JPH09138205A

JPH09138205A - 赤外線サーモグラフィによる材料の欠陥検出方法

Info

Publication number: JPH09138205A
Application number: JP7321099A
Authority: JP
Inventors: Katsunobu Nonaka; 中勝信野; Makoto Tanaka; 中誠田; Kazuyoshi Sekine; 根和喜関
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1997-05-27
Also published as: US5834661A

Abstract

(57)【要約】【課題】赤外線サーモグラフィによる材料の欠陥検出
のために被験体に温度場を与えるに際し、材料表面の状
態を外乱から守り、かつ熱画像の再現性が良好に保持さ
れ得るように温度場を付与する。【解決手段】被験体１に温度場を与えて赤外線サーモ
グラフィによる材料の欠陥検出を行うに際し、被験体１
を、温度制御装置４により制御される電子冷熱プレート
２の表面に密接して加熱・冷却する。また、真空チャン
バー３により赤外線カメラ７と被験体１との間を真空状
態に保持して、その赤外線カメラで得られる熱画像から
材料の欠陥検出を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子冷熱を利用し
た赤外線サーモグラフィによる材料の欠陥検出方法に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から知られている材料欠陥の検出法
として、ＡＥ法、超音波法、磁気探傷法などが挙げられ
るが、これらの方法は、被験体にセンサーを接近させた
り、接触させなければならないという点で用途が限定さ
れる。一方、高分解能を持ち、かつ高精度な赤外線検出
器を用いてリモートセンシングで検査を行うサーモグラ
フィ技術は、材料表面や内部などの欠陥（きず、剥離、
気泡等）を非接触で検出できる有力な非破壊検査技術で
ある。

【０００３】この赤外線サーモグラフィによる材料の欠
陥や損傷の検出技術においては、被験体に何らかの方法
で適当な温度場を与えなければならない。そのため、こ
の温度場を与える各種の方法が既に開発され、その有効
性が報告されている。その方法は、「被験体の表面また
は裏面をヒーターなどにより加熱または冷却する方式」
や、「赤外線カメラ方向から熱風や冷風を吹き付けたの
ち自然冷却および送風による強制冷却をすることによっ
て生じた表面の温度分布から欠陥を検出する方式」など
である。

【０００４】しかしながら、これらの方式にはいくつか
の問題点がある。すなわち、試料表面の温度分布は、温
度場の与え方や周辺温度に大きく影響されやすく、温度
のゆらぎからくる温度むらなどによって、微小欠陥の検
出が難しくなるなどの問題点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、上記赤外線サーモグラフィによる材料の欠陥検出の
ために被験体に温度場を与えるに際し、材料表面の状態
を外乱から守り、かつ熱画像の再現性が良好に保持され
得るような温度場の付与手段を提供することにある。本
発明の他の技術的課題は、試料の冷却と加熱を精度良く
コントロールし、試料に任意の一定の熱サイクルを与え
ることを可能にした赤外線サーモグラフィによる材料の
欠陥検出方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の材料の欠陥検出方法は、被験体に温度場を与
えて赤外線サーモグラフィによる材料の欠陥検出を行う
に際し、被験体を、温度制御装置により制御される電子
冷熱プレートの表面に密接して加熱・冷却し、真空チャ
ンバーにより赤外線カメラと被験体との間を真空状態に
保持して、その赤外線カメラで得られる熱画像から材料
の欠陥検出を行うことを特徴とするものである。

【０００７】上記欠陥検出方法においては、被験体の表
面に耐熱塗料を塗着して熱画像による材料の欠陥検出を
行うことができ、また、赤外線カメラにおいて同一の被
験体につき異条件で得られた熱画像について、画像相互
の減算処理により熱画像を鮮明化することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る電子冷熱利
用の赤外線サーモグラフィによる材料の欠陥検出方法を
実施するための装置の構成例を示している。この装置
は、被験体１の加熱・冷却媒体として、熱半導体による
ペルチェイ効果（Peltier effect）を利用した電子冷熱
プレート（サーモモジュール）２を用い、真空チャンバ
ー３を通して熱画像計測を行うようにしたものである。

【０００９】このペルチェイ効果を利用した電子冷熱プ
レート２は、Ｐ型素子とＮ型素子からなる２種類の熱電
半導体と金属電極で接合したパイ型直列回路において、
Ｐ−Ｎ対（couple）のＮ→Ｐ方向に電流を流すことによ
って、パイ型の上部で吸熱、下部で発熱が起こるもので
ある。そして、熱が上部から下部へポンピングされ、加
熱・冷却を行うことができる。

【００１０】図１の装置では、この電子冷熱プレート２
を、その表面に被験体１を密接して加熱・冷却できるよ
うにしたうえで、真空チャンバー３の一側に組み付け、
ゲルマニウム観察窓６を通して赤外線カメラ７と被験体
１との間を真空状態に保持できるようにしている。これ
は、大気中における被験体表面温度分布の外気による外
乱条件を取り除くためである。赤外線カメラ７において
得られた熱画像は、イメージプロセッサ８において適宜
処理することができ、例えば、画像相互の減算処理によ
り加熱・冷却速度の異なる画像の微小欠陥を鮮明化する
ことができる。また、電子冷熱プレート２には、レギュ
レータ５を介して温度制御装置（パソコン）４を接続し
ている。そのため、被験体１の加熱・冷却の温度は、温
度制御装置４から入出力インターフェース（ＲＳ−２３
２Ｃ）を介して電子冷熱プレート２を自動的に制御する
ことにより行われる。

【００１１】上記装置においては、被験体１の表面温度
を−３０℃〜７０℃までの範囲で５秒間隔でコントロー
ルでき、図２に例示するように、一定の加熱・冷却速度
を有する任意の熱サイクルを被験体１に与えることが可
能となる。なお、電子冷熱プレート２の加熱・冷却を安
定的に、かつ精度良く行うため、ここでは昇温・降温の
ための温度制御プログラムを開発しており、このプログ
ラムによって、昇温・降温速度を各々の試験条件に合わ
せて行うことができるようにしている。

【００１２】前記赤外線サーモグラフィによる材料の欠
陥検出のために被験体に温度場を与えるに際し、このよ
うにして、被験体の昇温・降温を安定的に、かつ精度良
く行い、その過程での被験体１の表面温度分布を、真空
チャンバー３を通して赤外線カメラ７で計測することに
より、外気による外乱を取り除いて、熱画像の再現性が
良好に保持され得るような温度場を付与し、容易に欠陥
検出を行うことができる。なお、以下の実施例において
は、本発明の方法をＧＦＲＰ積層板複合材料と不飽和ポ
リエステル樹脂板の微小内部欠陥の検出に適用する場合
について説明するが、本発明の対象は、これらの被験体
に限るものではなく、その他の複合材料や合成樹脂材
料、あるいは各種金属やセラミックス材料における欠陥
検出にも適用することができる。

【００１３】また、上記欠陥検出方法においては、被験
体の表面に耐熱塗料を塗着することにより、熱画像によ
る材料の欠陥検出を一層鮮明に行うことができ、また、
赤外線カメラにおいて同一の被験体につき異条件で得ら
れた熱画像について、画像相互の減算処理を行うことに
よっても熱画像を鮮明化することができる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明の実施例として、上記図１の
装置を用いてＧＦＲＰ積層板複合材料と不飽和ポリエス
テル樹脂板の微小内部欠陥の検出を行った結果を、真空
中と大気中との比較、加熱・冷却速度および試料表面の
塗料の影響等を含めて詳細に説明する。ここで用いた試
料表面温度測定用装置は、日本電子三栄製の１１０１型
赤外線放射温度測定装置で、この装置の検出素子はＨｇ
ＣｄＴｅであり、検出器は液体窒素冷却型、計測可能な
波長領域は８〜１３μｍである。１画像をとるフレーム
時間は１秒とした。また、試験温度範囲は−５０℃〜２
００℃である。なお、本実験での最小検知温度差は０．
１℃である。

【００１５】試料としては、ＧＦＲＰ複合材料（積層数
４プライのガラス強化平織クロス／不飽和エポキシ積層
板）の縦横３０×４０ｍｍで板厚１ｍｍの板を３枚用意
し、両面テープでこれらを重ねて、厚さ３ｍｍの板とし
た。そして、中央層の板に機械加工で径０．８ｍｍ，
１．５ｍｍおよび３ｍｍの人口穴欠陥を施した。これを
試料Ａとする。また、カーボン繊維（Ｔ−３００）１ス
トランドを不飽和ポリエステル樹脂の長手方向中央部に
入れ、これらを厚さ４ｍｍの板に注型し、試料内部に径
０．０５ｍｍ〜０．４ｍｍまでの各サイズを有する気泡
欠陥を作った。これを試料Ｂとする。実験は、上記人工
欠陥を施したＧＦＲＰ板と不飽和ポリエステル材料を用
いて欠陥検出を行ったが、その際、試料表面を素材のま
まにしたものと、黒色のシリコン系耐熱塗料を施した２
種類の試料を用意した。

【００１６】試料の加熱・冷却は、図１の電子冷熱プレ
ートで行い、プレート温度は最高温度７０℃とした。試
料の加熱・冷却に際しては、電子冷熱プレートと試料を
密着させ、加熱・冷却速度と温度を制御して、種々の昇
温・降温速度を持つ熱サイクルを試料に与えた。また、
この試料は、真空チャンバーにおいて赤外線カメラと試
料の間を真空状態（１０^-1 torr ）にし、試料表面温度
分布の外気による外乱を取り除いた。

【００１７】このようにして、ゲルマニウム観察窓を通
して真空中での試料の表面温度分布を計測し、材料内部
の人工欠陥および気泡欠陥がどの大きさまで検出できる
かを検討した。なお、試料Ｂは、厚さが４ｍｍで、板厚
の中心部にカーボン繊維が長手方向に１グロス入ってお
り、気泡が表面近傍とカーボン繊維付近（中心部２ｍ
ｍ）に存在している。このような試料は、その気泡欠陥
が電子冷熱プレート側にくるようにして、その電子冷熱
プレートに密着させ、冷熱プレートの反対側から赤外線
カメラで表面温度分布を計測し、真空中での欠陥検出を
行った。

【００１８】まず、径３ｍｍ、深さ１ｍｍの内部欠陥を
有するＧＦＲＰ複合材料（試料Ａ）を用いて、熱画像に
及ぼす大気の影響を調べた。すなわち、真空チャンバ内
で電子冷熱プレートを使って試料を加熱・冷却し、プレ
ート温度の上昇・下降過程中での温度分布計測から、径
３ｍｍの内部欠陥を検出し、その結果と大気中で計測し
た場合の結果とを比較して、真空による外乱遮断の効果
を確認した。このときに用いた電子冷熱プレートによる
試料板の加熱・冷却のサイクルは、図２に示される加熱
・冷却曲線のうち、曲線(a) に対応するものである。

【００１９】真空中と大気中において加熱過程中で計測
された熱画像を、それぞれ、図３の（Ａ）と（Ｂ）に示
す。両者ともに、人口欠陥と周辺領域部分との温度差が
生じており、人口欠陥部分が低温領域になっていること
から、欠陥部分の形状が確認できる。しかし、このプレ
ートの加熱過程での大気中と真空中での熱画像を比較す
ると、真空中ではクロス繊維の状態が鮮明に出ている
が、大気中の場合は熱画像の鮮明度がかなり悪い。これ
は、大気中では、試料表面が空気の流れや外乱等の影響
を受けることにより、温度分布に影響が出るためであ
る。

【００２０】この実験により真空中での検査が有効であ
ることが判ったので、次に、サーモプレートによる加熱
・冷却の速度を変えると、真空中での欠陥検出性能がい
かに変化するかを調べた。同時に、試料表面および裏面
（サーモプレート側）に黒色の耐熱塗料を塗布した場合
の有効性をも検討した。なお、塗料は、スプレー式の黒
色塗料である。この実験では、径１．５ｍｍの内部欠陥
を有するＧＦＲＰ複合材料（試料Ａ）に、電子冷熱プレ
ートにより図２中の(a) と(b) の熱サイクル曲線で示さ
れる熱サイクルを与えたときの、加熱または冷却過程中
での熱画像を計測し、欠陥の検出を試みたが、検出は困
難であった。

【００２１】しかし、温度勾配が緩やかな図２中の(c)
なる熱サイクルで試料の加熱・冷却を行ったところ、冷
熱プレート温度が約６９℃の（α）点で、試料の表面温
度が５５℃〜５２℃の温度範囲内において、周辺温度よ
り０．１℃程度高い欠陥部分が検出され、欠陥の位置と
大きさが図４に示すように明確に確認された。

【００２２】更に、欠陥の輪郭をもう少し鮮明にするた
めに、熱画像の減算処理を試みた。すなわち、図２の
(c) の温度勾配を持つ昇温時の（β）点と(b) の勾配を
持つ降温時の（γ）点で計測した二つの熱画像の差をと
ったところ、図５に示すように欠陥の位置および形状が
より鮮明な形として抽出され、二つの真空中での熱画像
による減算処理が欠陥検出に有効であることが判った。
しかし、径０．８ｍｍの小さい人口欠陥では、この減算
処理によっても鮮明な欠陥像が得られなかった。

【００２３】そこで、冷熱プレート側の試料表面にも黒
色塗料をスプレーで噴霧し、コーティングした。この試
料によって得られた熱画像は、実際の試料よりも、Ｘ方
向に１．３８倍、Ｙ方向に１．６倍拡大して読み込ん
だ。プレートの加熱・冷却速度が図２の(a) と(b) の場
合、径０．８ｍｍの欠陥の検出はできなかったが、同図
(c) の温度サイクルで、プレート温度が５２℃（δ）の
昇温過程において計測した画像では、欠陥分布が低温領
域となって、図６に示すように、欠陥の位置、形状が鮮
明に検知された。

【００２４】次に、試料Ｂ、すなわち各サイズの気泡を
持つ不飽和ポリエステル材料を用いて、上記真空チャン
バ内での電子冷熱プレートによる加熱・冷却方式を用い
た熱画像計測方式の欠陥検出性能の最小限界を調べた。
この実験では、カメラ側の試料表面には黒色の耐熱塗料
をスプレー噴霧し、気泡が冷熱プレート側にくるように
密着させて試料を取付けた。そして、図７に示すよう
に、試料への加熱・冷却を繰り返し、欠陥検出の最小検
知寸法がどの程度であるかを実験的に調べた。プレート
温度が図７の熱サイクル上での（Ｅ）点で得られた赤外
線熱画像を図８の(a) に示す。この画像と図８(b) の軟
Ｘ線によって確認された各気泡の位置とサイズが一致し
ていることから、図８(a) の熱画像が適正であることが
判る。ここで、気泡（ボイド）の最小検知寸法は、径
０．０５ｍｍであることが確認できた。

【００２５】

【発明の効果】以上に詳述したように、本発明の赤外線
サーモグラフィによる材料の欠陥検出方法によれば、被
験体の温度場制御のために真空チャンバ内で電子冷熱プ
レートにより被験体の加熱・冷却を行い、それによっ
て、例えば、不飽和ポリエステル材料（板厚４ｍｍ）の
径０．０５ｍｍ以上の内部欠陥（気泡等）を検出できる
など、複合材料等の微小内部欠陥の検出において極めて
有効な熱画像計測を行うことができる。さらに、次のよ
うな発展も極めて有効である。

【００２６】（１）電子冷熱プレートを用いて加熱・冷
却を繰り返すことにより、被験体に適当な周期的温度場
を与えると、微小な欠陥が検出できる。（２）加熱・冷却速度の異なる画像の減算処理が微小欠
陥検出に対して有効である。（３）ＧＦＲＰ複合材料などのクロス織り等の材料欠陥
検出には、耐熱塗料をプレート側またはカメラ側の試料
表面に噴霧することが有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る欠陥検出方法を実施するための装
置の構成例を示すブロック説明図である。

【図２】本発明の実施例において用いた電子冷熱プレー
トによる試料板の加熱・冷却のサイクルについての説明
図である。

【図３】（Ａ）は真空中、（Ｂ）は大気中における加熱
過程中で計測された試料Ａにおける微細気泡の粒子構造
の熱画像を示す図面代用写真である。

【図４】他の熱サイクルで試料の加熱・冷却を行った場
合における微細気泡の粒子構造の熱画像を示す図面代用
写真である。

【図５】二つの熱画像の減算を行った場合おける微細気
泡の粒子構造の画像を示す図面代用写真である。

【図６】表面に黒色塗料をスプレーで噴霧した試料にお
ける微細気泡の粒子構造の熱画像の図面代用写真であ
る。

【図７】プレート温度の熱サイクルについて説明するた
めの説明図である。

【図８】（Ａ）は、図７の熱サイクルで得られた試料に
おける微細気泡の粒子構造の赤外線熱画像を示す図面代
用写真であり、（Ｂ）は、軟Ｘ線によって確認された気
泡についての説明図である。

【符号の説明】

１被験体２電子冷熱プレート３真空チャンバー４温度制御装置７赤外線カメラ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被験体に温度場を与えて赤外線サーモグラ
フィによる材料の欠陥検出を行うに際し、被験体を、温度制御装置により制御される電子冷熱プレ
ートの表面に密接して加熱・冷却し、真空チャンバーに
より赤外線カメラと被験体との間を真空状態に保持し
て、その赤外線カメラで得られる熱画像から材料の欠陥
検出を行う、ことを特徴とする赤外線サーモグラフィに
よる材料の欠陥検出方法。
【請求項２】請求項１に記載の材料の欠陥検出方法にお
いて、被験体の表面に耐熱塗料を塗着して熱画像による材料の
欠陥検出を行う、ことを特徴とする赤外線サーモグラフ
ィによる材料の欠陥検出方法。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載の材料の欠
陥検出方法において、赤外線カメラにおいて同一の被験体につき異条件で得ら
れた熱画像について、画像相互の減算処理により熱画像
を鮮明化する、ことを特徴とする赤外線サーモグラフィ
による材料の欠陥検出方法。