Erfassung von Wärmebildern eines Objekts

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts. Eine solche Vorrichtung weist eine Anregungseinheit zur mechanischen Anregung des Objekts mit einem periodischen Anregungssignal auf. Des Weiteren weist die Vorrichtung eine Kamera zur Er- fassung der Wärmebilder des Objekts auf.

Die Erfassung von Wärmebildern wird auch als Thermographie bezeichnet. Die Thermographie ist ein bildgebendes Verfahren, das Infrarotstrahlung sichtbar macht. Die von einem Objekt ausgesendete Infrarotstrahlung kann als Temperaturverteilung interpretiert werden. Dafür wandelt eine Wärmebildkamera die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (Infrarotlicht) des Objekts mit Hilfe von Spezialsensoren in elektrische Signale um, die leicht verarbeitet werden können. Der Begriff Thermographie wird meist als Synonym für den Begriff Infrarotthermographie verwendet. Problematisch bei der Erfassung von Wärmebildern eines mit einem periodischen Anregungssignal angeregten Objekts ist, dass heutzutage verfügbare Wärmebildkameras nur eine begrenzte Bildfolgerate (engl.: frame rate) aufweisen, typischerweise im Bereich zwischen 50 Hz bis 1000 Hz. Dadurch wird die Anwendbarkeit dieser Technik beschränkt.

Die EP 1 582 867 A2 offenbart ein Fehlererkennungssystem, welches Wärmebilder einer mit Schall- bzw. Ultraschallenergie erregten Struktur auswertet. Das System beinhaltet einen Wandler zur Einkopplung eines Schallsignals in die Struktur. Das Schallsignal bewirkt die Erwärmung von Fehlern in der Struktur. Eine Wärmebildkamera erfasst ein Bild der durch das Schallsignal erwärmten Struktur.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erfassung von Wärmebildern eines Objekts zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts mit einer Anregungseinheit zur mechanischen Anregung des Objekts mit einem periodi- sehen Anregungssignal, mit einer Kamera zur Erfassung der Wärmebilder des Objekts, wobei ein Wärmebild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, und wobei ein Pixel jeweils zur Darstellung eines vom Objekt erfassten Wärmesignals vorgesehen ist, und mit Mitteln zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts und dem periodischen Anregungssignal derart, dass aus in einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale während einer Periode ermittelbar sind.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts, mit folgenden Schritten:

Mechanische Anregung des Objekts mit einem periodischen Anregungssignal, - Erfassung der Wärmebilder des Objekts, wobei ein Wärmebild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, wobei ein Pixel jeweils ein vom Objekt erfasstes Wärmesignal darstellt, wobei die Erfassung der Wärmebilder des Objekts und die mechanische Anregung mit den periodischen Anregungssignalen derart abgestimmt werden, dass aus in einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale während einer Periode ermittelbar sind.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Periodizität der mechanischen Anregung eines Objekts auf neuartige Weise auszunutzen um die begrenzte Bildfolgerate einer Kamera zur Erfassung von Wärmebildern zu kompensieren. Der Vorteil der me- chanischen Anregung mit einem periodischen Anregungssignal ist, dass die durch die mechanische Anregung angeregten thermischen Antworten des Objekts sich im Wesentlichen während jeder Periode des periodischen Anregungssignals wiederholen. Um Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln eines Wärmebilds dargestellten Wärmesignale, welche vom Objekt ausgesandt werden, während einer Periode zu ermitteln, genügt es somit, das entsprechende Wärmesignal während einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals zu jeweils entsprechend gewählten Zeitpunkten zu erfassen und auszuwerten. Um das zu ermöglichen, werden erfindungsgemäß die Erfassung der Wärmebilder des Objekts und das periodische Anregungssignal miteinander abgestimmt. Dies ermöglicht deutlich höhere Frequenzen des periodischen Anregungssignals, und eröffnet damit völlig neue Anwendungsfelder eines solchen Verfahrens .

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bein- halten die Informationen einen Verlauf des Wärmesignals während einer Periode des periodischen Anregungssignals. Dies bietet den Vorteil, dass ein Verlauf der Wärmesignale bestimmbar ist, obwohl die Bildfolgerate der Kamera im Vergleich zur Frequenz des periodischen Anregungssignals niedrig ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beinhalten die Informationen eine Amplitude und eine Phase der Wärmesignale. Dies bietet insbesondere Vorteile in Anwendungsfällen, in denen der genaue Verlauf eines Wärmesignals nicht von Bedeutung ist, sondern Informationen zur Amplitude bzw. zur Phase des Wärmesignals ausreichen.

Vorteilhafterweise ist die Kamera zur Erfassung einer Sequenz der Wärmebilder des Objektes vorgesehen. Eine solche Sequenz umfasst insbesondere eine genügende Anzahl an Wärmebildern, um die Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale während einer Periode des periodischen Anregungssignals ermitteln zu können.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Auswertungsmittel zur Ermittlung der Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesig- nale während einer Periode vorgesehen. Solche Auswertungsmittel umfassen beispielsweise Rechner.

Die Mittel zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts und dem periodischen Anregungssignal sind vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass sie eine Impulsgebereinheit zur Erzeugung von Abtastimpulsen aufweisen, wobei die Kamera und die Impulsgebereinheit derart miteinander gekoppelt sind, dass die Erfassung eines der Wärmebilder durch einen der Abtastimpulse auslösbar ist. Damit wird die zeitlich exakte Auslösung der Kamera zur Erfassung der Wärmebilder ermöglicht.

Dies wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung insbesondere dafür ausgenutzt, dass für eine jeweils spätere Periode des Anregungssignals ein Abtastimpuls mit einer gegenüber einem für eine jeweils frühere Periode des Anregungssignals generierten Abtastimpuls kontinuierlich steigenden Verzögerung generierbar ist. Der Effekt dieser verzögerten Abtastung ist, dass so über den Zeitraum von mehreren Perioden des Anregungssignals unterschiedliche Abschnitte des jeweiligen Wärmesignals erfasst werden und ausgewertet werden können. Dabei ist dieser Abtastimpuls nach jeweils einer oder nach jeweils einem Vielfachen von Perioden des Anregungssignals generierbar, abhängig von der Ausgestaltung der Erfindung.

Um weitergehende Aussagen bezüglich des Objekts treffen zu können, sind gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Auswertungsmittel zur Bestimmung von Frequenzanteilen der Wärmesignale vorgesehen. Damit lassen sich insbesondere Grundfrequenzanteile und Anteile höherer Harmonischer bestimmen.

Die Vorteile der Erfindung kommen gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung derselben insbesondere zum Tragen, wenn das periodische Anregungssignal eine Frequenz zwischen 2 kHz und 200 kHz, insbesondere eine Frequenz im Ultraschallbereich, aufweist.

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich insbesondere zur Fehlererkennung, zur Messung von mechanischen Spannungen und/oder zur Ermüdungsanalyse eines Objekts einsetzen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschreiben und erläu- tert.

Es zeigen:

FIG 1 eine Vorrichtung zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts in schematischer Darstellung,

FIG 2 ein periodisches Anregungssignal sowie dadurch hervorgerufene Wärmesignale,

FIG 3 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm,

FIG 4 die Erfassung eines Wärmesignals über mehrere Perioden,

FIG 5 eine Parameterbestimmung mittels Lock-in-Technik,

FIG 6 die Erfassung eines Wärmesignals, und

FIG 7 ein resultierendes Signal bei Anwendung der Lock-in- Technik.

Die thermographische Untersuchung eines periodisch angeregten Objekts stellt eine Menge an verschiedenen Informationen über das jeweilige Objekt zur Verfügung. Die Weiterentwicklung der Technik hängt hauptsächlich von der Verfügbarkeit von schnellen und empfindlichen Wärmebildkameras, insbesondere Infrarotkameras, ab. Typische Anwendungen sind die Fehlererkennung mit akustischer Thermographie, die Messung von Spannungsver- teilungen als auch die Ermüdungsanalyse eines Objekts. Für jede dieser Anwendungen sind gemäß dem Stand der Technik unterschiedliche Messsysteme erforderlich. Die Bildfolgerate von kommerziell erhältlichen Kameras ist typischerweise im Bereich zwischen 50 Hz und 1000 Hz (komplettes Einzelbild) . Dies begrenzt die Anwendbarkeit der Technik. Für die im Folgenden beschriebenen Untersuchungsmethoden existieren bisher keine zufriedenstellenden Lösungen.

Für die nicht zerstörende Prüfung mittels akustischer Thermo- graphie muss sichergestellt sein, dass die maximale mechanische Belastbarkeit eines Objekts an keiner Stelle des Objekts überschritten wird. Allerdings ist es bis jetzt nicht möglich, die Spannungsverteilung für Anregungen im oberen Audio- bereich (einige kHz) bis hin in den Ultraschallbereich mit Infrarotkameras zu messen und darzustellen.

Sowohl die Größe als auch die Morphologie von Rissen bestimmen deren Auffindbarkeit. Insbesondere für geschlossene Risse ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei der akustischen Thermo- graphie oft zu klein, so dass diese Fehler mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Überprüfung nicht gefunden werden. Eine Lock-in-Technik, basierend auf der Anregungsfrequenz (z. B. 20 kHz), würde die Detektierbarkeit erheblich verbes- sern. Allerdings sind die verfügbaren Bildfolgeraten von handelsüblichen Infrarotkameras nicht geeignet, um das Wärmesignal im Ultraschallbereich aufzulösen.

Die thermographische Lebenszeitvoraussage basierend auf einer periodischen Belastung ist ebenso limitiert durch die verfügbare Bildfolgerate der Infrarotkamera. Eine maximale Anregungsfrequenz von ungefähr 30 Hz ist bisher bekannt. Des Weiteren kann diese Technik nicht ohne weiteres auf alle Testobjekte angewendet werden, sondern ist nur bei entsprechend gestalteten Testobjekten verfügbar.

Das Kernproblem ist somit die limitierte Bildfolgerate von Infrarotkameras. Die momentan erreichbare maximale Frequenz für Hochgeschwindigkeitskameras im Vollbildmodus beträgt ungefähr 1000 Hz. Wenn beispielsweise jede Periode des Wärmesignals mit N=IO Abtastungen pro Periode aufgelöst werden soll, beträgt die maximale mechanische Anregungsfrequenz 100 Hz.

Im Folgenden werden die erforderlichen Komponenten und Techniken für eine frequenzaufgelöste akustische Thermographie- anwendung beschrieben. Ein schematischer Systemaufbau einer Vorrichtung zur Erfassung von Wärmebildern eines Objekts 1 wird in FIG 1 gezeigt. Die Vorrichtung weist eine Anregungseinheit 2 zur mechanischen Anregung des Objekts 1 mit einem periodischen Anregungssignal auf. Eine Kamera 3 dient zur Erfassung der Wärmebilder des Objekts 1. Ein Wärmebild weist eine Vielzahl von Pixeln auf. Ein Pixel dient jeweils zur

Darstellung eines vom Objekt 1 erfassten Wärmesignals 8. Die Vorrichtung weist Mittel 4 zur Abstimmung der Erfassung der Wärmebilder des Objekts 1 und dem periodischen Anregungssignal auf. Die Mittel 4 weisen eine Impulsgebereinheit 6 zur Erzeugung von Abtastimpulsen, im Folgenden auch stroboskopi- sche Signale genannt, auf. Es gibt unterschiedliche Wege, das stroboskopische Signal zu generieren:

Ein Mikrokontroller wird derart programmiert, dass er Abtastimpulse mit zunehmender Verzögerung bereitstellt. - Eine speziell entwickelte elektronische Schaltung mit

Hardwarekomponenten (Zähler, Zeitgeber mit Verzögerungsfunktion) .

Kommerziell verfügbare Plug-in-Schaltungen für Rechner, mit Zähler, Zeitfunktion und Verzögerungsfunktion.

Gemäß dem in FIG 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das durch die Anregungseinheit 2 an das Objekt 1 abgegebene Anregungssignal in einem Generator 7 generiert. Jede bekannte Art der Anregung im akustischen Bereich oder im Ultraschallbereich kann benutzt werden (z. B. elektromagnetische Anregung, Piezoschwinger, Ultraschallreinigungsbäder, Elektromagnetische Ultraschall-Wandler (EMAT = Electro Magne- tic Acoustic Transducer) , etc.). Die Erfassung der Wärmebilder des Objekts 1 und die mechanische Anregung mit dem periodischen Anregungssignal werden derart abgestimmt, dass aus in einer Vielzahl von Perioden des periodischen Anregungssignals erfassten Wärmebildern Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale 8 während einer Periode ermittelbar sind. Mit Auswertungsmitteln 5 werden die Informationen bezüglich der jeweils von den Pixeln dargestellten Wärmesignale 8 wäh- rend einer Periode ermittelt.

Für die aufgenommenen Wärmesignale 8 wird eine Nachverarbeitung für jedes einzelne Kamerapixel durchgeführt. Sowohl die Fourieranalyse als auch die Lock-in-Technik sind Methoden, um den Beitrag (Amplitude und Phase) sowohl der Grundfrequenz als auch der höheren Harmonischen sowie jedem weiteren relevanten Frequenzanteil zu bestimmen. Die erforderliche Nachverarbeitung hängt von der jeweiligen Anwendung ab.

FIG 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines periodischen Anregungssignals 20. Des Weiteren sind der thermoelastische Anteil 21 eines Wärmesignals, welches von einem durch das Anregungssignal 20 angeregten Objekt ausgesandt wird, sowie der thermoplastische Anteil 22 des Wärmesignals schematisch dar- gestellt. Die vom Objekt abgestrahlten Wärmesignale stellen die thermischen Antworten auf die periodische Anregung dar. Die Skalierung der waagerechten Zeitachsen ist jeweils gleich, um einen Vergleich der dargestellten Signale zu bestimmten Zeitpunkten zu erleichtern.

Der Frequenzanteil mit der Frequenz f _s beruht auf dem so genannten thermoelastischen Effekt und ist anwendbar zur Bewertung der lokalen Spannung. Der thermoelastische Effekt ist eine Umkehrung der bekannten thermischen Ausdehnung und ver- ursacht das periodische Aufheizen und Abkühlen des Objekts.

FIG 3 zeigt ein typisches Spannungs-Dehnungs-Diagramm für ein zyklisch angeregtes Objekt. Dabei ist die mechanische Span- nung σ (Ordinate 30) über der Dehnung ε (Abszisse 31) aufgetragen. Mit dem Bezugszeichen 32 ist eine linear elastische Spannungs-Dehnungs-Kurve bezeichnet, mit dem Bezugszeichen 33 eine schematische elastisch-plastische Spannungs-Dehnungs- Kurve. Die elastisch-plastische Spannungs-Dehnungs-Kurve 33 weist eine Hysterese auf.

Alle höheren Harmonischen des Wärmesignals beruhen auf dem nichtlinearen mechanischen Verhalten des Testobjekts, welches sich in einer Hysterese der Spannungs-Dehnungs-Beziehung bemerkbar macht. Dieser thermoplastische Effekt ist nicht umkehrbar und verursacht einen Temperaturanstieg sowohl in der Druck- als auch in der Spannungsphase der Anregung. Daher weist das Wärmesignal einen Frequenzanteil mit doppelter Grundfrequenz f _s , zusätzlich höhere Harmonische und einen mit der Zeit fortschreitenden Temperaturanstieg auf.

Für metallische Objekte ist dieser Effekt - im Gegensatz zu Kunststoffen - typischerweise sehr klein, aber kann trotzdem für bestimmte Materialien, z. B. Stahl, festgestellt werden. Des Weiteren bietet er ein quantitatives Maß für den Ermüdungszustand bestimmter Materialien.

Im Falle eines Risses sind sowohl die höheren Harmonischen als auch das fortschreitende Ansteigen der Temperatur ein lokales Phänomen, welches durch wärmeabstrahlende Effekte an der Rissfront oder der Rissspitze verursacht wird (Reibung, Dämpfung, plastische Verformung) .

FIG 4 zeigt ein zu erfassendes periodisches Wärmesignal 42, dessen Stärke (Ordinate 40) über die Zeit (Abszisse 41) aufgetragen ist. Eine Periode des Wärmesignals 42 ist mit dem Bezugszeichen 45 bezeichnet. Die zyklische Erfassung des Wärmesignals 42 erfolgt mit einer Periodendauer 44. Mit dem Be- zugszeichen 43 ist die Integrationszeit t _x der Kameraerfassung (im Folgenden auch Bildaufnahmezeit t _x genannt) bezeichnet. Der jeweils durch die Kamera erfasste Bereich des Wärmesignals 42 ist mit Kreisen 46 markiert. Für jede folgende Periode des Anregungssignals mit einer Frequenz f _s wird ein Auslöseimpuls für die Kamera mit einer kontinuierlich steigenden Verzögerung Δt generiert. Falls die maximale Bildfolgerate der Kamera nicht hoch genug ist, kann dieser Auslösepuls auch jeweils für ein Vielfaches von Perioden des Anregungssignals generiert werden. So wird beispielsweise bei einer Ultraschallfrequenz von 20 kHz und einer Bildfolgerate der Kamera von 1 kHz nur für jede zwanzigste Ultraschallperiode ein Trigger für die Kamera ausgelöst. Abhängig von der erforderlichen zeitlichen Auflösung wird eine Anzahl N dieser Abtastimpulse benötigt, um eine komplette Periode des Infrarotssignals abzutasten und zu rekonstruieren. Die stroboskopischen Abtastimpulse werden dabei mit dem Anre- gungssignal synchronisiert. Die das stroboskopische Signal beschreibenden Parameter sind Anregungsfrequenz f _s und Anzahl N von Abtastungsintervallen für eine Periode und die entsprechende resultierende ansteigende Zeitverzögerung Δt . Die Bildaufnahmezeit t _x muss entsprechend angepasst werden.

FIG 5 zeigt die Messung von Amplitude und Phase eines Wärmesignals mittels der so genannten stroboskopischen Lock-in- Technik. Die Signalstärke (Ordinate 50) eines Wärmesignals 52 ist über die Zeit (Abszisse 51) aufgetragen. Mit dem Bezugs- zeichen 53 wird die Integrationszeit t _x der Kamera bezeichnet. Die Periodendauer t _a der Erfassung wird mit dem Bezugszeichen 54 bezeichnet, die Periodendauer t _s des Signals mit dem Bezugszeichen 55. Gemäß dem in FIG 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Wärmesignal 52 während der Zeitab- schnitte 57, 58, 59 und 60 erfasst. Der erfasste, über die

Integrationszeit 53 integrierte Wert des Wärmesignals 52 während des Zeitabschnitts 57 sei A. Entsprechend sei der während des Zeitabschnitts 58 integrierte Wert als B, während des Zeitabschnitts 59 als C und während des Zeitabschnitts 60 als D bezeichnet. Die Verzögerung der Erfassung bezüglich des Wärmesignals ist mit dem Bezugszeichen 56 bezeichnet und weist den Wert Δt auf. Für Δt = t _s /4 ergibt sich Folgendes: Amplitude = (1/4) * (A - C) Phase = 0

Für einen beliebigen Wert Δt ergeben sich folgende Beziehun- gen :

Amplitude = (1/4) * SQRT ((A - C) ² + (B - D) ² ) Phase = arctan ((B - D) / (A - C) )

FIG 6 zeigt das resultierende Signal 66, welches den Verlauf des Wärmesignals 65 während einer Periode des periodischen Anregungssignals annähert.

FIG 7 zeigt das resultierende Signal 70, welches bei der Er- fassung eines Wärmesignals mittels der im Zusammenhang mit FIG 5 beschriebenen Lock-in-Technik auftritt.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen neue Möglichkeiten der akustischen Thermographie zur Verfü- gung, bei welchen die Erfassung und die Verarbeitung des Frequenzanteils des Wärmesignals für Frequenzen bis in den Ultraschallbereich erfolgen. Um ein solches Signal aufzulösen, wird eine stroboskopische Technik vorgeschlagen. Eine nachfolgende Analyse stellt die Frequenzanteile des Signals für jedes einzelne Pixel der Bildsequenz zur Verfügung.

Die Grundfrequenz als auch die höheren Harmonischen werden dabei für verschiedene Anwendungen verwendet:

1. Bestimmung von lokalen Spannungen bei periodischer Anregung.

Es ist möglich, die Spannungsverteilung eines zyklisch beaufschlagten Testobjekts für Frequenzen bis in den Ultraschall- bereich zu visualisieren und quantitativ zu bestimmen. Der dafür verwendete Frequenzanteil ist die Grundfrequenz f _s . 2. Fehlererkennung

Diese Anwendung basiert auf den höheren Harmonischen (2f _s , 3f _s , etc.)- Abhängig von den eingestellten Parametern verbes- sern sich das Signal-Rausch-Verhältnis und somit auch die Wahrscheinlichkeit der Fehlererkennung im Vergleich zu bekannten Techniken. Je höher die verwendeten Frequenzen, desto niedriger ist die Unscharfe der Fehlererkennung durch thermische Diffusion. Das ermöglicht eine genauere Lokalisierung und Größenbestimmung von Defekten.

3. Thermographische Lebenszeitvoraussage

Auch hier werden die höheren Harmonischen (2f _s , 3f _s , etc.) genutzt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden teure, unbewegliche Untersuchungsaufbauten sowie die Erfordernis von speziell geformten Testobjekten vermieden. Somit können reale Testobjekte durch Ankoppeln eines Anregungssignals untersucht werden. Des Weiteren wird die Untersuchungszeit deutlich re- duziert, da die verwendete Anregungsfrequenz deutlich höher sein kann.

Für die drei beschriebenen Anwendungen ist lediglich ein einziger experimenteller Aufbau nötig (siehe FIG 1) . Das vorge- schlagene Verfahren stellt einen vollständigen Datensatz der thermischen Antwort eines periodisch belasteten Testobjekts zur Verfügung. Allein durch Wahl des jeweiligen Frequenzanteils wird entschieden, welche Anwendung selektiert wird.