ist unter der Bezeichnung TRIR (Time Resolved Infrared Radiometry) bekannt.

Das TRIR-Verfahren arbeitet mit einer Laserquelle für die Erwärmung des Materials zur Aufspürung von Fehlern oder zur Berechnung von Eigenschaften wie die thermische Effusivität.

Anfänglich eignete sich das TRIR-Verfahren allein für die Messung an jeweils einem einzigen Punkt. Vor einiger Zeit wurde eine zweidimensionale Version des TRIR- Verfahrens vorgeschlagen, welche mit einer Laserquelle und einer Thermokamera ar­ beitet (R. Osiander, J. W. Spicer, J. C. Murphy, "Time-resolved Infrared Radiometry for Subsurface Interface Imaging", Progress in Natural Science, suppl. Vol. 6, Dec. 1996). Dabei werden Bilder, die für eine Probe zu einem Zeitpunkt unmittelbar nach Beginn der Bestrahlung erhalten werden, zur Berechnung einer Konstante verwendet, welche dann zur Normung von später erhaltenen Bildern dient.

Die zweidimensionale TRIR ist jedoch ein relativ aufwendiges Verfahren, bei dem eine stufenförmige Intensitätsänderung der Beleuchtung durch einen Laser notwendig ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vereinfachtes und effizienteres Verfahren und ebensolche Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charak­ terisierung zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein eingangs genanntes Verfahren, das sich dadurch auszeichnet, daß zu unterschiedlichen Zeitpunkten unabhängig von einer eventuellen Zeitabhängigkeit der Aussendung von Anregungsenergie durch die Anregungsquelle wenigstens drei Bilder aufgenommen und miteinander verglichen werden, wobei wenigstens zwei Bilder zu einer Zeit während und/oder nach dem Aus­ setzen der Probe der Anregungsenergie aufgenommen werden, und wobei aus den drei oder mehr Bildern zwei unterschiedliche Differenzen aus jeweils zwei Bildern gebildet werden, die zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.

Weiter wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst durch eine eingangs genannte Vorrichtung, die sich dadurch auszeichnet, daß die Bildbearbeitungseinrichtung Mittel enthält, wenigstens drei, zu unterschiedlichen Zeitpunkten unabhängig von einer eventuellen Zeitabhängigkeit der Aussendung von Anregungsenergie durch die Anre­ gungsquelle aufgenommene Bilder miteinander zu vergleichen, wobei wenigstens zwei Bilder zu einer Zeit während oder nach dem Aussetzen der Probe der Anregungsener­ gie aufgenommen werden, und wobei aus den drei oder mehr Bildern zwei unterschied­ liche Differenzen aus jeweils zwei Bildern gebildet werden, die zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.

Die Erfindung besitzt den Vorteil, daß auf relativ einfache Weise Reflexionen an der Probe und räumliche Inhomogenitäten in der Anregungsenergie eliminiert werden kön­ nen. Außerdem ist es möglich, die Tiefe der Störstellen einfach durch Bestimmung der Zeit der Bilderfassung für die späteren Bilder nach dem Einschalten der Anregungsquel­ le zu ermitteln. Außerdem gestattet das erfindungsgemäße Verfahren die Verwendung beliebiger Anregungsquellen, die weder gepulst noch harmonisch oszillierend sein müs­ sen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung in bezug auf die begleitenden Zeich­ nungen näher erläutert und beschrieben sind.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 2 einen Graphen, der den zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur zweier unterschiedlicher Bereiche des untersuchten Teils zeigt.

Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt.

Eine Thermokamera 1, vorzugsweise ein Brennebenenfeld FPA (Focal Plane Array), ist auf ein zu untersuchendes Werkstück 2 gerichtet. Eine Wärmequelle 3, im vorliegenden Fall eine gewöhnliche Lampe von angemessener Stärke, ist so angeordnet, daß sie die Oberfläche des Werkstücks erwärmt.

Die Thermokamera ist mit einem Rechner 4 verbunden, welcher in der Lage ist, die von ihr gelieferten Bilder aufzuzeichnen und zu verarbeiten. Der Rechner ist außerdem in der Lage, das Einschalten der Lampe zu steuern, sowie auch den Beginn der Bilder­ zeugung, welche unmittelbar vor Beginn der thermischen Erregung des Werkstücks einsetzen muß.

Bei Verwendung einer Lampe als Wärmequelle, wenn eine konstante Erwärmung ge­ wünscht ist, empfiehlt sich die Abschirmung derselben mittels einer Blende 5. In diesem Falle wird die Blende nach dem Einschalten der Lampe und deren Erwärmung zu einem Zeitpunkt t₀ geöffnet, wodurch sich vermeiden läßt, daß die Lampe das Werkstück wäh­ rend ihrer Erwärmung mit einer nicht konstanten Stärke bestrahlt. Bei Anwendung einer Intensitätsänderung der Bestrahlung, beispielsweise in Form einer Stufenfunktion mit F(t) = 0 für t < t₀ und F(t) = F₀ für t < t₀ wird das Prüfstück vom Zeitpunkt t₀ an auf kon­ stante Weise erwärmt.

Kurz vor oder unmittelbar auf den Zeitpunkt t₀ folgend beginnt der Rechner die Akquisi­ tion der von der Thermokamera gelieferten Bilder.

Die kontinuierliche Erwärmung des Prüfstücks und die Akquisition der Bilder können über eine längere Zeitspanne (z. B. einige Minuten) fortgesetzt werden, wobei die Stärke der Wärmequelle zu Beginn oder während der Erwarmung so einzustellen ist, daß keine übermäßig hohen Temperaturen erreicht werden, bei denen die Gefahr besteht, daß das Material geschädigt wird oder unerwünschte Konvektionserscheinungen auftreten. Zu diesem Zweck ist in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ein Rheostat 6 vorgesehen. Ein im Prüfstück vorhandener Fehler ist mit 7 bezeichnet.

Je größer die Dauer der Messung ist, um so größer ist die Tiefe, in welcher Fehler auf­ gespürt werden können.

Fig. 2 zeigt in grafischer Darstellung den Verlauf der Oberflächentemperatur T über die Zeit t bei Bestrahlung des Werkstücks durch eine konstante Wärmequelle.

Das Vorhandensein eines Fehlers in einer bestimmten Tiefe bewirkt einen örtlichen Verlauf 8 der Oberflächentemperatur, welcher vom Temperaturverlauf 9 in einem fehler­ freien Bereich verschieden ist und je nach Art des Fehlers zu einer tieferen oder höhe­ ren Temperatur führt.

A_p ist ein von der Thermokamera kurz vor Beginn der Erwärmung der Probe aufge­ nommenes Bild, das Reflexionen der Umgebung und Inhomogenitäten in der Proben­ temperatur vor dem Beginn der Erwärmung wiedergibt. A₀ ist ein Bild, das unmittelbar nach dem Zeitpunkt t₀, zu dem mit der Erwärmung der Probe begonnen wird, aufge­ nommen wird.

A₁, A₂ . . . A_n sind von der Thermokamera zu den Zeitpunkten t₁, t₂. . . t_n erfaßte Bilder. Wenn nun j < i, dann enthält das Bild A_j Informationen über Fehler, welche in größerer Tiefe liegen als im Bild A_i aufgezeigte, so daß man hier von einer echten thermischen Tomografie sprechen kann.

Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Punkten der Oberfläche beruhen auch auf einer nicht gleichmäßigen Erwärmung der Oberfläche.

Um die Auswirkungen einer quer verlaufenden Wärmeleitung zu begrenzen, ist eine möglichst gleichmäßige Erwärmung anzustreben.

Die von der Thermokamera erfaßten Bilder müssen in geeigneter Weise aufbereitet werden, um die Auswirkungen einer nicht gleichmäßigen Bestrahlung, Ungleichmäßig­ keiten der Oberflächenemissivität, der Ausrichtung der Oberfläche und möglicher Refle­ xion von Strahlung von konstanten Wärmequellen zu eliminieren.

Diesem Problem kann in der Weise begegnet werden, daß man die mit einem Stufen- oder Rechteckimpuls arbeitende thermische Erregung als die Summe von verschiede­ nen sinusförmigen Signalen von verschiedenen Frequenzen betrachtet, um auf dieser Basis eine Fourier-Analyse des zeitlichen Temperaturverlaufs für jedes einzelne Pixel auszuführen und auf diese Weise die Amplitude und Phase bezüglich der in Frage kommenden Harmonischen zu ermitteln und schließlich ein Phasenbild zu rekonstruie­ ren, welches dann sämtliche Vorteile des Phasenbilds der Lock-In-Thermografie bietet.

Im folgenden ist nun ein anderes Verfahren erläutert.

Bezeichnet man das von der Thermokamera erzeugte und auf ein bestimmtes Pixel mit den Koordinaten x und y bezogene Signal mit S(x,y,t), dann kann gesagt werden, daß

S(x,y,t) = C(x,y)E(x,y,t) + R(x,y) (1)

worin C(x,y) eine Konstante ist, welche von der räumlichen Verteilung der von der Lam­ pe ausgehenden Strahlung, der Oberflächenemissivität und der Ausrichtung der Ober­ fläche abhängig ist, E(x,y,t) die Stärke der im theoretischen Fall einer gleichmäßigen Erwärmung und gleichförmiger Oberflächenemissivität von der Oberfläche emittierten Infrarotstrahlung angibt, und R(x,y) den Anteil der von konstanten Wärmequellen verur­ sachten Reflexion bezeichnet.

Es gibt die verschiedensten Möglichkeiten, C und R aus dem Signal S(x,y,t) auszu­ scheiden, welche jedoch in jedem Falle zu einer Subtraktion zweier Bilder für die Elimi­ nierung von R und zu einer Division für die Eliminierung von C führen.

Sofern die Abwesenheit von Reflexionen gewährleistet ist, kann das Verfahren auf eine Division allein beschränkt bleiben, wobei die genannten Operationen in jedem Falle für jedes Pixel einzeln durchzuführen sind.

Für den Fall daß die Wärmequelle nicht als konstant angesehen werden kann, wohl je­ doch die räumliche Verteilung der Strahlung, läßt sich die Konstante C in der folgenden Weise ausdrücken:

C(x,y,t) = K(x,y)F(t) (2).

Die Unabhängigkeit des Ergebnisses von den raumlichen Koordinaten x und y läßt sich in jedem Falle durch eine Division zweier Bilder erzielen. Die zeitliche Abhängigkeit des erhaltenen Ergebnisses steht der Erkennung von Fehlern und internen Strukturen des Materials nicht im Wege. In diesem kommt es jedoch darauf an, durch zeitlich nicht konstante Quellen hervorgerufene Reflexionen zu vermeiden.

Wie aus Vorstehendem hervorgeht, ist es bei Abwesenheit von Reflexionen, welche durch die zum Erwärmen des Prüfstücks verwendete Wärmequelle hervorgerufen wer­ den, nicht unbedingt notwendig, daß die verwendete Wärmequelle über die Zeit absolut konstant ist. Eine nur annähernd konstante thermische Erregung, die in jedem Falle re­ lativ einfach zu bewerkstelligen ist, reicht aus. Es ist jedoch von fundamentaler Wichtig­ keit, daß die räumliche Form der thermischen Erregung konstant ist, d. h. daß die Funk­ tion K(x,y) keinesfalls zeitabhängig ist.

Bezeichnet man die resultierenden Bilder als B_i, dann ist in Abwesenheit von Reflexio­ nen beispielsweise die folgende Berechnungsvorschrift anwendbar:

Eine andere Möglichkeit ist:

Im ersten Falle (3) wird das Bild n unter Bezug auf das erste Bild normiert, wobei mit zu­ nehmendem n nach und nach tiefer liegende Fehler erkennbar gemacht werden. Es ge­ hen jeweils allein die bereits in dem Bild A₀ sichtbaren Fehler im Oberflächenbereich verloren.

Im zweiten Falle (4) werden schrittweise in größerer Tiefe liegende Schichten sichtbar gemacht, wobei jedes Bild in bezug auf das jeweils vorausgegangene normiert wird.

Werden die Bilder angesichts der Abhängigkeit der Temperatur vom reziproken Wert der Quadratwurzel der Zeit in mit dem Quadrat der Zeit ansteigenden Intervallen aufge­ nommen, dann ergibt sich unter Vernachlässigung von Strahlungs- und Kon­ vektionsverlusten ein linearer Temperaturanstieg für einen quasi unendlichen Festkör­ per. Gegebenenfalls vorhandene Fehler werden durch Abweichungen vom linearen Temperaturverlauf erkennbar. Auch eine begrenzte Tiefe des Festkörpers führt zu einer Abweichung von diesem linearen Verlauf.

Im Falle von durch konstante Quellen, einschließlich der für die Erwärmung des Prüf­ stücks verwendeten Wärmequelle, hervorgerufenen Reflexionen ist das folgende Be­ rechnungsschema anwendbar:

oder auch

Die Bedeutung der Ausdrücke (5) und (6) ist im wesentlichen gleich zu den Ausdrücken (3) bzw. (4), mit dem erwähnten Unterschied, daß durch konstante Quellen hervorgeru­ fene Reflexionen eliminiert werden.

Eine andere Möglichkeit ist:

Es gibt selbstverständlich zahlreiche Möglichkeiten, die Bilder für die Gewinnung der in­ teressierenden Daten zu bearbeiten, von denen die vorstehend Genannten lediglich als Beispiele dienen sollen.

Andere Beispiele für das erfindungsgemäße Verfahren beinhalten ein Bild kurz vor dem Beginn des Erwärmungsprozesses aufzunehmen. Dadurch ist es möglich, anfängliche Temperaturinhomogenitäten und Reflexionen sicher zu eliminieren.

Bezeichnet man ein Bild vor dem Beginn des Erwärmungsprozesses mit A_p, und ein unmittelbar nach dem Beginn des Erwärmungsprozesses aufgenommenes Bild mit A₀, und darauf folgend aufgenommene Bilder jeweils mit A₁, A₂, . . . A_n, so sind die nachfol­ genden mathematischen Verfahren zur Bildverarbeitung möglich.

Die Bilder werden wie zuvor jeweils pixelweise bearbeitet. B stellt dabei wieder das sich ergebende Bild dar. Ein weiteres mögliches Bearbeitungsverfahren für die aufgenom­ menen Bilder ist wie folgt:

Eine weitere Möglichkeit zur Bildverarbeitung erfolgt gemäß der Beziehung:

Ganz allgemein läßt sich die Bildverarbeitung darstellen als

wobei i und j bzw. h und k unterschiedliche Zeitpunkte der Bildaufnahme betreffen und zwei Bilder dasselbe Bild sein können.

Die Bildverarbeitung kann auch Summen oder Subtraktionen solcher Ausdrücke für unterschiedliche Werte i, j, h und k enthalten.

Geht man davon aus, daß ein Bild A_p kurz vor dem Beginn des Aufheizprozesses erhal­ ten wird, können die obigen Auswerteverfahren mit Ausnahme auf A_p auf solche Bilder angewendet werden, die während der Aufheizung, ausschließlich nach der Aufheizung oder während und nach der Aufheizung erhalten wurden. Ein Beispiel für eine mathe­ matische Auswertung in diesem Fall für während und nach der Aufheizung erhaltene Bilder wird durch die folgenden Formeln beschrieben:

oder

A_n+1 soll hier das erste Bild nach dem Abschalten der Wärmequelle sein. Es sei hervor­ gehoben, daß der Quotient, der aus den Bildern nach dem Abschalten gebildet wird, von dem Quotienten, der aus den Bildern vor dem Abschalten gebildet wird, subtrahiert wird. Dies schafft den folgenden Vorteil.

B_n+m = DH-AH mit

Bei Defekten während einer Schichtablösung (Delamination) ist der Ausdruck DH sehr groß, während der Ausdruck AH, der sich nach der Abschaltung der Wärmequelle er­ gibt, klein ist. Umgekehrt ist in einem defektfreien Gebiet der Ausdruck DH kleiner und der Ausdruck AH größer. Bei Addition der Werte von DH und AH würde sich für Störstel­ len und defektfreie Stellen im wesentlichen jeweils der gleiche Wert für B_n+m ergeben, wogegen bei Subtraktionsbildung große Unterschiede für B_n+m auftreten.

Nicht nur die Subtraktion oder Addition der Werte von DH und AH wäre möglich, son­ dern auch eine Quotientenbildung DH/AH.

Neben der zuvor beschriebenen Referenzbildung mittels Bildern, die kurz vor bzw. kurz nach dem Einschalten der Wärmequelle erhalten wurden, besteht noch die Möglichkeit, eine Normierung mittels einer defektfreien homogenen Referenzprobe durchzuführen. Hierzu ist es notwendig, daß die relativen Positionen der IR-Kamera, der Wärmequelle und der zu untersuchenden Probe gleichbleibend sind, und daß die Probe die gleiche Gestalt, z. B. eine flache Oberfläche, aufweist. In diesem Fall läßt sich die räumliche Verteilung der Wärme auf der Oberfläche der Probe durch eine Referenzprobenmes­ sung bestimmen. Für die Referenzprobe können eine sehr saubere, rauschfreie Mes­ sung der räumlichen Verteilung der Erwärmungsquelle auf der Oberfläche der Refe­ renzprobe erhalten werden, die zur Normierung der während der wahren Messung er­ haltenen Bildfolge verwendet werden kann, ohne weiteres Rauschen einzuführen und ohne das Auftreten von Problemen durch sehr flach liegende Defekte, die bereits in ei­ nem Bild, das unmittelbar nach dem Einschalten der Wärmequelle aufgenommen wur­ de, sichtbar sein können.

Im Nachfolgenden wird das bearbeitete Referenzbild mit C bezeichnet.

C = A r|p - A r|t-ref

wobei A r|p ein vor dem Einschalten der Wärmequelle aufgenommenes Referenzbild und A r|t-ref ein zu einem bestimmten Zeitpunkt t_ref nach dem Einschalten der Wärmequelle aufgenommenes Bild ist.

Die Referenzprobe kann eine Platte aus homogenem Material und/oder parallelen Sei­ tenflächen sein, die vorzugsweise groß genug ist, das gesamte Bildfeld der Kamera auszufüllen und die vorzugsweise dick genug ist, einen in der Tiefenrichtung als unend­ lich anzusehenden Festkörper zu simulieren. Die Referenzprobe sollt eine hohe und homogene Oberflächenemissivität, eine niedrige thermische Leitfähigkeit und eine ge­ ringe thermische Effusivität aufweisen, um einen gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu schaffen.

Die Zeit t_ref sollte so ausgewählt sein, daß die Messung von A r|t-ref mit einem sehr gu­ ten Signal-zu-Rausch-Verhältnis durchführbar ist. Zur Durchführung der Messung sollte eine geeignete Integrationszeit an der Kamera gewählt werden. Die Integrationszeit, während der der IR-Sensor die von der untersuchten Probe kommende IR-Strahlung integriert, sollte möglichst lang sein, um eine Verringerung des Signal-zu-Rausch- Verhältnisses zu gewähren, jedoch nicht solange, daß der Infrarotsensor in die Sätti­ gung geht. t_ref darf weiterhin nicht so lang sein, daß Einflüsse lateraler Wärmeleitfähig­ keit aufgrund nicht homogener Aufheizung der Probenoberfläche in Erscheinung treten und daß Konvektionseffekte auftreten. Auch zur Aufnahme des nachfolgenden Bildes A r|p sollte eine möglichst lange Integrationszeit verwendet werden, um Rauschen zu verhindern. Man kann den Mittelwert aus mehreren Bildern bilden. Zum Erhalt eines glatten Profils des Referenzbilds C können auch Filter, insbesondere Farbfilter oder nu­ merische Filter, verwendet werden.

Das Referenzbild kann man dazu verwenden, die während der wahren Messungen des zu untersuchenden Gegenstands erhaltenen Bilder zu normieren.

In dieser Beziehung stellt A_p und A_n von der wahren zu untersuchenden Probe erhaltene Bilder dar und B_n ist wiederum das Ergebnis der Bildbearbeitung. Dieses Verfahren er­ laubt nicht den Ausschluß von Veränderungen in der Oberflächenemissivität. Es ist je­ doch geeignet, unterschiedliche Objekte zu untersuchen, solange sie im wesentlichen die Form der Referenzprobe im Untersuchungsfeld aufweisen.

Zur Routineinspektion identischer Bauelemente, für die ebenfalls die relativen Positio­ nen von Kamera, Wärmequelle und Bauelement jeweils gleich sind, kann ein fehlerfrei­ es Bauteil für eine wie oben beschriebene Referenzmessung verwendet werden, und nachfolgend können weitere Bauteile auf Störstellen untersucht werden. Bei Verwen­ dung gleicher, aus demselben Herstellungsprozeß stammender Teile als Referenzpro­ ben, können nicht nur Einflüsse aufgrund inhomogener Aufheizung, sondern auch Effek­ te durch lokale Veränderungen der Oberflächenemissivität und lokale Veränderungen der Oberflächenausrichtung, die bei der vorherigen Verwendung einer Referenzmuster­ probe, mit z. B. ebener Oberfläche, nicht ausgeschlossen werden konnten, eliminiert werden.

Wenn C₀ = A r|p - A r|0 A r|p - A r|0 gilt, wobei A r|0 ein Bild ist, das an einer Referenzprobe unmittelbar nach dem Einschalten der Wärmequelle erhalten wurde, ergeben sich für die zu verschiedenen Zeiten aufgenommenen Bilder folgende Ausdrücke für die Auswertung:

Es werden die inneren Strukturen der Probe sichtbar, wobei die Veränderungen der Oberflächenemissivität und unterschiedliche lokale Oberflächenausrichtungen ausge­ schlossen werden. Natürlich muß die Referenzprobe in diesem Fall, wie oben erwähnt, die gleiche Gestalt und Oberflächenemissivität wie die zu untersuchenden Proben auf­ weisen.

Weiter ist es vorteilhaft, die Bilder der Referenzproben und der zu untersuchenden Ge­ genstände jeweils zu gleichen Zeitpunkten aufzunehmen, und zeitkorrelierte Normierun­ gen durchzuführen. Die fehlerfreien Proben, die als Referenz dienen, werden dabei auf folgende Weise bearbeitet:

C₀ = A r|p - A₀; C₁ = A r|p - A r|1; C₂ = A r|p - A₂; . . . C_n = A r|p - A (18)

Die Werte C₀ bis C_n werden anschließend entsprechend zur Normierung der Differen­ zen

A_p-A₀; A_p-A₁; A_p-A₂; A_p-A_n (19)

verwendet, die jeweils ebenfalls zu Zeiten t₀, t₁, . . . t_n an den wahren, zu untersuchenden Gegenständen durchgeführt wurden.

Dann wird vorteilhafterweise wieder jeweils der Quotient gebildet

um den inneren Aufbau der Bauteile zu erhalten. Es werden alle Bereiche, in denen kei­ ne Unterschiede aufgrund von Defekten zwischen der Probe und der Referenz vorlie­ gen, eliminiert und nur die Störstellen treten in Erscheinung. Dieses Verfahren stellt die Möglichkeit her, eine Qualitätskontrolle auf einfache Weise zu automatisieren.

Die durch die zum Erwärmen des Prüfstücks verwendete Lampe verursachten Reflexio­ nen können auch durch die Verwendung eines Filters vermieden werden, welches in der Lage ist, die von der Lampe emittierte Strahlung in dem von der Thermokamera genutz­ ten Bereich zu eliminieren.

Durch Auswahl von zu verschiedenen Zeiten erhaltenen Bildern ist es möglich, bis zu verschiedener Tiefe in das Material vorzudringen und damit eine dreidimensionale Re­ konstruktion (thermische Tomografie) des inneren Gefüges zu erhalten.

Wichtig sind die Geschwindigkeit, mit welcher die Bilder, insbesondere die Ersten, ge­ wonnen werden, die thermische Sensibilität und ein möglichst niedriger Rauschanteil.

Gegenwärtig auf dem Markt verfügbare Brennebenenfeld (Focal Plane Array (FPA)) Thermokameras haben den herkömmlicher Scanning-Thermokameras beträchtlich überlegene Eigenschaften (niedriges Rauschen, erhöhte Sensibilität und erhöhte Bild-Akquisitionsgeschwindigkeiten, bei den neuesten Ausführungen bis zu 1.400 mal pro Sekunde).

Das Signal kann proportional der Intensität der Wärmequelle verstärkt werden.

Die genaue Messung der Oberflächentemperatur durch die Thermokamera, und damit der Ansatz eines korrekten Koeffizienten für die thermische Emissivität ist angesichts der anschließend erfolgenden Normierung der Bilder nicht übermäßig wichtig.

Anstelle einer mit einer stufenförmigen Intensitätsänderung arbeitenden Erregerquelle kann auch eine Quelle verwendet werden, welche mit einem Rechteckimpuls arbeitet, welcher sich als Summe von Sinusimpulsen mit verschiedenen Frequenzen betrachten läßt. Die Reaktion auf den Rechteckimpuls kann mittels der für jedes Pixel über den zeitlichen Verlauf vorgenommenen Fourier-Transformation analysiert werden; so läßt sich ein Phasenbild allein aus den in dem Impuls vorhandenen Frequenzen konstruie­ ren, oder es können Subtraktionen und Divisionen ausgeführt werden, welche es er­ möglichen, wie vorstehend erläutert, durch konstante Quellen verursachte Reflexionen und durch nicht gleichmäßige Erwärmung, unterschiedliche Emissivität und Ausrichtung der Oberfläche hervorgerufene Auswirkungen zu eliminieren.

In der Praxis können Einzelheiten der Durchführung im Rahmen der Erfindung und somit im Rahmen des beanspruchten Schutzes weitgehend abgewandelt werden.

Die mit konstantem Impuls arbeitende Thermografie bietet gegenüber der gepulsten Thermografie sämtliche Vorteile der Lock-In-Thermografie: Unabhängigkeit von der Oberflächenemissivität, Unempfindlichkeit gegenüber nicht gleichmäßiger Erwärmung und Eliminierung von durch konstante Quellen hervorgerufene Reflexionen.

Gegenüber der Lock-In-Thermografie ergeben sich die folgenden Vorteile:
Es ist nicht notwendig, die Quelle auf die verschiedenen Frequenzen zu kalibrieren.

Es ergeben sich verschiedenen Eindringtiefen entsprechende Bilder, ohne die Messung zu wiederholen.

Durch konstante Quellen, einschließlich der zur Erwärmung des Prüfstücks verwende­ ten Quelle, hervorgerufene Reflexionen können eliminiert werden.

Die für die Gewinnung des Bildes eines Fehlers in einer bestimmten Tiefe notwendige Dauer einer Messung ist erheblich kürzer als bei der Lock-In-Thermografie.

Die Operationen der Subtraktion und Division können an jedem neuen Bild unmittelbar nach seiner Aufnahme durchgeführt werden, um das Ergebnis der Bildbearbeitung be­ reits während der laufenden Messung darzustellen.

Die beträchtlich verkürzte Dauer der Messung ist besonders wichtig für die Ermittlung von tiefliegenden Fehlern in Werkstoffen von niedriger Wärmeleitfähigkeit: Bei einem hölzernen Prüfstück gelang es, mit einer Messung von vier Minuten Dauer bis zu einer Tiefe von 10 mm vorzudringen, während es mit der Lock-In-Thermografie lediglich ge­ lang, bis zu einer Tiefe von 4-5 mm vorzudringen, und das mit einer Messung von ins­ gesamt ca. zehn Minuten (fünf Minuten bis zum Abklingen des Wärmeübergangs und fünf Minuten Dauer für einen Zyklus).

Die Eliminierung von durch konstante Quellen, einschließlich der für die Erwärmung verwendeten, hervorgerufene Reflexionen ist ebenfalls äußerst wichtig, da es in gewis­ sen Fällen aufgrund der Geometrie des zu prüfenden Werkstücks nicht möglich ist, das Auftreten von Reflexionen in Richtung auf die Thermokamera zu vermeiden.

Andere Anwendungsmöglichkeiten sind die Messung der Dicke von Überzügen, die Messung von thermischen Materialeigenschaften, die Bestimmung der Orientierung von Fasern in verschiedenen Tiefen unter Verwendung einer punktförmigen Quelle (Laser) usw.

Gegenüber der eingangs beschriebenen zweidimensionalen Version des TRIR beste­ hen die folgenden wesentlichen Unterschiede:
Das zweidimensionale TRIR-Verfahren arbeitet mit einer Laserquelle zur Gewährlei­ stung einer zeitlich konstanten Emission.

Die Thermografie mit konstantem Impuls ermöglicht die Verwendung von einer oder mehreren Lampen, welche den Vorteil aufweisen, daß sie beträchtlich kostengünstiger sind als ein Laser und eine beträchtlich größere Fläche bestreichen können.

Die zeitlich konstante Emission ist vorteilhaft wenn es darauf ankommt, durch die Erre­ gerquelle hervorgerufene Reflexionen zu eliminieren, sie kann jedoch auf die Zeit­ intervalle begrenzt werden, während welcher die anschließend zu subtrahierenden Bil­ der gewonnen werden.

Eine zeitlich ausreichend konstante Emission kann durch vorzeitiges Aktivieren der Lampen und Abschirmung derselben mittels einer Blende erzielt werden.

Das zweidimensionale TRIR-Verfahren verwendet die aus den ersten Bildern gewonne­ nen Daten zum Berechnen einer umfassenden Konstante für die thermische Effusivität des Oberflächenmaterials, um damit die einzelnen Bilder zu normieren. Auch zu diesem Zweck ist es unbedingt notwendig, eine zeitlich vollkommen konstante Quelle wie z. B. einen Laser zu verwenden.

Die Thermografie nach der vorliegenden Erfindung arbeitet mit einem äußerst einfachen Berechnungsverfahren, welches aus einer einfachen Division zweier Bilder Pixel für Pixel besteht.

Das zweidimensionale TRIR-Verfahren zieht eine Eliminierung der Reflexionen nicht in Betracht, während es die mit konstantem Impuls arbeitende Thermografie ermöglicht, durch konstante Quellen, einschließlich der zum Erwärmen des Prüfstücks verwendeten Quelle, hervorgerufene Reflexionen zu eliminieren.

Im Gegensatz zu der Thermografie mit konstantem Impuls sieht das zweidimensionale TRIR-Verfahren keinerlei Einrichtungen vor, welche es ermöglichen, die Intensität der auf die Oberfläche fallenden Strahlung zu begrenzen, um bei Beobachtungen die Ober­ flächentemperatur niedrig zu halten und damit unerwünschte Konvektionserscheinun­ gen zu begrenzen.

Claims (26)

1. Verfahren zur zerstörungsfreien Materialprüfung und -charakterisierung, insbesonde­ re zur Defekterkennung mittels der Thermografie, wobei eine zu untersuchende Pro­ be einer Anregungsquelle ausgesetzt wird zur Aufnahme von Anregungsenergie und in Erwiderung darauf zur Abgabe von Anregungsenergie, wobei die von der Probe abgegebene Anregungsenergie lokal über die Probenoberfläche ortsaufgelöst unter Erzeugung von Infrarotbildern der Oberfläche gemessen wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zu unterschiedlichen Zeitpunkten unabhängig von einer eventuellen Zeitabhängigkeit der Aussendung von Anregungsenergie durch die Anregungsquelle wenigstens drei Bilder aufgenommen und miteinander verglichen werden, wobei we­ nigstens zwei Bilder zu einer Zeit während und/oder nach dem Aussetzen der Probe der Anregungsenergie aufgenommen werden, und wobei aus den drei oder mehr Bil­ dern zwei unterschiedliche Differenzen aus jeweils zwei Bildern gebildet werden, die zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsquelle Energie mit wenigstens am Ort der Probe zeitlich konstanter relativer räumlicher Ver­ teilung gemäß der Funktion C(x,y,t) = K(x,y) F(t) abgibt, wobei C die räumlich zeitliche Energieverteilung ist, K(x,y) eine zeitlich unveränderliche Formfunktion der Energie­ verteilung und F(t) ein zeitabhängiger Faktor ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungs­ quelle eine Energieanregung in Form einer stufenförmigen Intensitätsänderung oder eines Rechteckimpulses abgibt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Bilder, aus denen die Differenz gebildet wird und die im Nenner der Bildverarbeitung ver­ wendet werden, an einer Referenzprobe erhalten werden und wenigstens zwei Bilder, aus denen die Differenz gebildet wird und die im Zähler verwendet werden, an der zu untersuchenden Probe erhalten werden, wobei im Vergleich zu der Aquisition von Bildern an der zu untersuchenden Probe die gleichen relativen Positionen und Aus­ richtung von Referenzprobe, Anregungsquelle und Bilderfassungsvorrichtung einge­ halten werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzprobe eine Platte aus homogenem Material mit einer homogenen Oberflächenemissivität ist, die eine flache Oberfläche und eine konstante Dicke aufweist, oder ein Körper aus ho­ mogenem Material mit homogener Oberflächenemissivität ist, der eine flache Oberflä­ che aufweist und so dick ist, daß er einem halbunendlichen Körper im Hinblick auf die für die Messung benötigte Zeit gleich kommt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzprobe ein Körper mit zu der zu untersuchenden Probe gleicher Gestalt, der als fehlerfrei erkannt worden ist, verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der als fehlerfrei erkann­ te Körper statistisch aus einer großen Anzahl von untersuchten Körpers ermittelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bildnormierung gemäß einem der nachfolgend aufgeführten Berechnungs­ verfahren durchgeführt wird, wobei A₀ ein Bildaufnahme unmittelbar nach dem Be­ ginn des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie ist, A_p eine Bildaufnahme unmittelbar vor dem Beginn des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie ist, A₁, A₂, A₃, . . . A_n Bildaufnahmen zu einer beliebigen Zeit während des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie sind, und A_n+1, A_n+2, A_n+3, . . ., A_n+m Bildaufnahmen zu ei­ ner beliebigen Zeit nach dem Ende des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie sind, und B₁, B₂, B₃, B₄, . . ., B_n Bildbearbeitungsergebnisse für verschiedene Tiefen in der Probe darstellen:
wobei A_i, A_j, A_n und A_k wenigstens drei unterschiedliche Bilder sind, von denen we­ nigstens zwei zu unterschiedlichen Zeiten während des Aufheizens und eines oder zwei das Bild A_p, das kurz vor dem Beginn des Aufheizens erhalten wird, sein kön­ nen; oder

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei in den genannten Formeln jeder Index um n+1 erhöht ist und lediglich der Index p unverändert bleibt, wobei das Bild A_n+1 unmittelbar nach dem Ende des Aussetzens der Probe der Anregungsenergie ist.

10. Verfahren gemäß den Ansprüchen 8 und 9, wobei gilt
B_n+m = DH - AH oder B_n+m = DH + AH oder B_n+m = DH/AH,
wobei DH ein Bildverarbeitungsergebnis gemäß einer der in Anspruch 8 genannten Formeln für eine Bildbearbeitung von während des Aussetzens der Anregungsener­ gie aufgenommenen Bildern ist, und AH das Ergebnis einer Bildverarbeitung gemäß Anspruch 9 von nach dem Ende des Aussetzens der Anregungsenergie aufgenom­ menen Bildern, mit Ausnahme von A_p, ist; oder
wobei A_a, A_b, A_c und A_d wenigstens drei unterschiedliche Bilder sind, von denen we­ nigstens zwei zu unterschiedlichen Zeiten während und/oder nach dem Aufheizen aufgenommen werden, und eines oder zwei der Bilder das Bild A_p sein kann, das kurz vor dem Beginn des Aufheizens aufgenommen wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle ein oder mehrere Strahlungsemissionsvorrichtungen, ins­ besondere Lampen verwendet werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter zwischen der Energieemissionsvorrichtung und der Oberfläche des untersuchten Gegenstands (2) vorgesehen ist, mit dem die Wellenlänge der Anre­ gungsquelle im Bereich der spektralen Empfindlichkeit einer Bilderfassungsvorrich­ tung herausgefiltert wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende (5) vor der Anregungsquelle (3) vorgesehen wird, die zum Einschal­ ten der Anregung der Oberfläche des untersuchten Gegenstands geöffnet wird, nachdem die Anregungsquelle nach Inbetriebnahme einen stabilen Zustand erreicht hat.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle (3) eine Ultraschallquelle verwendet wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle (3) eine induktiv oder kapazitiv koppelnde Quelle, die In­ duktionsströme, einen Joule-Effekt oder einen kapazitiven Effekt in dem zu untersu­ chenden Gegenstand hervorruft, verwendet wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle (3) eine Warm- oder Kaltluftstrahlen aussendende Quelle verwendet wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Anregungsquelle (3) ein Laser oder eine Mikrowellen abstrahlende Quelle verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistung der Anregungsquelle (3) mittels einer Regeleinrichtung (6) vor oder während der Erwärmung der Probe geregelt wird, um Temperaturüberhöhungen und das Auftreten von Konvektionseffekten zu vermeiden.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsquelle (3) wie auch eine Bildaufnahmevorrichtung (1) auf der glei­ chen Seite der zu untersuchenden Probe (2) angeordnet sind.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsquelle (3) und einer Bildaufnahmevorrichtung (1) an von einander abge­ wandten Seiten der zu untersuchenden Probe (2) vorgesehen sind.

21. Vorrichtung zur zerstörungsfreien Materialprüfung, insbesondere zur Materialprüfung mittels Thermografie, mit einer Anregungsquelle (3), einer zweidimensional abbilden­ den und auflösenden Bildaufnahmevorrichtung (1), und einer mit der Bildaufnahme­ vorrichtung (1) gekoppelten Bildbearbeitungseinrichtung (4), dadurch gekennzeich­ net, daß die Bildbearbeitungseinrichtung (4) Mittel enthält, wenigstens drei, zu unter­ schiedlichen Zeitpunkten unabhängig von einer eventuellen Zeitabhängigkeit der Aussendung von Anregungsenergie durch die Anregungsquelle aufgenommene Bilder miteinander zu vergleichen, wobei wenigstens zwei Bilder zu einer Zeit während oder nach dem Aussetzen der Probe der Anregungsenergie aufgenommen werden, und wobei aus den drei oder mehr Bildern zwei unterschiedliche Differenzen aus jeweils zwei Bildern gebildet werden, die zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende (5) zwi­ schen der Anregungsquelle (3) und der zu untersuchenden Probe (2) vorgesehen ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter zwischen der zu untersuchenden Probe und der Anregungsquelle (3) vorgesehen ist, wobei das Filter im Bereich der spektralen Empfindlichkeit der Bildaufnahmevor­ richtung sperrt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsquelle (3) eine Strahlungsquelle, Ultraschallquelle, elektromagnetisch ein­ koppelnde Quelle, Mikrowellenquelle oder eine Warm- oder Kaltluftstrahlenquelle ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (6) zur Regelung der Leistung der Anregungsquelle (3) vorge­ sehen ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildvergleichseinrichtung Mittel enthält, die geeignet sind, die Verfahren gemäß den Ansprüchen 2 bis 7 durchzuführen.