Laser Doppler vibrometer (LDV) is widely used as a tool for non-contact velocity measurement in aerospace as well as automotive industry because it offers remote operation, high frequency measurement, and high spatial resolution. Due to these benefits, laser Doppler vibrometer (LDV) is also an effective optical sensing tool that can be used for non-destructive evaluation (NDE) applications. Applying point-by-point scanning using LDV can be very effective for vibration analysis of a moving object and for the ultrasonic testing of various structures. This dissertation presents the development of high-speed scanning laser Doppler vibrometer (SLDV) that is optimized and tested for the two real-world applications. Firstly, it meets the demand for a tracking system to apply for the vibration measurement of a rotating object underwater and secondly, it offers high-speed scanning of up to 10 kHz for pulse-echo ultrasonic testing in a novel system called angular scan pulse-echo ultrasonic wave propagation imager (A-PE-UPI). The scanning laser Doppler vibrometer consists of a scanning head, controller unit, and data acquisition (DAQ) system. In vibration measurement system of a rotating object, the scanning head is comprised of Galvanomotor-based mirror scanner and 633 nm helium-neon laser Doppler Vibrometer. Whereas, in angular scan pulse-echo ultrasonic wave propagation imager, scanning head also includes a 1064 nm Q-switched diode-pumped solid state (DPSS) laser for the generation of ultrasonic wave, and optical mirrors to combine the sensing and generation laser beam. The data acquisition was integrated and graphical user interface (GUI) application was developed to perform real-time measurement and result generation.
In addition, the scanning LDV was first tested on an aluminum propeller inside a water tank. Circular scanning function was implemented synchronized with the propeller rotation to track a single point in each revolution. During the implementation phase, the major challenges that were investigated and solved are misalignment between rotational axis and scanning LDV and synchronization between propeller, DAQ, and sensing beam. The bolt impact test was performed on propeller blade at 60 RPM while changing the conditions such as in air and underwater. The results were acquired and processed to observe in both time domain and frequency domain. In all conditions, a good agreement in results was observed in the frequency components for each case.
In addition, this PhD study also presents the integration of scanning laser Doppler vibrometer in angular scan pulse-echo ultrasonic wave propagation imager (A-PE-UPI) development. A-PE-UPI employs pulse-echo method using a sensing and a generation laser beam to obtain the thickness measurement and damage detection of a structure. In this system, raster scan method was implemented in scanning LDV for the scanning of specimen under test using combined sensing and generation laser beams. Multiple damage detection algorithms namely pulse-echo wave propagation imaging (PE-UWPI) and variable time window amplitude map (VTWAM) were implemented in the system to identify damages at a very high scan speed. The main objective in the development of this system was to achieve 10 kHz scan speed and on-the-fly signal processing to produce real-time result visualization. A-PE-UPI was applied on various real-world structures to demonstrate high-speed inspection. A-PE-UPI results produced for the inspection of 160,000 points at 10 kHz scan speed takes only 16 seconds which saves up to 96.3% inspection time as compared to mechanical scanning based linear pulse-echo ultrasonic propagation imaging (L-PE-UPI) system. Moreover, the secondary objective was to enhance the flexibility and portability of the scan head for the localized inspection which was achieved by employing a rotational stage to rotate the mirror scanner for the inspection of angled surfaces. Also, thermal elements were installed in the scan head and the controller to operate A-PE-UPI at challenging low temperature conditions. As for the future works, to enhance the accessibility of A-PE-UPI to perform inspection of in-situ large scale complex structures, a robotic arm will be considered and integrated in to A-PE-UPI.
레이저 도플러 진동 계 (Laser Doppler vibrometer, LDV)는 원격 작동, 고주파 측정 및 높은 공간 분해능을 제공하므로 항공 우주 및 자동차 산업에서 비접촉 속도 측정을위한 도구로 널리 사용됩니다. 이러한 이점으로 인해 LDV는 비파괴 평가 (Non-destructive evaluation, NDE) 응용 프로그램에 사용할 수있는 효과적인 광학 센싱 도구이기도합니다. LDV를 사용하여 점대 점 스캐닝을 적용하면 움직이는 물체의 진동 분석 및 다양한 구조물의 초음파 검사에 매우 효과적 일 수 있습니다. 이 논문은 두 가지 실제 응용을 위해 최적화되고 테스트 된 고속 스캐닝 레이저 도플러 진동계 (Scanning laser Doppler vibrometer, SLDV)의 개발을 제시합니다. 첫째, 수 중에서 회전하는 물체의 진동 측정을위한 추적 시스템에 대한 요구를 충족시키고, 두 번째로는 각도 스캔 펄스 방식이라고 불리는 새로운 시스템에서 펄스 에코 초음파 테스트를 위해 최대 10kHz의 고속 스캔을 제공합니다. 회전 펄스-에코 초음파 전파 이미징 (Angular pulse-echo ultrasonic propagation imaging, A-PE-UPI) 시스템은 스캐닝 레이저 도플러 진동계는 스캐닝 헤드, 컨트롤러 유닛 및 데이터 수집 (DAQ) 시스템으로 구성됩니다. 회전하는 물체의 진동 측정 시스템에서 스캐닝 헤드는 Galvanomotor 기반 미러 스캐너와 633 nm 헬륨 – 네온 LDV로 구성됩니다. 또한, A-PE-UPI 시스템의 스캐닝 헤드는초음파 생성을위한 1064 nm Q-switched 다이오드 펌핑 고체 상태 (DPSS) 레이저와 감지 및 생성 레이저 빔을 결합하는 광학 거울을 포함합니다 . 데이터 수집은 통합되었으며 그래픽 사용자 인터페이스 (GUI) 응용 프로그램은 실시간 측정 및 결과 생성을 수행하도록 개발되었습니다.
스캐닝 LDV는 물 탱크 내부의 알루미늄 프로펠러에서 처음 테스트되었습니다. 원형 회전 기능은 프로펠러 회전과 동기화되어 각 회전의 단일 지점을 추적합니다. 구현 단계에서 조사 및 해결 된 주요 과제는 회전축과 스캐닝 LDV 사이의 정렬 불량, 프로펠러, DAQ 및 감지 빔 간의 동기화입니다. 볼트 충격 시험은 공기와 수 중에서와 같은 조건을 변화시키면서 60 RPM의 프로펠러 블레이드에서 수행되었습니다. 결과는 획득되어 시간 영역과 주파수 영역에서 관찰되도록 처리되었습니다. 모든 조건에서 결과에 대한 좋은 일치가 각 경우에 대한 주파수 구성 요소에서 관찰되었습니다.
본 논문에서는 또한A-PE-UPI 개발에 주사 레이저 도플러 진동계의 통합을 제시합니다. A-PE-UPI는 감지 및 발생 레이저 빔을 사용하여 구조의 두께 측정 및 손상 감지를 얻는 펄스 에코 방법을 사용합니다. 이 시스템에서 감지 및 생성 레이저 빔을 결합한 테스트 대상 시료의 스캐닝을 위해 LDV 스캐닝에서 래스터 스캔 방법이 구현되었습니다. 매우 높은 스캔 속도로 손상을 식별하기 위해 여러 가지 손상 감지 알고리즘 즉 펄스 에코 초음파전파 이미징 (Pulse-Echo ultrasonic wave propagation imaging, PE-UWPI)과 가변 시간 윈도우 진폭 맵 (Variable time window amplitude map, VTWAM)이 시스템에 구현되었습니다. 이 시스템 개발의 주요 목표는 실시간 결과 시각화를 생성하기 위해 10 kHz 스캔 속도와 실시간 신호 처리를 달성하는 것이 었습니다. A-PE-UPI는 다양한 실제 구조물에 적용되어 고속 검사를 시연합니다. 10kHz 스캔 속도에서 160,000 포인트를 검사 할 때 생성 된 A-PE-UPI 결과는 기계식 스캐닝 기반의 선형 펄스 에코 초음파 전파 이미징 (L-PE-UPI)과 비교하여 96.3 %의 검사 시간을 절약하여 총 검사시간은 약16 초 이다. 또한, 2 차 목적은 각진 표면의 검사를 위해 미러 스테이지를 회전시키기 위해 회전 스테이지를 사용함으로써 달성 된 국부적 인 검사를 위해 스캔 헤드의 유연성 및 이식성을 향상시키는 것입니다. 또한 스캔 헤드와 컨트롤러에 열 요소를 설치하여 저온 조건에서 A-PE-UPI를 작동 시켰습니다. 장래의 연구에 관해서는, A-PE-UPI의 접근성을 높이기 위해 대규모의 복잡한 구조물의 현장 검사를 수행하기 위해 로봇 암이 고려되어 A-PE-UPI에 통합 될 것입니다.
