Quantitative analysis and defect assessment using infrared thermographic approaches

Abstract

The subject matter of the present dissertation is the study of different active thermographicapproaches, evaluating their effectiveness and reliability to operate as stand-aloneinspection techniques, producing a complete characterisation of the test-piece in terms ofqualitative and quantitative assessment.For the implementation of an active thermographic inspection, the test object is excitedthrough the aid of an external energy source and the spatial-temporal variations on thesurface temperature distribution are sequentially recorded. Thermographic analysis isbased on the identification of thermal contrasts on the investigated surface, while theproduced detectability can be further enhanced by the subsequent elaboration of theacquired signal.The present dissertation focused on the study of different active thermographicapproaches evaluating their effectiveness and reliability to operate as stand-aloneinspection techniques through the providing of a complete characterisation of the test-piecein terms of qualitative and quantitative assessment. More specifically in this research work,initially laminated Carbon Fibre Reinforced composites (CFRPs) were investigated bymeans of Pulsed Thermography (PT) aiming to the acquisition of qualitative (internaldefects identification) and quantitative information (depth of the internal defects), while thesecond case study evaluated the performance of Cooling Down Thermography (CDT) toreveal the presence of hidden mosaic artefacts beneath a covering intervention procedureand provide information regarding the mosaic location, thickness and thermal properties.The quantification procedures used to acquire the required information were based onexclusively experimental data in the former case (PT), while quantification in the latter case(CDT) was performed through the simultaneous conduction of numerical and experimentalstudies and the correlation of the produced results in a three steps methodology.The general conclusion of this study is that active thermal imaging can be successfullyapplied for the structural integrity assessment of different materials and structures, acting asa useful tool able to provide a sufficient internal detectability and/or quantitative estimations

Το αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αφορά στη διερεύνηση της αποτελεσματικότητας και της αξιοπιστίας διαφορετικών προσεγγίσεων ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου για τη λήψη αποτελεσμάτων σε σχέση με τον ποιοτικό έλεγχο υποεπιφανειακών περιοχών ενδιαφέροντος και την ανάκτηση πληροφοριών για τον ποσοτικό χαρακτηρισμό τους.Κατά την εκτέλεση ενός ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου, το υπό εξέταση σώμα διεγείρεται θερμικά με τη χρήση μιας εξωτερικής πηγής ενέργειας και κατά τη διάχυση της θερμότητας στο εσωτερικό του, η χωρική και χρονική μεταβολή της επιφανειακής θερμοκρασίας καταγράφονται σε μια ακολουθία θερμικών εικόνων. Η ερμηνεία και η ανάλυση των αποτελεσμάτων βασίζεται στον εντοπισμό επιφανειακών θερμοκρασιακών διαφορών, ενώ πρόσφατες εξελίξεις στην ανάλυση θερμογραφικών δεδομένων επιτρέπουν την παρακολούθηση του φαινομένου αυτού, μελετώντας διαφορετικές πληροφοριακές παραμέτρους από αυτή της μεταβολής της θερμοκρασίας.Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη δύο διαφορετικών ενεργητικών θερμογραφικών τεχνικών, διερευνώντας την αποτελεσματικότητα τους ως αυτόνομες τεχνικές ελέγχου, παρέχοντας έτσι έναν ολοκληρωμένο χαρακτηρισμό του υπό εξέταση στόχου μέσω της ποιοτικής και ποσοτικής αποτίμησης του. Συγκεκριμένα, πολύστρωτα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ανθρακονήματα, εξετάστηκαν με την τεχνική της Παλμικής Θερμογραφίας για την ανίχνευση εσωτερικών αποκολλήσεων και την εκτίμηση του βάθους στο οποίο αυτές βρίσκονται. Στη συνέχεια, ο ενεργητικός θερμογραφικός έλεγχος εφαρμόστηκε με την τεχνική καταγραφής της σταδιακής πτώσης της θερμοκρασίας για την ανίχνευση επικαλυμμένων με επίχρισμα ψηφιδωτών και την ανάκτηση ποσοτικών πληροφοριών όσον αφορά τη θέση της ψηφοθετημένης επιφάνειας, το πάχος του στρώματος ψηφίδων και τον έμμεσο χαρακτηρισμό του υλικού κατασκευής αυτών, μέσω της εκτίμησης των θερμικών ιδιοτήτων τους. Η ποσοτική προσέγγιση πραγματοποιήθηκε μέσω αποκλειστικά πειραματικών αποτελεσμάτων στην πρώτη περίπτωση, ενώ η ανάκτηση ποσοτικών πληροφοριών στην δεύτερη περίπτωση περιελάμβανε την παράλληλη διεξαγωγή υπολογιστικών και πειραματικών διερευνήσεων, με στόχο τη συσχέτιση των ανακτώμενων αποτελεσμάτων.Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι ο ενεργητικός θερμογραφικός έλεγχος μπορεί να εφαρμοστεί επιτυχώς στην αποτίμηση της δομικής ακεραιότητας υλικών και κατασκευών, παρέχοντας ενισχυμένη ανιχνευσιμότητα σε εσωτερικές ατέλειες και ικανοποιητικές εκτιμήσεις για τον ποσοτικό χαρακτηρισμό τους.