Lock-In-Thermografie
Die Lock-In-Thermografie (LIT) ist eine hochempfindliche Methode der aktiven Thermografie, bei der das Prüfobjekt mit einer periodisch modulierten Wärmequelle angeregt wird. Die phasenempfindliche Auswertung des resultierenden Temperatursignals ermöglicht die Detektion sehr kleiner Temperaturdifferenzen und damit den Nachweis tiefliegender Fehler, die mit konventioneller Puls-Thermografie nicht erfassbar wären.
Messprinzip
Eine externe Wärmequelle (Lampe, Laser, Induktionsspule) wird sinusförmig mit einer definierten Anregungsfrequenz f moduliert. Die resultierende thermische Welle breitet sich in das Bauteilinnere aus und wird von Fehlern wie Delamination oder Hohlräumen reflektiert. An der Oberfläche überlagern sich einlaufende und reflektierte Wellen. Eine IR-Kamera nimmt das zeitliche Temperatursignal pixelweise auf.
Anschließend wird das Signal phasensensitiv ausgewertet – analog zur Lock-In-Verstärkertechnik aus der Elektronik:
- Amplitudenbild: Zeigt die Stärke der thermischen Antwort und ist empfindlich für Fehler, aber auch für Emissivitätsvariationen der Oberfläche.
- Phasenbild: Die Phasenverzögerung zwischen Anregung und gemessenem Signal ist weitgehend unabhängig von der Oberflächenemissivität und liefert damit robustere und tiefenauflösende Information über Fehler im Inneren.
Thermische Diffusionslänge und Prüftiefe
Die thermische Diffusionslänge µ, die die Eindringtiefe der thermischen Welle bestimmt, ist frequenzabhängig: µ = √(α / (π·f)), wobei α die Temperaturleitfähigkeit des Materials ist. Niedrigere Anregungsfrequenzen erzeugen größere Eindringtiefen, aber geringere räumliche Auflösung. Durch Variation der Frequenz lassen sich Fehler in verschiedenen Tiefen selektiv abbilden.
Anwendungsgebiete
- CFK und Verbundwerkstoffe: Nachweis von Delamination, Impact-Schäden und Klebstofffehlern in geringen und mittleren Tiefen
- Beschichtungen: Ablöseerscheinungen und Porosität in Schutzschichten und thermischen Spritzschichten
- Mikroelektronik: Lokalisierung von Kurzschlüssen und Leckströmen in Halbleiterbauelementen
- Historische Kunstwerke: Untersuchung von Gemälden und Skulpturen auf Schichtaufbau und Schäden
Vorteile gegenüber Puls-Thermografie
Lock-In-Thermografie erzielt durch die Mittelung über viele Modulationsperioden eine erheblich bessere Signal-Rausch-Ratio als die Einzelpuls-Thermografie. Fehler nahe der thermischen Rauschgrenze des Systems werden sichtbar. Die Methode ist robuster gegenüber äußeren Störeinflüssen und Emissivitätsvariationen der Oberfläche.