JP2011122859A - Method and system for diagnosis of defect - Google Patents

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Arata Masuda
新 増田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and system for diagnosis of defects, capable of accurately detecting the shape and depth of the defects of a structure in a short period of time. <P>SOLUTION: The system 1 for diagnosis of the defects includes an infrared camera 5 and a computer 10. The system detects the defects inside of the object structure 2. The infrared camera 5 photographs at least part of the imaging area 4 of the object structure 2 at predetermined time intervals to obtain a plurality of thermal images. The image analysis device 12 of the computer 10 produces a plurality of infinite thermal images for the obtained respective thermal images by expanding the mirror image period, and estimates the shape and the depth from the surface of the defects by an inverse analysis based on the plurality of infinite thermal images. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、構造物内部の剥離や空洞などの欠陥を検出する欠陥診断方法および欠陥診断システムに関する。   The present invention relates to a defect diagnosis method and a defect diagnosis system for detecting defects such as peeling and voids inside a structure.

従来より、コンクリート構造物における剥落事故の原因となる構造物表層部の剥離や空洞などの欠陥を検出する方法として、構造物をハンマー等で叩いた際の音によって欠陥の有無を判定する打音検査が行われていた。しかしながら、打音検査では、多大な労力を必要とすることから、それに代わる有効な手法として、非接触で広範囲の検査を行うことができる赤外線サーモグラフィ法が広く用いられている。   Conventionally, as a method of detecting defects such as peeling of the structure surface layer and cavities that cause a peeling accident in a concrete structure, a hammering sound that determines the presence or absence of defects by the sound of hitting the structure with a hammer etc. An inspection was being conducted. However, since the hammering test requires a great deal of labor, an infrared thermography method that can perform a wide range of inspections in a non-contact manner is widely used as an effective alternative method.

赤外線サーモグラフィ法は、構造物内部の剥離や空洞などの欠陥の断熱性によって熱の移動が妨げられることで生じる表面温度場の変化を赤外線カメラで捉えることにより、これらの欠陥の検出を行うものである。赤外線サーモグラフィ法では、構造物内部に熱の移動を生じさせるために加熱または冷却が必要であり、加熱/冷却方法によって、ヒーターやフラッシュランプ、低温ガス吹きつけなどによるアクティブ法と、日照や自然空冷を用いるパッシブ法に分けられる。   The infrared thermography method detects these defects by capturing changes in the surface temperature field that occur when heat transfer is hindered by the heat insulation of defects such as exfoliation inside the structure and cavities. is there. Infrared thermography requires heating or cooling in order to cause heat to move inside the structure. Depending on the heating / cooling method, active methods such as heaters, flash lamps, and low-temperature gas blowing, as well as sunshine and natural air cooling are used. Can be divided into passive methods.

しかしながら、従来の赤外線サーモグラフィ法では、欠陥を含む部位を撮影した熱画像は一般に可読性が低く、欠陥の検出感度が検査員の技量に大きく依存するため、欠陥の形状や深さなどの定量的評価が困難であるという問題があった。そこで、欠陥を検出する新たな方法として、詳細な熱収支モデルに基づく順解析結果との差分をとる手法、詳細な熱収支モデルに基づく逆解析を行う手法や、アクティブ加熱に基づくロックインサーモグラフィなどの手法が提案されている(例えば、特許文献1〜4および非特許文献1〜2)。   However, in the conventional infrared thermography method, a thermal image obtained by imaging a part including a defect is generally low in readability, and the defect detection sensitivity largely depends on the skill of the inspector. Therefore, quantitative evaluation of the shape and depth of the defect is performed. There was a problem that was difficult. Therefore, as a new method for detecting defects, there is a method for taking the difference from the forward analysis result based on the detailed heat balance model, a method for performing reverse analysis based on the detailed heat balance model, and a lock-in thermography based on active heating. Have been proposed (for example, Patent Documents 1 to 4 and Non-Patent Documents 1 and 2).

特許第3407000号公報(2003年3月14日登録)Japanese Patent No. 3407000 (registered on March 14, 2003) 特許第3834749号公報(2006年8月4日登録)Japanese Patent No. 3834749 (Registered on August 4, 2006) 特開平5−108796号公報(1993年4月30日公開)JP 5-108796 A (published April 30, 1993) 特開平11−258188号公報(1999年9月24日公開)JP 11-258188 A (published on September 24, 1999)

阪上隆英、他5名、「ロックイン赤外線サーモグラフィによるコンクリート構造物の非破壊検査」、日本機械学会関西支部第76期定時総会講演会論文集、2001年、No.014-1、p.6-15〜6-16Takahide Sakagami and five others, “Non-destructive inspection of concrete structures by lock-in infrared thermography”, Proceedings of the 76th Regular Meeting of the Japan Society of Mechanical Engineers Kansai Branch, 2001, No. 014-1, p. 6-15-6-16 増田新、他3名、「熱画像の逆解析によるコンクリート構造物の欠陥検出と深さ推定」、日本機械学会論文集(C編)、2008年、74巻、740号、p.789〜797Shin Masuda and three others, “Detection of Defects and Depth Estimation of Concrete Structures by Inverse Analysis of Thermal Images”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers (C), 2008, 74, 740, p. 789-797

特許文献1に記載の発明は、屋外環境下において撮影した1枚の熱画像から欠陥の検出と深さおよび3次元形状の定量化を可能とする手法であり、熱画像のエッジパターン特徴量に着目することによって課題を解決している。しかしながら、該発明では、空隙の深さ、厚さを推定するための回帰式の導出のために、基準となる熱収支モデルに対する精密な順解析を必要とする。このため、上記発明においては、対象構造物の3次元形状、撮像面以外の面における熱収支特性と熱負荷(日射条件など)に関する詳細な事前知識を必要とするという問題があり、実用性に疑問がある。   The invention described in Patent Document 1 is a technique that enables detection of defects and quantification of depth and three-dimensional shape from a single thermal image taken in an outdoor environment. The problem is solved by paying attention. However, in the present invention, in order to derive a regression equation for estimating the depth and thickness of the air gap, a precise forward analysis with respect to the heat balance model as a reference is required. For this reason, in the said invention, there exists a problem that the detailed prior knowledge regarding the three-dimensional shape of a target structure, the heat balance characteristic in surfaces other than an imaging surface, and a thermal load (sunlight conditions etc.) is required, and it is practical. It is doubtful.

特許文献2に記載の発明は、RC造り或はSRC造りのコンクリート構造物を対象にしたものであり、熱伝導逆解析に基づいて欠陥位置を同定している。しかしながら、鉄筋または鉄骨へのアクティブ加熱を前提としており、また、熱伝導逆解析の具体的内容は、記述されていない。   The invention described in Patent Document 2 is intended for RC or SRC concrete structures, and identifies defect positions based on thermal conduction inverse analysis. However, it presupposes active heating of the reinforcing bars or steel frames, and the specific contents of the heat conduction inverse analysis are not described.

特許文献3および特許文献4に記載の発明は、健全状態を表す熱収支解析モデルの順解析結果と取得された熱画像との差異から、画像中の欠陥部分を抽出するものである。そのため、該発明では、欠陥の深さを知ることができないほか、順解析を行うために対象構造物の3次元形状、撮像面以外の面における熱収支特性と熱負荷(日射条件など)に関する詳細な事前知識を必要とするという問題がある。   The inventions described in Patent Literature 3 and Patent Literature 4 extract a defective portion in an image from a difference between a forward analysis result of a heat balance analysis model representing a healthy state and an acquired thermal image. Therefore, in the present invention, the depth of the defect cannot be known, and in order to perform forward analysis, details regarding the three-dimensional shape of the target structure, heat balance characteristics and heat load (such as solar radiation conditions) on surfaces other than the imaging surface There is a problem of requiring prior knowledge.

このように、特許文献1〜4に記載の発明は、詳細な熱収支モデルに基づくため、対象構造物の構造、環境、全表面の熱収支特性、熱負荷(日射条件など)に関する詳細な事前知識を必要とするという問題があり、実用性が難しい。   As described above, since the inventions described in Patent Documents 1 to 4 are based on a detailed heat balance model, detailed advance information on the structure of the target structure, environment, heat balance characteristics of the entire surface, and heat load (such as solar radiation conditions). There is a problem of needing knowledge, and practicality is difficult.

また、非特許文献1、2には、検査時間が長くかかる(数十分から数時間)という問題がある。   Further, Non-Patent Documents 1 and 2 have a problem that the inspection time takes a long time (tens of minutes to several hours).

具体的には、非特許文献1に記載の発明では、ある周期で点灯・消灯するランプヒータによって対象物を周期加熱し、これをロックイン計測することによって、熱負荷入力に対する温度応答の位相遅れを算出し、加熱周期の変化に対する位相遅れの変化の関係から欠陥までの深さを算出している。周期加熱を行うことによってSN比を向上させることができる反面、コンクリート構造物の場合、長い計測時間を必要とするという問題がある。   Specifically, in the invention described in Non-Patent Document 1, the object is periodically heated by a lamp heater that is turned on / off at a certain cycle, and this is locked in, thereby causing a phase delay in the temperature response to the heat load input. And the depth to the defect is calculated from the relationship of the change in the phase lag to the change in the heating cycle. Although the SN ratio can be improved by performing periodic heating, there is a problem that a long measurement time is required in the case of a concrete structure.

非特許文献2に記載の発明では、表面熱画像の逆解析により、欠陥形状の鮮明化と欠陥深さの推定を行うことができるが、対象構造物が熱的に定常状態にあることが必須条件となっている。このため、パッシブ加熱法においては、日射条件など熱負荷条件の変化が少ないことが実施条件となることから、実施可能性が自然条件に大きく依存するという問題がある。また、アクティブ加熱法においては、対象構造物が定常状態に達するまで加熱をしなければならず、数時間単位の加熱時間を必要とすることから、短時間に広い範囲を低コストで検査可能であるという赤外線サーモグラフィ法の本来の利点を相殺してしまうという問題がある。   In the invention described in Non-Patent Document 2, it is possible to clarify the defect shape and estimate the defect depth by inverse analysis of the surface thermal image, but it is essential that the target structure is in a thermally steady state. It is a condition. For this reason, the passive heating method has a problem that the feasibility greatly depends on the natural conditions because the change in the heat load condition such as the solar radiation condition is small. In the active heating method, the target structure must be heated until it reaches a steady state, and a heating time of several hours is required, so a wide range can be inspected in a short time at a low cost. There is a problem that the inherent advantage of the infrared thermography method is offset.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、構造物の欠陥の形状および深さを短時間で正確に検知できる欠陥診断方法および欠陥診断システムを実現することにある。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to realize a defect diagnosis method and a defect diagnosis system capable of accurately detecting the shape and depth of a defect in a structure in a short time. It is in.

上記の課題を解決するために、本発明に係る欠陥診断方法は、対象構造物の内部の欠陥を検知する欠陥診断方法であって、所定の時間間隔における上記対象構造物の表面の少なくとも一部の複数の熱画像を取得する熱画像取得工程と、取得された各熱画像について、画像と当該画像の鏡像対称画像とを繋ぎ合わせ、当該鏡像対称画像と当該鏡像対称画像のさらなる鏡像対称画像とをさらに繋ぎ合わせる処理を繰り返すことにより、複数の無限熱画像を作成する鏡像周期拡張工程と、上記複数の無限熱画像に基づいて、逆解析によって上記欠陥の形状および上記表面からの深さを推定する逆解析工程と、を有することを特徴としている。   In order to solve the above problems, a defect diagnosis method according to the present invention is a defect diagnosis method for detecting a defect inside a target structure, and at least a part of the surface of the target structure at a predetermined time interval. A thermal image acquisition step of acquiring a plurality of thermal images, and for each acquired thermal image, the image and the mirror image of the image are connected to each other, and the mirror image and the mirror image of the mirror image By repeating the process of joining together, a mirror image period expansion process for creating a plurality of infinite thermal images, and estimating the shape of the defect and the depth from the surface by inverse analysis based on the plurality of infinite thermal images And a reverse analysis step.

上記の構成によれば、熱画像取得工程において取得された複数の熱画像を、鏡像周期拡張工程において、x、y軸方向に無限の広がりを持った無限平板領域である複数の無限熱画像に変換する。これにより、元の熱画像の温度分布には存在しない不連続性が導入されることを回避しつつ、撮像領域外の情報を利用することなく熱伝導逆解析が可能になる。さらに、逆解析工程において、所定の時間間隔における複数の無限熱画像に基づいて逆解析を行うので、対象構造物の温度が非定常状態であっても、正確に欠陥の形状および表面からの深さを推定できる。また、対象構造物が定常状態である必要がないので、診断に要する時間を短縮することができる。したがって、構造物の欠陥の形状および深さを短時間で正確に検知できる欠陥診断方法を実現することができる。   According to the above configuration, the plurality of thermal images acquired in the thermal image acquisition step are converted into a plurality of infinite thermal images that are infinite plate regions having infinite extent in the x and y axis directions in the mirror image period extension step. Convert. This makes it possible to perform a reverse heat analysis without using information outside the imaging region while avoiding the introduction of discontinuities that do not exist in the temperature distribution of the original thermal image. Furthermore, since the inverse analysis is performed based on a plurality of infinite thermal images at predetermined time intervals in the inverse analysis process, even if the temperature of the target structure is in an unsteady state, the shape of the defect and the depth from the surface can be accurately determined. Can be estimated. Further, since the target structure does not need to be in a steady state, the time required for diagnosis can be shortened. Therefore, it is possible to realize a defect diagnosis method capable of accurately detecting the shape and depth of the defect of the structure in a short time.

本発明に係る欠陥診断方法では、上記熱画像取得工程では、M+1(Mは1以上の整数)枚の熱画像を取得し、上記熱画像の撮像面は矩形であり、上記逆解析工程は、上記熱画像取得工程の時刻t、t+Δt、・・・、t+Δtにおける熱画像から、下記の式(A)によって、上記撮像面の温度のべき展開係数を求め、下記の式(B)によって、上記撮像面の深さ方向熱流束のべき展開係数を求める第1の演算工程と、上記温度のべき展開係数と上記熱流束のべき展開係数とを2重フーリエ変換する第2の演算工程と、下記の式(C)により、規定の深さに位置するn(nは1以上の整数)層目の温度と深さ方向熱流束とを求める第3の演算工程と、撮像面の各点における深さ方向熱流束の絶対値が最小になる深さを求める第4の演算工程と、を有することが好ましい。 In the defect diagnosis method according to the present invention, in the thermal image acquisition step, M + 1 (M is an integer of 1 or more) thermal images are acquired, the imaging surface of the thermal image is rectangular, and the inverse analysis step includes From the thermal images at times t 0 , t 0 + Δt 1 ,..., T 0 + Δt M of the thermal image acquisition step, the expansion coefficient of the temperature of the imaging surface is obtained by the following equation (A), A first calculation step for obtaining a power expansion coefficient of the heat flux in the depth direction of the imaging surface by the equation (B), and a second Fourier transform of the power expansion coefficient of the temperature and the power expansion coefficient of the heat flux. A second calculation step, and a third calculation step for obtaining the temperature and depth direction heat flux of the n (n is an integer of 1 or more) layer located at a specified depth by the following equation (C): Determine the depth at which the absolute value of the heat flux in the depth direction at each point on the imaging surface is minimized. It is preferable to have four calculation steps.

θ:撮像面の温度のm次べき展開係数
:撮像面の深さ方向熱流束のm次べき展開係数
x:撮像面の横方向の座標
y:撮像面の縦方向の座標
z:撮像面に垂直な深さ方向の座標
θ(x、y、z、t):任意の点(x、y、z)任意の時刻tにおける温度
(x、y、z、t):任意の点(x、y、z)任意の時刻tにおける深さ方向の熱流束
a:熱拡散率 a=κ/(cρ)
c:比熱
ρ:密度
κ:熱伝導率
α:撮像面における総合熱伝達係数
θ:撮像面における周囲温度
:撮像面への熱流束入力
xy:x、yに関する2重フーリエ変換
IFxy:x、yに関する2重逆フーリエ変換
:x軸方向の波数
:y軸方向の波数
本発明に係る欠陥診断方法では、上記逆解析工程の後に、推定された欠陥の上記表面からの深さを色情報としてマッピングする欠陥可視化工程を有することが好ましい。
θ m : m-th order expansion coefficient of the imaging surface temperature q m : m-th order expansion coefficient of the heat flux in the depth direction of the imaging surface x: horizontal coordinate of the imaging surface y: vertical coordinate of the imaging surface z: Coordinates in the depth direction perpendicular to the imaging surface θ (x, y, z, t): Arbitrary point (x, y, z) Temperature at arbitrary time t q z (x, y, z, t): Arbitrary (X, y, z) in the depth direction at an arbitrary time t a: thermal diffusivity a = κ / (cρ)
c: Specific heat ρ: Density κ: Thermal conductivity α 0 : Total heat transfer coefficient on the imaging surface θ 0 : Ambient temperature on the imaging surface q 0 : Heat flux input to the imaging surface F xy : Double Fourier transform for x and y IF xy : Double inverse Fourier transform with respect to x and y k x : Wave number in the x-axis direction k y : Wave number in the y-axis direction In the defect diagnosis method according to the present invention, the estimated defect above It is preferable to have a defect visualization step of mapping the depth from the surface as color information.

上記の構成によれば、推定された欠陥の上記表面からの深さが色情報としてマッピングされるので、欠陥の状態を直感的に把握することができる。   According to said structure, since the depth from the said surface of the estimated defect is mapped as color information, the state of a defect can be grasped | ascertained intuitively.

上記の課題を解決するために、本発明に係る欠陥診断システムは、サーモグラフィ装置とコンピュータとを備え、対象構造物の内部の欠陥を検知する欠陥診断システムであって、上記サーモグラフィ装置は、上記対象構造物の表面の少なくとも一部を所定の時間間隔をおいて撮影して、複数の熱画像を取得し、上記コンピュータは、取得された各熱画像について、画像と当該画像の鏡像対称画像とを繋ぎ合わせ、当該鏡像対称画像と当該鏡像対称画像のさらなる鏡像対称画像とをさらに繋ぎ合わせる処理を繰り返すことにより、複数の無限熱画像を作成する鏡像周期拡張手段と、上記複数の無限熱画像に基づいて、逆解析によって上記欠陥の形状および上記表面からの深さを推定する逆解析手段と、を有することを特徴としている。   In order to solve the above-described problem, a defect diagnosis system according to the present invention is a defect diagnosis system that includes a thermography device and a computer and detects a defect inside a target structure, and the thermography device includes the target At least a part of the surface of the structure is photographed at predetermined time intervals to obtain a plurality of thermal images, and the computer obtains an image and a mirror image of the image for each acquired thermal image. Mirror image period extending means for creating a plurality of infinite thermal images by repeating the process of connecting and further connecting the mirror symmetric image and a further mirror symmetric image of the mirror symmetric image, and based on the plurality of infinite thermal images And an inverse analysis means for estimating the shape of the defect and the depth from the surface by inverse analysis.

上記の構成によれば、鏡像周期拡張手段が、サーモグラフィ装置によって取得された複数の熱画像を、x、y軸方向に無限の広がりを持った無限平板領域である複数の無限熱画像に変換する。これにより、元の熱画像の温度分布には存在しない不連続性が導入されることを回避しつつ、撮像領域外の情報を利用することなく熱伝導逆解析が可能になる。さらに、逆解析手段が、所定の時間間隔における複数の無限熱画像に基づいて逆解析を行うので、対象構造物の温度が非定常状態であっても、正確に欠陥の形状および表面からの深さを推定できる。また、対象構造物が定常状態である必要がないので、診断に要する時間を短縮することができる。したがって、構造物の欠陥の形状および深さを短時間で正確に検知できる欠陥診断システムを実現することができる。   According to said structure, a mirror image period expansion means converts the some thermal image acquired by the thermography apparatus into the some infinite thermal image which is an infinite flat area | region which has an infinite breadth in the x and y-axis directions. . This makes it possible to perform a reverse heat analysis without using information outside the imaging region while avoiding the introduction of discontinuities that do not exist in the temperature distribution of the original thermal image. Furthermore, since the inverse analysis means performs an inverse analysis based on a plurality of infinite thermal images at a predetermined time interval, even if the temperature of the target structure is in an unsteady state, the shape of the defect and the depth from the surface can be accurately determined. Can be estimated. Further, since the target structure does not need to be in a steady state, the time required for diagnosis can be shortened. Therefore, it is possible to realize a defect diagnosis system that can accurately detect the shape and depth of defects in a structure in a short time.

本発明に係る欠陥診断システムでは、上記サーモグラフィ装置は、M+1(Mは1以上の整数)枚の熱画像を取得し、上記熱画像の撮像面は矩形であり、上記逆解析手段は、上記サーモグラフィ装置が時刻t、t+Δt、・・・、t+Δtに取得した熱画像から、下記の式(A)によって、上記撮像面の温度のべき展開係数を求め、下記の式(B)によって、上記撮像面の深さ方向熱流束のべき展開係数を求め、上記温度のべき展開係数と上記熱流束のべき展開係数とを2重フーリエ変換し、下記の式(C)により、規定の深さに位置するn(nは1以上の整数)層目の温度と深さ方向熱流束とを求め、撮像面の各点における深さ方向熱流束の絶対値が最小になる深さを求めることが好ましい。 In the defect diagnosis system according to the present invention, the thermography apparatus acquires M + 1 (M is an integer of 1 or more) thermal images, the imaging surface of the thermal image is rectangular, and the inverse analysis means includes the thermography. From the thermal image acquired by the apparatus at times t 0 , t 0 + Δt 1 ,..., T 0 + Δt M , the expansion coefficient of the temperature of the imaging surface is obtained by the following equation (A), and the following equation ( B), the power expansion coefficient of the heat flux in the depth direction of the imaging surface is obtained, the power expansion coefficient of the temperature and the power expansion coefficient of the heat flux are subjected to double Fourier transform, and the following equation (C): The depth at which the absolute value of the depth direction heat flux at each point on the imaging surface is minimized by obtaining the temperature and depth direction heat flux of the n layer (n is an integer of 1 or more) located at the specified depth. Is preferably obtained.

θ:撮像面の温度のm次べき展開係数
:撮像面の深さ方向熱流束のm次べき展開係数
x:撮像面の横方向の座標
y:撮像面の縦方向の座標
z:撮像面に垂直な深さ方向の座標
θ(x、y、z、t):任意の点(x、y、z)任意の時刻tにおける温度
(x、y、z、t):任意の点(x、y、z)任意の時刻tにおける深さ方向の熱流束
a:熱拡散率 a=κ/(cρ)
c:比熱
ρ:密度
κ:熱伝導率
α:撮像面における総合熱伝達係数
θ:撮像面における周囲温度
:撮像面への熱流束入力
xy:x、yに関する2重フーリエ変換
IFxy:x、yに関する2重逆フーリエ変換
:x軸方向の波数
:y軸方向の波数
本発明に係る欠陥診断システムでは、上記コンピュータは、推定された欠陥の上記表面からの深さを色情報としてマッピングする欠陥可視化手段を有することが好ましい。
θ m : m-th order expansion coefficient of the imaging surface temperature q m : m-th order expansion coefficient of the heat flux in the depth direction of the imaging surface x: horizontal coordinate of the imaging surface y: vertical coordinate of the imaging surface z: Coordinates in the depth direction perpendicular to the imaging surface θ (x, y, z, t): Arbitrary point (x, y, z) Temperature at arbitrary time t q z (x, y, z, t): Arbitrary (X, y, z) in the depth direction at an arbitrary time t a: thermal diffusivity a = κ / (cρ)
c: Specific heat ρ: Density κ: Thermal conductivity α 0 : Total heat transfer coefficient on the imaging surface θ 0 : Ambient temperature on the imaging surface q 0 : Heat flux input to the imaging surface F xy : Double Fourier transform for x and y IF xy : Double inverse Fourier transform with respect to x and y k x : Wave number in the x-axis direction k y : Wave number in the y-axis direction In the defect diagnosis system according to the present invention, the computer calculates the estimated defect from the surface. It is preferable to have a defect visualization means for mapping the depth as color information.

上記の構成によれば、推定された欠陥の上記表面からの深さが色情報としてマッピングされるので、欠陥の状態を直感的に把握することができる。   According to said structure, since the depth from the said surface of the estimated defect is mapped as color information, the state of a defect can be grasped | ascertained intuitively.

以上のように、本発明に係る欠陥診断方法は、対象構造物の内部の欠陥を検知する欠陥診断方法であって、所定の時間間隔における上記対象構造物の表面の少なくとも一部の複数の熱画像を取得する熱画像取得工程と、取得された各熱画像について、画像と当該画像の鏡像対称画像とを繋ぎ合わせ、当該鏡像対称画像と当該鏡像対称画像のさらなる鏡像対称画像とをさらに繋ぎ合わせる処理を繰り返すことにより、複数の無限熱画像を作成する鏡像周期拡張工程と、上記複数の無限熱画像に基づいて、逆解析によって上記欠陥の形状および上記表面からの深さを推定する逆解析工程と、を有する構成である。また、本発明に係る欠陥診断システムは、サーモグラフィ装置とコンピュータとを備え、対象構造物の内部の欠陥を検知する欠陥診断システムであって、上記サーモグラフィ装置は、上記対象構造物の表面の少なくとも一部を所定の時間間隔をおいて撮影して、複数の熱画像を取得し、上記コンピュータは、取得された各熱画像について、画像と当該画像の鏡像対称画像とを繋ぎ合わせ、当該鏡像対称画像と当該鏡像対称画像のさらなる鏡像対称画像とをさらに繋ぎ合わせる処理を繰り返すことにより、複数の無限熱画像を作成する鏡像周期拡張手段と、上記複数の無限熱画像に基づいて、逆解析によって上記欠陥の形状および上記表面からの深さを推定する逆解析手段と、を有する構成である。したがって、構造物の欠陥の形状および深さを短時間で正確に検知できる欠陥診断方法および欠陥診断システムを実現できるという効果を奏する。   As described above, the defect diagnosis method according to the present invention is a defect diagnosis method for detecting defects inside a target structure, and includes a plurality of heats on at least a part of the surface of the target structure at a predetermined time interval. For the thermal image acquisition step of acquiring an image, and for each acquired thermal image, the image and the mirror-symmetric image of the image are connected, and the mirror-symmetric image and a further mirror-symmetric image of the mirror-image symmetrical image are further connected. Mirror image period expansion step for creating a plurality of infinite thermal images by repeating processing, and an inverse analysis step for estimating the shape of the defect and the depth from the surface by reverse analysis based on the plurality of infinite thermal images It is the composition which has. A defect diagnosis system according to the present invention includes a thermography device and a computer, and detects a defect inside a target structure. The thermography device includes at least one surface of the target structure. The computer is photographed at predetermined time intervals to obtain a plurality of thermal images, and the computer connects the image and the mirror image of the image for each of the acquired thermal images, and the mirror image image And a mirror image period expanding means for creating a plurality of infinite thermal images by repeating the process of further joining the mirror symmetric image and a further mirror symmetric image of the mirror image symmetric image, and the defect by inverse analysis based on the plurality of infinite thermal images. And a reverse analysis means for estimating the depth from the surface. Therefore, there is an effect that it is possible to realize a defect diagnosis method and a defect diagnosis system capable of accurately detecting the shape and depth of the defect of the structure in a short time.

本発明の実施形態に係る欠陥診断システムの概略構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a defect diagnosis system according to an embodiment of the present invention. 上記欠陥診断システムによって診断される対象構造物の内部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the inside of the target structure diagnosed by the said defect diagnostic system. (a)〜(c)は、領域の鏡像周期拡張の手順を示す図である。(A)-(c) is a figure which shows the procedure of the mirror image period expansion of an area | region. 本発明の実施形態に係る逆解析の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the reverse analysis which concerns on embodiment of this invention. 推定された欠陥の深さ画像の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the depth image of the estimated defect. 本発明の実施例1に係る実験の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the experiment which concerns on Example 1 of this invention. (a)〜(c)はそれぞれ、加熱開始から26分後、28分後および30分後の表面温度画像である。(A) to (c) are surface temperature images after 26 minutes, 28 minutes and 30 minutes from the start of heating, respectively. 図7に示す表面温度画像に基づいて、定常モデルに基づく従来の逆解析法による逆解析を行い、深さ画像を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the reverse analysis by the conventional reverse analysis method based on a steady model based on the surface temperature image shown in FIG. 7, and calculating the depth image. 図7に示す表面温度画像に基づいて、本発明による逆解析法による逆解析を行い、深さ画像を計算した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having performed the reverse analysis by the reverse analysis method by this invention based on the surface temperature image shown in FIG. 7, and calculating the depth image. (a)は、実施例2において用いる直方体モデルを示す平面図であり、(b)は、該直方体モデルの断面図である。(A) is a top view which shows the rectangular parallelepiped model used in Example 2, (b) is sectional drawing of this rectangular parallelepiped model. D=0.02mの場合について、有限要素解析で求めた直方体モデルの表面温度分布を示す図であり、(a)加熱開始20分後の表面温度分布を示しており、(b)は、加熱開始60分後の表面温度分布を示している。It is a figure which shows the surface temperature distribution of the rectangular parallelepiped model calculated | required by the finite element analysis about the case of D = 0.02m, (a) The surface temperature distribution 20 minutes after a heating start is shown, (b) is heating The surface temperature distribution 60 minutes after the start is shown. 加熱開始20分後の推定した内部熱流束分布から作成した深さ画像であり、(a)は、0次近似の場合を示しており、(b)は、2次近似の場合を示している。It is the depth image created from the estimated internal heat flux distribution 20 minutes after the start of heating, (a) shows the case of the 0th order approximation, and (b) shows the case of the second order approximation. . 加熱開始60分後の推定した内部熱流束分布から作成した深さ画像であり、(a)は、0次近似の場合を示しており、(b)は、2次近似の場合を示している。It is a depth image created from the estimated internal heat flux distribution 60 minutes after the start of heating, (a) shows the case of the 0th order approximation, and (b) shows the case of the second order approximation. . 加熱開始20分後の直方体モデルの中央点における温度と熱流束の推定値の深さ方向分布を、真値とともにプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the depth direction distribution of the estimated value of the temperature and the heat flux in the center point of the rectangular parallelepiped model 20 minutes after a heating start with a true value. 加熱開始60分後の直方体モデルの中央点における温度と熱流束の推定値の深さ方向分布を、真値とともにプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the depth direction distribution of the estimated value of the temperature and heat flux in the center point of the rectangular parallelepiped model 60 minutes after a heating start with a true value. (a)は、欠陥深さD=0.02mの場合における、熱画像の撮影時刻(加熱開始からの経過時間)と欠陥深さの推定値との関係をプロットしたグラフであり、(b)は、欠陥深さD=0.04mの場合における、熱画像の撮影時刻(加熱開始からの経過時間)と欠陥深さの推定値との関係をプロットしたグラフである。(A) is the graph which plotted the relationship between the imaging | photography time (elapsed time from a heating start) and the estimated value of defect depth in the case of defect depth D = 0.02m, (b) These are the graphs which plotted the relationship between the imaging | photography time (elapsed time from a heating start) of a thermal image, and the estimated value of a defect depth in case of the defect depth D = 0.04m.

本発明の実施の一形態について、図1〜図16に基づいて説明すれば以下のとおりである。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

(欠陥診断システム1の構成)
図1は、本実施形態に係る欠陥診断システム1の概略構成を示す図である。欠陥診断システム1は、対象構造物2の内部の欠陥を検知するシステムであり、赤外線カメラ5およびコンピュータ10から構成される。
(Configuration of defect diagnosis system 1)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a defect diagnosis system 1 according to the present embodiment. The defect diagnosis system 1 is a system that detects a defect inside the target structure 2 and includes an infrared camera 5 and a computer 10.

本実施形態では、対象構造物2は橋梁のコンクリート床板であり、対象構造物2の上面が非定常光源である日射3で加熱されている。上面(加熱面)への入射熱量および撮像領域以外の面の境界条件は未知である。赤外線カメラ(サーモグラフィ装置)5は、対象構造物2の下面(撮像面)4を所定の時間間隔をおいて撮影し、複数の熱画像データをコンピュータ10に出力する。なお、4aは赤外線カメラ5の撮像領域を示している。コンピュータ10は、画像記憶装置11、画像解析装置12、表示装置13およびデータ入力装置14を備えており、赤外線カメラ5から出力された熱画像データに基づいて、対象構造物2の内部の欠陥の形状および深さを推定する。   In the present embodiment, the target structure 2 is a concrete floor board of a bridge, and the upper surface of the target structure 2 is heated by solar radiation 3 that is an unsteady light source. The amount of heat incident on the upper surface (heating surface) and the boundary conditions of surfaces other than the imaging region are unknown. The infrared camera (thermographic apparatus) 5 images the lower surface (imaging surface) 4 of the target structure 2 at a predetermined time interval, and outputs a plurality of thermal image data to the computer 10. Reference numeral 4a denotes an imaging area of the infrared camera 5. The computer 10 includes an image storage device 11, an image analysis device 12, a display device 13, and a data input device 14. Based on the thermal image data output from the infrared camera 5, defects in the target structure 2 are detected. Estimate shape and depth.

図2は、対象構造物2の内部を示す断面図である。同図に示すように、対象構造物2の加熱面から入射した熱は、対象構造物2の厚さ方向に伝導し、対象構造物2の内部に熱流束6を形成する。ここで、加熱面の反対側の撮像面4の表層近くに剥離欠陥7があるとする。剥離欠陥7は薄い空洞層であるため、熱の伝導が妨げられ、その結果、撮像面4の剥離欠陥7に該当する位置に、低温部分4bが形成される。したがって、撮像面4の表面温度分布を逆解析することによって、剥離欠陥7の形状と撮像面4からの深さを推定することができる。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the inside of the target structure 2. As shown in the figure, the heat incident from the heating surface of the target structure 2 is conducted in the thickness direction of the target structure 2 to form a heat flux 6 inside the target structure 2. Here, it is assumed that there is a peeling defect 7 near the surface layer of the imaging surface 4 on the opposite side of the heating surface. Since the peeling defect 7 is a thin cavity layer, heat conduction is hindered. As a result, a low temperature portion 4 b is formed at a position corresponding to the peeling defect 7 on the imaging surface 4. Therefore, the shape of the peeling defect 7 and the depth from the imaging surface 4 can be estimated by inversely analyzing the surface temperature distribution of the imaging surface 4.

欠陥診断システム1では、撮像面4の表面温度分布を把握するために、撮像面4を赤外線カメラ5で撮影し熱画像(温度画像)を取得する。このとき、赤外線カメラ5は、一定時間をおいて熱画像を複数枚取得し、画像記憶装置11に熱画像を格納する。なお、本実施形態では、赤外線カメラ5による撮像領域4aは矩形であり、赤外線カメラ5の光学系と撮影面との幾何学的配置によって画像がひずむ場合は、画像を矩形領域にマッピングするために、あおり補正など適切な処理を施すものとする。   In the defect diagnosis system 1, in order to grasp the surface temperature distribution on the imaging surface 4, the imaging surface 4 is imaged with the infrared camera 5 to obtain a thermal image (temperature image). At this time, the infrared camera 5 acquires a plurality of thermal images after a certain time and stores the thermal images in the image storage device 11. In the present embodiment, the imaging area 4a by the infrared camera 5 is rectangular, and when the image is distorted due to the geometric arrangement of the optical system of the infrared camera 5 and the imaging surface, the image is mapped to the rectangular area. Appropriate processing such as tilt correction is performed.

画像解析装置12は、CPUで構成され、画像記憶装置11に格納された熱画像データに対して逆解析を行い、表示装置13に逆解析の結果が表示される。また、検査員はキーボードやマウスなどのデータ入力装置14によって、各種のパラメータを入力することができる。続いて、画像解析装置12における処理内容を説明する。   The image analysis device 12 includes a CPU, performs reverse analysis on the thermal image data stored in the image storage device 11, and displays the result of the reverse analysis on the display device 13. Further, the inspector can input various parameters using the data input device 14 such as a keyboard or a mouse. Subsequently, processing contents in the image analysis device 12 will be described.

(鏡像周期拡張)
矩形の撮像領域4aを一方の面として、撮像領域4aを深さ方向にdだけ平行移動した面を対面とする直方体領域において、撮像面4内の縦横方向にx、y軸を設定し、深さ方向にz軸を設定し、撮像面4をz=0、反対側の対面をz=dと定める。
(Mirror image period extension)
In a rectangular parallelepiped region having a rectangular imaging region 4a as one surface and a surface obtained by translating the imaging region 4a by d in the depth direction, the x and y axes are set in the vertical and horizontal directions in the imaging surface 4, and the depth The z axis is set in the vertical direction, the imaging surface 4 is defined as z = 0, and the opposite facing surface is defined as z = d.

次に、この直方体領域をx、y軸方向に周期的に繋ぎ合わせ、z軸方向の厚さがdで、x、y軸方向に無限の広がりを持った無限平板領域に拡張する。これによって対象構造物は無限平板として扱えるようになるため、逆解析が著しく簡単になるほか、撮像領域以外の情報を知ることなく熱伝導逆解析を行うことが可能になる。   Next, this rectangular parallelepiped region is periodically connected in the x and y axis directions, and is expanded into an infinite flat plate region having a thickness in the z axis direction and an infinite extent in the x and y axis directions. As a result, the target structure can be handled as an infinite flat plate, so that the inverse analysis is remarkably simplified, and the heat conduction inverse analysis can be performed without knowing information outside the imaging region.

ただし、単に周期的に領域を繋ぎ合わせた場合、領域の繋ぎ目において元の温度分布には存在しない不連続性が導入されることとなる。そこで、本実施形態では、不連続性を回避するため、以下の操作で直方体領域を無限平板領域に拡張する。本実施形態では、この操作を鏡像周期拡張と呼ぶ。   However, when regions are simply joined periodically, discontinuities that do not exist in the original temperature distribution are introduced at the joints of the regions. Therefore, in this embodiment, in order to avoid discontinuity, the rectangular parallelepiped region is expanded to the infinite flat plate region by the following operation. In the present embodiment, this operation is called mirror image period extension.

図3(a)〜(c)は、領域の鏡像周期拡張の手順を示す図である。まず、図3(a)に示す直方体領域と、そのx方向およびy方向の鏡像を、図3(b)に示すように、領域の継ぎ目における温度が連続になるようにつなぎ合わせる。同じ要領で、図3(c)に示すように、各領域を単位セルとして周期拡張する。このように、単純な周期拡張ではなく、いったん鏡像対称拡張を行ってから周期拡張を行うことによって、元の温度分布には存在しない不連続性が導入されることを回避できる。   FIGS. 3A to 3C are diagrams showing a procedure for extending the mirror image period of the region. First, the rectangular parallelepiped region shown in FIG. 3A and its mirror image in the x and y directions are joined together so that the temperature at the joint of the region is continuous, as shown in FIG. 3B. In the same manner, as shown in FIG. 3C, each region is expanded as a unit cell. In this way, it is possible to avoid introducing discontinuities that do not exist in the original temperature distribution by performing the mirror image expansion once after performing the mirror image symmetry expansion instead of the simple period expansion.

(非定常層間伝達マトリクス)
矩形に撮像領域4aを一面とする直方体領域を、上記の方法によってx、y方向に鏡像周期拡張した無限平板領域において、任意の点(x、y、z)における温度をθ(x、y、z、t)とすると、無限平板領域における3次元非定常熱伝導方程式および撮像面4の境界条件は次の式(1)および(2)のようになる。
(Unsteady interlayer transmission matrix)
In an infinite flat plate region in which a rectangular parallelepiped region having the imaging region 4a as one surface is expanded in the x and y directions by the above method, the temperature at an arbitrary point (x, y, z) is θ (x, y, z, t), the three-dimensional unsteady heat conduction equation in the infinite flat plate region and the boundary condition of the imaging surface 4 are expressed by the following equations (1) and (2).

ただし、qは深さ方向の熱流束であり、 Where q z is the heat flux in the depth direction,

と定義される。また、aは熱拡散率、cは比熱、ρは密度、κは熱伝導率、αは撮像面4における総合熱伝達係数、θは撮像面における周囲温度、qは撮像面への熱流束入力である。これらのパラメータは全て既知であり、検査員がデータ入力装置14を用いて画像解析装置12に入力する。 Is defined. Further, a is the thermal diffusivity, c is the specific heat, ρ is the density, κ is the thermal conductivity, α 0 is the total heat transfer coefficient on the imaging surface 4, θ 0 is the ambient temperature on the imaging surface, and q 0 is the temperature to the imaging surface. Heat flux input. All these parameters are known, and the inspector inputs them to the image analysis device 12 using the data input device 14.

欠陥部は、平板表面から深さDの位置にある表面に平行な厚さhの層状の有限領域であり、その境界Γdefectを内部断熱境界と仮定すると、欠陥部上下面における深さ方向熱流束は、 The defect portion is a layered finite region having a thickness h parallel to the surface at a depth D from the flat plate surface, and assuming that the boundary Γ defect is an internal heat insulation boundary, the heat flow in the depth direction on the upper and lower surfaces of the defect portion Bunch

となる。 It becomes.

無限平板領域をz軸方向に仮想的に層分割する。第n番目の層をz∈[zn−1、z]と定め、z=0とする。 An infinite flat plate region is virtually divided into layers in the z-axis direction. The n-th layer is defined as z∈ [z n−1 , z n ], and z 0 = 0.

次に、上記の支配方程式(1)をx、yに関して2重フーリエ変換すると、式(5)を得る。   Next, when the above governing equation (1) is subjected to double Fourier transform with respect to x and y, equation (5) is obtained.

ここで、Fxyはx、yに関する2重フーリエ変換、ハットは2重フーリエ変換領域での量を表す。また、k(=√(k +k ))、kおよびkは、x、y軸方向の波数である。 Here, F xy represents a double Fourier transform relating to x and y, and a hat represents a quantity in the double Fourier transform region. Further, k (= √ (k x 2 + k y 2)), k x and k y are, x, a wave number of y-axis direction.

式(5)を解くために、温度場と深さ方向熱流束場を時間について、べき展開近似する。   In order to solve equation (5), the temperature field and the depth heat flux field are approximated by power expansion with respect to time.

式(6)の第1式をx、yに関して2重フーリエ変換して式(5)に代入し、時間に関して同次数の係数を等値すると、式(7)を得る。   When the first equation of Equation (6) is subjected to double Fourier transform with respect to x and y and substituted into Equation (5), and the coefficients of the same order with respect to time are equalized, Equation (7) is obtained.

式(7)を、ハットθ、 ハットθM−1、・・・、ハットθの順にzに関する初期値問題として解くと、第n−1層および第n層の温度展開係数の2重フーリエ変換と熱流束展開係数との2重フーリエ変換を関連づける式(8)を得る。 Solving equation (7) as an initial value problem for z in the order of hat θ M , hat θ M−1 ,..., Hat θ 0 , the double of the temperature expansion coefficient of the n−1th layer and the nth layer. Equation (8) relating the double Fourier transform between the Fourier transform and the heat flux expansion coefficient is obtained.

ここで、Hは層間伝達マトリクスであり、波数領域で第n−1層の温度および熱流束を第n層の温度および熱流束に写像するものである。Hを構成するHn mの具体的な内容をm=0からm=2まで示すと、式(9)〜(11)のようになる。 Here, H n is an interlayer transfer matrix, and maps the temperature and heat flux of the (n−1) th layer to the temperature and heat flux of the nth layer in the wave number region. When the specific contents of H n m constituting H n are shown from m = 0 to m = 2, equations (9) to (11) are obtained.

式(8)による内部場の推定は不安定性を有するため、実際には対角ブロックHn 0の代わりにTikhonovの正則化を行った式(12)を用いる。 Since the estimation of the internal field by the equation (8) has instability, the equation (12) obtained by regularizing Tikhonov is actually used instead of the diagonal block H n 0 .

ここで、λは正則化パラメータである。   Here, λ is a regularization parameter.

(逆解析の手順)
以上のように導いた式を用いて、画像解析装置12において実施する逆解析の手順は、以下の通りである。
(Inverse analysis procedure)
The procedure of the inverse analysis performed in the image analysis apparatus 12 using the equation derived as described above is as follows.

まず、解析に必要なパラメータ(撮像面の境界条件、対象物の熱伝導率および熱拡散率)、および、べき展開近似の打ち切り次数Mをデータ入力装置14から入力する。次に、撮像領域4a(z=0)での温度のべき展開係数θと熱流束のべき展開係数qとを計算する。撮像領域4aの温度の展開係数は、時刻t、t+Δt、・・・、t+Δtにおいて赤外線カメラ5で取得した熱画像から、次の連立1次方程式(13)を解くことによって求められる。 First, parameters necessary for the analysis (the boundary condition of the imaging surface, the thermal conductivity and thermal diffusivity of the object), and the power expansion approximation truncation order M are input from the data input device 14. Next, calculate the expansion coefficients q m to the expansion coefficient theta m and heat flux temperature to of the imaging area 4a (z = 0). The expansion coefficient of the temperature of the imaging region 4a is obtained by solving the following simultaneous linear equation (13) from the thermal image acquired by the infrared camera 5 at times t 0 , t 0 + Δt 1 ,..., T 0 + Δt M. Sought by.

また、撮像領域4aの熱流束の展開係数は、既知の境界条件式(2)から撮像領域4aでの深さ方向熱流束を計算した後、次の連立方程式(14)を解くことによって求められる。   Further, the expansion coefficient of the heat flux in the imaging region 4a is obtained by calculating the depth direction heat flux in the imaging region 4a from the known boundary condition equation (2) and then solving the following simultaneous equations (14). .

図3(b)に示すように鏡像拡張してから、これらの温度のべき展開級数および熱流束のべき展開級数を高速2重フーリエ変換することによりベクトル(ハットu0)を求める。このベクトル(ハットu0)を初期値として、式(8)により逐次的に内部境界面におけるベクトル(ハットu)を求めていく。任意の内部境界面における温度分布と深さ方向熱流束分布とは、これらを高速2重逆フーリエ変換し、べき展開式(6)に戻すことによって求めることができる。 After the mirror image expansion as shown in FIG. 3B, the vector (hat u 0 ) is obtained by performing high-speed double Fourier transform on the power expansion series of the temperature and the power expansion series of the heat flux. Using this vector (hat u 0 ) as an initial value, the vector (hat u n ) on the inner boundary surface is sequentially obtained by equation (8). The temperature distribution and the heat flux distribution in the depth direction at an arbitrary inner boundary surface can be obtained by performing high-speed double inverse Fourier transform on these and returning to the power expansion equation (6).

図4は、本実施形態に係る逆解析の手順を示すフローチャートである。まず、データ入力装置14によって、熱伝導率、熱拡散率、表面の境界条件などの逆解析に必要なパラメータを入力する(ステップS1)。続いて、対象構造物2の表面の温度画像を赤外線カメラ5で撮影する(ステップS2、熱画像取得工程)。続いて、べき展開近似の打ち切り次数Mを0に設定して(ステップS3)、あおり補正など必要な処理を行い、表面の温度分布を計算する(ステップS4)。次に、境界条件を用いて表面の熱流束分布を計算し(ステップS5)、式(13)、式(14)を解いて、表面温度のべき展開係数と熱流束のべき展開係数とを計算する(ステップS6、第1の演算工程)。続いて、これらの温度のべき展開級数および熱流束のべき展開級数を高速2重フーリエ変換して、ベクトル(ハットu0)を求める(ステップS7、第2の演算工程)。 FIG. 4 is a flowchart showing the inverse analysis procedure according to the present embodiment. First, parameters necessary for inverse analysis such as thermal conductivity, thermal diffusivity, and surface boundary conditions are input by the data input device 14 (step S1). Subsequently, a temperature image of the surface of the target structure 2 is taken with the infrared camera 5 (step S2, thermal image acquisition step). Subsequently, the truncation order M of the power expansion approximation is set to 0 (step S3), necessary processing such as tilt correction is performed, and the surface temperature distribution is calculated (step S4). Next, the surface heat flux distribution is calculated using the boundary conditions (step S5), and the power expansion coefficient of the surface temperature and the power expansion coefficient of the heat flux are calculated by solving the equations (13) and (14). (Step S6, first calculation step). Subsequently, the power expansion series of the temperature and the power expansion series of the heat flux are subjected to high-speed double Fourier transform to obtain a vector (hat u 0 ) (step S7, second calculation step).

続いて、ベクトル(ハットu0)を初期値として、式(8)により逐次的に内部境界面におけるベクトル(ハットu)を求める。具体的には、まずn=1に設定して(ステップS8)、式(8)により、n−1層目の温度および熱流束のべき展開係数のフーリエ変換からn層目の温度および熱流束のべき展開係数のフーリエ変換を求め(ステップS9)、n層目の表面温度のべき展開係数と熱流束のべき展開係数とを高速2重逆フーリエ変換して、式(6)により、n層目の温度と深さ方向熱流束を求める(ステップS10、第3の演算工程)。n層目の深さが規定の深さに達していない場合(ステップS11において「NO」)、nを1増加させて(ステップS12)、再度ステップS9およびS10を行い、このサイクルをn層目の深さが規定の深さに達するまで繰り返す。 Subsequently, using the vector (hat u 0 ) as an initial value, the vector (hat u n ) on the inner boundary surface is sequentially obtained by Expression (8). Specifically, first, n = 1 is set (step S8), and the temperature and heat flux of the nth layer are obtained from the Fourier transform of the power and the expansion coefficient of the n−1 layer temperature and heat flux according to the equation (8). A Fourier transform of the power expansion coefficient is obtained (step S9), the power expansion coefficient of the surface temperature of the nth layer and the power expansion coefficient of the heat flux are subjected to high-speed double inverse Fourier transform, The eye temperature and the heat flux in the depth direction are obtained (step S10, third calculation step). If the depth of the nth layer does not reach the prescribed depth (“NO” in step S11), n is increased by 1 (step S12), and steps S9 and S10 are performed again, and this cycle is repeated for the nth layer. Repeat until the depth reaches the specified depth.

n層目の深さが規定の深さに達した場合(ステップS11において「YES」)、一定時間をおいて対象構造物2の表面の温度画像を赤外線カメラ5で撮影する(ステップS13、熱画像取得工程)。ここで、式(13)によって、表面温度の予測を行い、ステップS13において撮影された温度画像と予測温度との誤差が規定範囲内であるかを判定する(ステップS14)。上記誤差が規定範囲内ではない場合(ステップS14において「NO」)、べき展開近似の打ち切り次数Mを1増加させて(ステップS15)、再度ステップS4〜S14の処理を繰り返す。上記誤差が規定範囲内である場合(ステップS14において「YES」)、撮像面の各点における深さ方向熱流束を深さ方向にスキャンし深さ方向熱流束の絶対値が最小になる深さを求めてこれを欠陥深さとし(ステップS16、第4の演算工程)、各点の欠陥深さを画像化した深さ画像を作成する(ステップS17)。   When the depth of the n-th layer reaches a prescribed depth (“YES” in step S11), a temperature image of the surface of the target structure 2 is taken with the infrared camera 5 after a certain time (step S13, heat Image acquisition process). Here, the surface temperature is predicted by the equation (13), and it is determined whether the error between the temperature image photographed in step S13 and the predicted temperature is within the specified range (step S14). If the error is not within the specified range (“NO” in step S14), the power expansion approximation truncation order M is incremented by 1 (step S15), and the processes in steps S4 to S14 are repeated again. When the error is within the specified range (“YES” in step S14), the depth direction heat flux at each point on the imaging surface is scanned in the depth direction, and the depth at which the absolute value of the depth direction heat flux is minimized. Is determined as the defect depth (step S16, fourth calculation step), and a depth image in which the defect depth at each point is imaged is created (step S17).

以上のようにして撮像領域4aから深さ方向に順次内部層の温度および深さ方向熱流束の分布を求めていき、各点において深さ方向熱流束がゼロになる深さに断熱層(すなわち欠陥)が存在すると判定する。   As described above, the temperature of the inner layer and the distribution of the heat flux in the depth direction are sequentially obtained from the imaging region 4a in the depth direction, and the heat insulating layer (ie, the depth direction heat flux is zero at each point). It is determined that there is a defect.

続いて、深さ画像を表示装置13に表示することにより、欠陥の深さと形状を可視化することができる(ステップS18)。図5は、推定された欠陥の深さ画像の一例を示している。深さ画像では、推定された欠陥の撮像領域4aからの深さが色情報として各ピクセルにマッピングされており、深さと色との対応関係はカラーバーに示される。したがって、欠陥の状態を直感的に把握することができる。   Subsequently, by displaying the depth image on the display device 13, the depth and shape of the defect can be visualized (step S18). FIG. 5 shows an example of an estimated defect depth image. In the depth image, the estimated depth of the defect from the imaging region 4a is mapped to each pixel as color information, and the correspondence between the depth and the color is indicated by a color bar. Therefore, it is possible to intuitively grasp the defect state.

以上のように、本実施形態に係る欠陥診断システム1では、従来の欠陥診断システムにおいて実用化に向けての障害となっていた定常性の条件を取り除き、非定常な熱画像から欠陥像の再構築を行うことができるので、欠陥の形状および深さを短時間で正確に検知できる。   As described above, in the defect diagnosis system 1 according to the present embodiment, the stationary condition that has been an obstacle to the practical use in the conventional defect diagnosis system is removed, and the defect image is restored from the unsteady thermal image. Since the construction can be performed, the shape and depth of the defect can be accurately detected in a short time.

本発明に係る欠陥診断システムによって、短時間で正確に欠陥の形状および深さを検知できることを確認するため、下記のような実験を行った。   In order to confirm that the defect shape and depth can be accurately detected in a short time by the defect diagnosis system according to the present invention, the following experiment was conducted.

図6は、本実施例に係る実験の概略構成を示す図である。同図に示すように、ホットプレート20の上に熱伝導性のシリコンラバーシート21を挟んでモルタル試験片22を載せた。シリコンラバーシート21は、モルタル試験片22とホットプレート20との隙間をなくし、モルタル試験片22の背面が均一に加熱されるようにするために用いた。ホットプレートの温度を50℃に設定してモルタル試験片22を加熱し、試験片の真上に赤外線カメラを固定し、モルタル試験片22の表面の熱画像を撮影した。また、モルタル試験片22の側面はスタイロフォームで囲い、断熱境界を再現した。   FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic configuration of an experiment according to the present embodiment. As shown in the figure, a mortar test piece 22 was placed on a hot plate 20 with a thermally conductive silicon rubber sheet 21 interposed therebetween. The silicon rubber sheet 21 was used in order to eliminate the gap between the mortar test piece 22 and the hot plate 20 and to uniformly heat the back surface of the mortar test piece 22. The temperature of the hot plate was set to 50 ° C., the mortar test piece 22 was heated, an infrared camera was fixed immediately above the test piece, and a thermal image of the surface of the mortar test piece 22 was taken. Moreover, the side surface of the mortar test piece 22 was enclosed with styrofoam to reproduce the heat insulation boundary.

モルタル試験片22は、一辺300mm、厚さ60mmの直方体である。モルタル試験片22の内部には、人工欠陥として、撮像面のほぼ中央の、撮像面から深さ20mmの位置に、一辺100mm、厚さ10mmの正方形状のスタイロフォームを埋め込んだ。以上の構成で、赤外線カメラによって撮影した複数毎の熱画像データに基づいて、欠陥の深さを推定した。   The mortar test piece 22 is a rectangular parallelepiped having a side of 300 mm and a thickness of 60 mm. Inside the mortar test piece 22, a square styrofoam having a side of 100 mm and a thickness of 10 mm was embedded as an artificial defect at a position 20 mm deep from the imaging surface in the center of the imaging surface. With the above configuration, the depth of the defect was estimated based on the plurality of thermal image data photographed by the infrared camera.

図7(a)〜(c)はそれぞれ、加熱開始から26分後、28分後および30分後の表面温度画像を示している。   7A to 7C show surface temperature images after 26 minutes, 28 minutes and 30 minutes from the start of heating, respectively.

また、図8および図9は、図7に示す表面温度画像を元に逆解析を行い、深さ画像を計算した結果を示す図である。ここで、図8は、定常モデルに基づく逆解析法(非特許文献2の手法)を用いた結果を示しており、図9は、本発明による逆解析法(M=2)を用いた結果を示している。定常モデルに基づく手法では、推定された欠陥の深さ(9mm)が実際(20mm)よりはるかに浅い。一方、本発明による手法では、推定された欠陥の深さが24mmであり、ほぼ正確に欠陥の深さが推定されている。この結果から、本発明に係る欠陥測定方法は、非定常状態の対象構造物であっても、正確に欠陥の深さを測定できることが分かる。また、測定時間が4分と非常に短時間であるため、実用性が高い。   8 and 9 are diagrams showing the results of performing a reverse analysis based on the surface temperature image shown in FIG. 7 and calculating the depth image. Here, FIG. 8 shows the result using the inverse analysis method based on the steady model (the method of Non-Patent Document 2), and FIG. 9 shows the result using the inverse analysis method (M = 2) according to the present invention. Is shown. In the method based on the steady model, the estimated defect depth (9 mm) is much shallower than the actual (20 mm). On the other hand, in the method according to the present invention, the estimated depth of the defect is 24 mm, and the depth of the defect is estimated almost accurately. From this result, it can be seen that the defect measurement method according to the present invention can accurately measure the depth of the defect even for a target structure in an unsteady state. Moreover, since the measurement time is as short as 4 minutes, it is highly practical.

また、本発明に係る欠陥診断システムによって、短時間で正確に欠陥の形状および深さを検知できることを確認するため、シミュレーションによる下記のような数値実験を行った。   Further, in order to confirm that the defect shape and depth can be accurately detected in a short time by the defect diagnosis system according to the present invention, the following numerical experiment by simulation was performed.

図10(a)は、本実施例において用いる直方体モデル30を示す平面図であり、(b)は、直方体モデル30の断面図である。直方体モデル30の材質はモルタルを想定し、縦0.3m、横0.3m、高さ0.06mである。また、直方体モデル30は、欠陥として表面(撮像面)30aからDの深さに、厚さ0.01mの正方形状の欠陥(空洞)31を有するとする。欠陥31の内部境界全てを断熱境界、側面全てを断熱境界、表面を熱伝達境界とし、初期温度は室温とする。時刻ゼロから背面30bに一定温度拘束を与えて有限要素法によって非定常熱伝導解析を行い、得られた内部温度場および熱流束場を逆問題に対する真値として扱った。有限要素解析に用いたパラメータの値を表1に示す。   FIG. 10A is a plan view showing a rectangular parallelepiped model 30 used in the present embodiment, and FIG. 10B is a cross-sectional view of the rectangular parallelepiped model 30. The material of the rectangular parallelepiped model 30 is assumed to be mortar, and is 0.3 m in length, 0.3 m in width, and 0.06 m in height. The rectangular parallelepiped model 30 is assumed to have a square-shaped defect (cavity) 31 having a thickness of 0.01 m at a depth D from the surface (imaging surface) 30a as a defect. All the internal boundaries of the defect 31 are defined as heat insulation boundaries, all side surfaces are defined as heat insulation boundaries, and the surface is defined as a heat transfer boundary. The initial temperature is room temperature. Unsteady heat conduction analysis was performed by the finite element method with a constant temperature constraint on the back surface 30b from time zero, and the obtained internal temperature field and heat flux field were treated as true values for the inverse problem. Table 1 shows the parameter values used in the finite element analysis.

図11は、D=0.02mの場合について、有限要素解析で求めた直方体モデル30の表面温度分布を示す図であり、(a)加熱開始20分後の表面温度分布を示しており、(b)は、加熱開始60分後の表面温度分布を示している。図11では、欠陥31に対応する位置で低温部が出現していることがわかるが、低温部の輪郭は不明瞭で欠陥形状が判別できない上に、欠陥31の深さに関する情報は得られない。   FIG. 11 is a diagram showing the surface temperature distribution of the rectangular parallelepiped model 30 obtained by finite element analysis in the case of D = 0.02 m, (a) shows the surface temperature distribution 20 minutes after the start of heating, b) shows the surface temperature distribution 60 minutes after the start of heating. In FIG. 11, it can be seen that a low temperature portion appears at a position corresponding to the defect 31, but the outline of the low temperature portion is unclear and the defect shape cannot be determined, and information on the depth of the defect 31 cannot be obtained. .

図12は、加熱開始20分後の推定した内部熱流束分布から作成した深さ画像であり、(a)は、0次近似の場合を示しており、(b)は、2次近似の場合を示している。また、図13は、加熱開始60分後の推定した内部熱流束分布から作成した深さ画像であり、(a)は、0次近似の場合を示しており、(b)は、2次近似の場合を示している。図12および図13において、画像右隣のバーは、推定された深さ(単位m)を表している。   FIG. 12 is a depth image created from the estimated internal heat flux distribution 20 minutes after the start of heating. (A) shows the case of the 0th order approximation, and (b) shows the case of the second order approximation. Is shown. FIG. 13 is a depth image created from the estimated internal heat flux distribution 60 minutes after the start of heating. FIG. 13A shows the case of the zeroth order approximation, and FIG. 13B shows the second order approximation. Shows the case. 12 and 13, the bar on the right side of the image represents the estimated depth (unit m).

図12(a)に示すように、0次近似の場合は、一見、欠陥像が鮮明化されているようであるが、深さの値は全く正確でなく、ごく表面に近い値として推定されている。これに対し、図12(b)に示すように、2次近似の場合は、得られた深さ画像は元の温度画像に比べて欠陥像が縮小されているものの輪郭は鮮明化されており、欠陥が正方形であること、および、その深さが0.02m付近であることが明瞭に読み取れる。同様の傾向は図13においても見られるが、2次近似の場合の欠陥像の縮小は比較的軽微である。   As shown in FIG. 12A, in the case of the 0th order approximation, the defect image seems to be sharp at first glance, but the depth value is not accurate at all and is estimated as a value very close to the surface. ing. On the other hand, as shown in FIG. 12B, in the case of the quadratic approximation, the obtained depth image has a sharper outline although the defect image is reduced compared to the original temperature image. It can be clearly read that the defect is square and the depth is around 0.02 m. A similar tendency can be seen in FIG. 13, but the reduction of the defect image in the second-order approximation is relatively slight.

温度場の時間依存性のべき展開近似次数の影響を詳しく見るため、直方体モデル30の中央点における温度と熱流束の推定値の深さ方向分布を、真値とともにプロットしたものを図14および図15に示す。熱流束のグラフにはゼロレベルを破線で示しているが、これと熱流束の曲線との交点が中央点における欠陥深さである。   In order to examine in detail the influence of the power expansion approximation order of the time dependence of the temperature field, FIG. 14 and FIG. As shown in FIG. In the heat flux graph, the zero level is indicated by a broken line, and the intersection of this and the heat flux curve is the defect depth at the center point.

まず、近似次数の違いの影響に着目すると、0次近似より2次近似のほうが内部温度・熱流束場の深さ方向依存性を適切に表現できていることがわかる。すなわち、時間依存性の表現力を高めることが空間依存性の表現力をも高めている。このことは、前述の式(7)を使って説明することが可能である。式(7)で波数をゼロとした式は、各層の温度の面内積分値を与える式となる。ここで、M=0とすると(0次近似)、式(7)は、   First, paying attention to the influence of the difference in approximation order, it can be seen that the second-order approximation can more appropriately express the dependency of the internal temperature and the heat flux field in the depth direction than the zero-order approximation. That is, increasing the time-dependent expressive power also increases the spatial-dependent expressive power. This can be explained using equation (7) above. The expression in which the wave number is zero in Expression (7) is an expression that gives an in-plane integral value of the temperature of each layer. Here, if M = 0 (0th order approximation), Equation (7) is

となり、これより、温度の面内積分値は深さ方向に1次関数として推定されることがわかる。M=1とした場合(1次近似)は、 From this, it can be seen that the in-plane integral value of the temperature is estimated as a linear function in the depth direction. When M = 1 (first order approximation),

となり、温度の面内積分値は、深さ方向に3次関数になり、同様に、M=2とした場合(2次近似)は5次関数になる。つまり、温度の時間依存性のべき展開近似の次数を高くすると、時間依存性の表現力が高められて、より強い非定常性を持ったデータに対応できるようになると同時に、空間依存性の表現力も高められ、その結果、深さの推定精度が向上する。 Thus, the in-plane integral value of the temperature becomes a cubic function in the depth direction. Similarly, when M = 2 (second-order approximation), it becomes a quintic function. In other words, if the degree of expansion of the power-dependent time dependence of the temperature is increased, the power of time-dependent expression can be improved, and it becomes possible to deal with data with stronger unsteadiness, while at the same time expressing spatial dependence. The force is also increased, resulting in improved depth estimation accuracy.

次に、加熱開始後の経過時刻による違いを見てみると、加熱開始20分後では、加熱面(深さ0.06m)から始まった温度上昇が欠陥の下流側にほとんど到達していないのに対し、加熱開始60分後では、欠陥下流側の領域の温度が十分に上昇している。これによって欠陥縁部を迂回して通過する深さ方向の熱流束が大きくなり、図12(b)に比べて図13(b)の欠陥縁部の形状推定精度が高まっている。   Next, looking at the difference depending on the elapsed time after the start of heating, 20 minutes after the start of heating, the temperature rise that started from the heating surface (depth 0.06 m) hardly reached the downstream side of the defect. On the other hand, after 60 minutes from the start of heating, the temperature in the region downstream of the defect is sufficiently increased. As a result, the heat flux in the depth direction passing around the defect edge is increased, and the shape estimation accuracy of the defect edge in FIG. 13B is higher than that in FIG. 12B.

最後に、非定常性を考慮した本発明に係る逆解析手法の有効性を確認するために、使用する画像の撮影時刻(加熱開始からの経過時間)と欠陥深さの推定値との関係を、欠陥深さD=0.02mおよびD=0.04mの場合についてプロットしたものを、それぞれ図16(a)および(b)に示す。同図より、全体的な傾向として、加熱開始から時間が経過するほど推定精度が高くなっていくことが分かる。これは、加熱開始からの時間が経過するにしたがって、系が定常状態に近づいていくためである。   Finally, in order to confirm the effectiveness of the inverse analysis method according to the present invention in consideration of unsteadiness, the relationship between the imaging time of the image to be used (elapsed time from the start of heating) and the estimated value of the defect depth FIG. 16A and FIG. 16B show plots for the case of the defect depth D = 0.02 m and D = 0.04 m, respectively. From the figure, it can be seen that as a general tendency, the estimation accuracy increases as time elapses from the start of heating. This is because the system approaches a steady state as time elapses from the start of heating.

特に、0次近似すなわち定常熱伝導場を仮定した解法は、系が定常状態に至る過渡領域(非定常領域)においては全く信頼性がない。これに対し、1次近似の非定常熱伝導場を仮定した解法では著しく精度が向上し、2次近似の非定常熱伝導場を仮定した解法では、浅い欠陥に対しては良好な深さ推定精度を確保できている。なお、深い欠陥については、さらに高次の近似の非定常熱伝導場を仮定した解法を採用すればよい。   In particular, a solution that assumes a zero-order approximation, that is, a steady heat conduction field, has no reliability at all in a transient region (unsteady region) where the system reaches a steady state. On the other hand, the accuracy of the solution assuming a first-order approximate unsteady heat conduction field is remarkably improved, and the solution assuming a second-order approximation unsteady heat conduction field provides a good depth estimation for shallow defects. Accuracy is secured. For deep defects, a solution that assumes a higher-order approximate unsteady heat conduction field may be adopted.

(実施形態の総括)
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
(Summary of embodiment)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

本発明は、構造物内部の剥離や空洞などの欠陥を検出する欠陥診断システムに利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a defect diagnosis system that detects defects such as peeling and cavities inside a structure.

1 欠陥診断システム
2 対象構造物
3 日射
4 撮像面
4a 撮像領域
4b 低温部分
5 赤外線カメラ(サーモグラフィ装置)
6 熱流束
7 剥離欠陥(欠陥)
10 コンピュータ
11 画像記憶装置
12 画像解析装置(鏡像周期拡張手段、逆解析手段、欠陥可視化手段)
13 表示装置(欠陥可視化手段)
14 データ入力装置
20 ホットプレート
21 シリコンラバーシート
22 モルタル試験片(対象構造物)
30 直方体モデル(対象構造物)
30a 表面
30b 背面
31 欠陥
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Defect diagnosis system 2 Target structure 3 Solar radiation 4 Imaging surface 4a Imaging area 4b Low temperature part 5 Infrared camera (thermography apparatus)
6 Heat flux 7 Peeling defect (defect)
10 Computer 11 Image storage device 12 Image analysis device (mirror period expansion means, inverse analysis means, defect visualization means)
13 Display device (defect visualization means)
14 Data Input Device 20 Hot Plate 21 Silicon Rubber Sheet 22 Mortar Test Piece (Target Structure)
30 Cuboid model (target structure)
30a Front surface 30b Rear surface 31 Defect

Claims (6)

対象構造物の内部の欠陥を検知する欠陥診断方法であって、
所定の時間間隔における上記対象構造物の表面の少なくとも一部の複数の熱画像を取得する熱画像取得工程と、
取得された各熱画像について、画像と当該画像の鏡像対称画像とを繋ぎ合わせ、当該鏡像対称画像と当該鏡像対称画像のさらなる鏡像対称画像とをさらに繋ぎ合わせる処理を繰り返すことにより、複数の無限熱画像を作成する鏡像周期拡張工程と、
上記複数の無限熱画像に基づいて、逆解析によって上記欠陥の形状および上記表面からの深さを推定する逆解析工程と、
を有することを特徴とする欠陥診断方法。
A defect diagnosis method for detecting defects inside a target structure,
A thermal image acquisition step of acquiring a plurality of thermal images of at least a part of the surface of the target structure at a predetermined time interval;
For each acquired thermal image, by repeating the process of connecting the image and the mirror-symmetric image of the image, and further connecting the mirror-image-symmetric image and the further mirror-symmetric image of the mirror-image symmetrical image, a plurality of infinite heat Mirror period expansion process to create an image,
Based on the plurality of infinite thermal images, an inverse analysis step of estimating the shape of the defect and the depth from the surface by inverse analysis;
A defect diagnosis method characterized by comprising:
上記熱画像取得工程では、M+1(Mは1以上の整数)枚の熱画像を取得し、上記熱画像の撮像面は矩形であり、
上記逆解析工程は、
上記熱画像取得工程の時刻t、t+Δt、・・・、t+Δtにおける熱画像から、下記の式(A)によって、上記撮像面の温度のべき展開係数を求め、下記の式(B)によって、上記撮像面の深さ方向熱流束のべき展開係数を求める第1の演算工程と、
上記温度のべき展開係数と上記熱流束のべき展開係数とを2重フーリエ変換する第2の演算工程と、
下記の式(C)により、規定の深さに位置するn(nは1以上の整数)層目の温度と深さ方向熱流束とを求める第3の演算工程と、
撮像面の各点における深さ方向熱流束の絶対値が最小になる深さを求める第4の演算工程と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の欠陥診断方法。
θ:撮像面の温度のm次べき展開係数
:撮像面の深さ方向熱流束のm次べき展開係数
x:撮像面の横方向の座標
y:撮像面の縦方向の座標
z:撮像面に垂直な深さ方向の座標
θ(x、y、z、t):任意の点(x、y、z)任意の時刻tにおける温度
(x、y、z、t):任意の点(x、y、z)任意の時刻tにおける深さ方向の熱流束
a:熱拡散率 a=κ/(cρ)
c:比熱
ρ:密度
κ:熱伝導率
α:撮像面における総合熱伝達係数
θ:撮像面における周囲温度
:撮像面への熱流束入力
xy:x、yに関する2重フーリエ変換
IFxy:x、yに関する2重逆フーリエ変換
:x軸方向の波数
:y軸方向の波数
In the thermal image acquisition step, M + 1 (M is an integer of 1 or more) thermal images are acquired, and the imaging surface of the thermal image is rectangular,
The reverse analysis step is
From the thermal images at times t 0 , t 0 + Δt 1 ,..., T 0 + Δt M of the thermal image acquisition step, the expansion coefficient of the temperature of the imaging surface is obtained by the following equation (A), A first calculation step of obtaining a power expansion coefficient of the heat flux in the depth direction of the imaging surface according to the formula (B);
A second calculation step of performing a double Fourier transform between the power expansion coefficient of the temperature and the power expansion coefficient of the heat flux;
A third calculation step for obtaining a temperature and a depth direction heat flux of an n (n is an integer of 1 or more) layer located at a specified depth by the following formula (C);
A fourth calculation step for obtaining a depth at which the absolute value of the heat flux in the depth direction at each point on the imaging surface is minimized;
The defect diagnosis method according to claim 1, further comprising:
θ m : m-th order expansion coefficient of the imaging surface temperature q m : m-th order expansion coefficient of the heat flux in the depth direction of the imaging surface x: horizontal coordinate of the imaging surface y: vertical coordinate of the imaging surface z: Coordinates in the depth direction perpendicular to the imaging surface θ (x, y, z, t): Arbitrary point (x, y, z) Temperature at arbitrary time t q z (x, y, z, t): Arbitrary (X, y, z) in the depth direction at an arbitrary time t a: thermal diffusivity a = κ / (cρ)
c: Specific heat ρ: Density κ: Thermal conductivity α 0 : Total heat transfer coefficient on the imaging surface θ 0 : Ambient temperature on the imaging surface q 0 : Heat flux input to the imaging surface F xy : Double Fourier transform for x and y IF xy : Double inverse Fourier transform for x and y k x : Wave number in the x-axis direction k y : Wave number in the y-axis direction
上記逆解析工程の後に、
推定された欠陥の上記表面からの深さを色情報としてマッピングする欠陥可視化工程を有することを特徴とする請求項1または2に記載の欠陥診断方法。
After the reverse analysis step,
The defect diagnosis method according to claim 1, further comprising a defect visualization step of mapping a depth of the estimated defect from the surface as color information.
サーモグラフィ装置とコンピュータとを備え、
対象構造物の内部の欠陥を検知する欠陥診断システムであって、
上記サーモグラフィ装置は、上記対象構造物の表面の少なくとも一部を所定の時間間隔をおいて撮影して、複数の熱画像を取得し、
上記コンピュータは、
取得された各熱画像について、画像と当該画像の鏡像対称画像とを繋ぎ合わせ、当該鏡像対称画像と当該鏡像対称画像のさらなる鏡像対称画像とをさらに繋ぎ合わせる処理を繰り返すことにより、複数の無限熱画像を作成する鏡像周期拡張手段と、
上記複数の無限熱画像に基づいて、逆解析によって上記欠陥の形状および上記表面からの深さを推定する逆解析手段と、
を有することを特徴とする欠陥診断システム。
A thermography device and a computer,
A defect diagnosis system for detecting defects inside a target structure,
The thermography device captures at least a part of the surface of the target structure at a predetermined time interval to obtain a plurality of thermal images,
The computer
For each acquired thermal image, by repeating the process of connecting the image and the mirror-symmetric image of the image, and further connecting the mirror-image-symmetric image and the further mirror-symmetric image of the mirror-image symmetrical image, a plurality of infinite heat Mirror image period expansion means for creating an image;
Inverse analysis means for estimating the shape of the defect and the depth from the surface by inverse analysis based on the plurality of infinite thermal images,
A defect diagnosis system comprising:
上記サーモグラフィ装置は、M+1(Mは1以上の整数)枚の熱画像を取得し、上記熱画像の撮像面は矩形であり、
上記逆解析手段は、
上記サーモグラフィ装置が時刻t、t+Δt、・・・、t+Δtに取得した熱画像から、下記の式(A)によって、上記撮像面の温度のべき展開係数を求め、
下記の式(B)によって、上記撮像面の熱流束のべき展開係数を求め、
上記温度のべき展開係数と上記熱流束のべき展開係数とを2重フーリエ変換し、
下記の式(C)により、規定の深さに位置するn(nは1以上の整数)層目の温度と深さ方向熱流束とを求め、
撮像面の各点における深さ方向熱流束の絶対値が最小になる深さを求めることを特徴とする請求項4に記載の欠陥診断システム。
θ:撮像面の温度のm次べき展開係数
:撮像面の深さ方向熱流束のm次べき展開係数
x:撮像面の横方向の座標
y:撮像面の縦方向の座標
z:撮像面に垂直な深さ方向の座標
θ(x、y、z、t):任意の点(x、y、z)任意の時刻tにおける温度
(x、y、z、t):任意の点(x、y、z)任意の時刻tにおける深さ方向の熱流束
a:熱拡散率 a=κ/(cρ)
c:比熱
ρ:密度
κ:熱伝導率
α:撮像面における総合熱伝達係数
θ:撮像面における周囲温度
:撮像面への熱流束入力
xy:x、yに関する2重フーリエ変換
IFxy:x、yに関する2重逆フーリエ変換
:x軸方向の波数
:y軸方向の波数
The thermography apparatus acquires M + 1 (M is an integer of 1 or more) thermal images, and the imaging surface of the thermal image is rectangular,
The inverse analysis means is
From the thermal images acquired by the thermography device at times t 0 , t 0 + Δt 1 ,..., T 0 + Δt M , a power expansion coefficient of the temperature of the imaging surface is obtained by the following equation (A):
The expansion coefficient of the heat flux of the imaging surface is obtained by the following equation (B),
Double Fourier transform the power expansion coefficient of the temperature and the power expansion coefficient of the heat flux,
According to the following formula (C), the temperature and the depth direction heat flux of the n layer (n is an integer of 1 or more) located at the specified depth are obtained,
The defect diagnosis system according to claim 4, wherein a depth at which an absolute value of the heat flux in the depth direction at each point on the imaging surface is minimized is obtained.
θ m : m-th order expansion coefficient of the imaging surface temperature q m : m-th order expansion coefficient of the heat flux in the depth direction of the imaging surface x: horizontal coordinate of the imaging surface y: vertical coordinate of the imaging surface z: Coordinates in the depth direction perpendicular to the imaging surface θ (x, y, z, t): Arbitrary point (x, y, z) Temperature at arbitrary time t q z (x, y, z, t): Arbitrary (X, y, z) in the depth direction at an arbitrary time t a: thermal diffusivity a = κ / (cρ)
c: Specific heat ρ: Density κ: Thermal conductivity α 0 : Total heat transfer coefficient on the imaging surface θ 0 : Ambient temperature on the imaging surface q 0 : Heat flux input to the imaging surface F xy : Double Fourier transform for x and y IF xy : Double inverse Fourier transform for x and y k x : Wave number in the x-axis direction k y : Wave number in the y-axis direction
上記コンピュータは、
推定された欠陥の上記表面からの深さを色情報としてマッピングする欠陥可視化手段を有することを特徴とする請求項4または5に記載の欠陥診断システム。
The computer
6. The defect diagnosis system according to claim 4, further comprising defect visualizing means for mapping a depth of the estimated defect from the surface as color information.
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