JPH10142179A - 対象物内のきずの検出方法及び位置決め装置並びにディスプレイ - Google Patents

対象物内のきずの検出方法及び位置決め装置並びにディスプレイ

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JPH10142179A
JPH10142179A JP9298025A JP29802597A JPH10142179A JP H10142179 A JPH10142179 A JP H10142179A JP 9298025 A JP9298025 A JP 9298025A JP 29802597 A JP29802597 A JP 29802597A JP H10142179 A JPH10142179 A JP H10142179A
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JP
Japan
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flaw
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peak
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Application number
JP9298025A
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English (en)
Inventor
Harry I Ringermacher
アイ．リンガーマシェー ハリー
Jr Raymond J Archacki
ジェイ．アーチャッキ，ジュニア レイモンド
William A Veronesi
エイ．ヴェロネシ ウィリアム
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Raytheon Technologies Corp
Original Assignee
United Technologies Corp
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws

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  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な形状寸法と不均一な被加熱表面に使用
して対象物内のきずの位置決めと大きさの測定を正確に
行うことができ、自動化でき且つ客観的な方法を提供す
る。 【解決手段】 対象物内のきずの位置決めをするシステ
ムは、対象物の表面を加熱するヒータと、加熱された表
面上の各々の画素の強度を記録するレコーダと、画素の
強度から画素のコントラストを決定する手段と、画素の
コントラストに基づいて対象物内のきずの大きさと位置
を決定する手段とからなり、連続的なサーマルイメージ
について各画素のコントラストを監視し、これらの画素
のコントラストを利用して対象物内のきずの位置を決定
する。対象物の表面とその下にあるきずは、特定の色を
有するきずの深さと相互に関連するカラースペクトルの
イメージプリント上に描かれる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、非破壊試験に関
し、特に非定常サーモグラフィ（過渡サーモグラフィ）
を利用して表面下のきず（欠陥）の深さと横方向の位置
を決定する対象物の非破壊試験およびこれらのきずを表
示する画像技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】対象物内のきずの存在は、所定時間に対
象物を通る熱の伝達に依存する非定常サーモグラフィを
含む種々の技術によって決定できる。非定常サーモグラ
フィ法は、表面を加熱中に赤外線カメラを使用して一連
の画像配列のデータを捕捉することによって各解像要素
（分解要素）の温度上昇を記録し、この温度上昇を分析
して、加熱時間の平方根に対して線形の温度上昇への遷
移が起こるか否かを識別することからなる。この線形の
温度上昇は、対象物内のきずの存在を示している。この
決定は、現状のままでは困難であり、複雑な形状寸法お
よび不均一な加熱によってさらに困難になる。
【０００３】従来の非定常サーモグラフィは、時間の関
数としての対象物の予め加熱した表面の個々の赤外画像
「スナップショット」を分析することからなる。表面下
のきずは、熱がそのきずによって分散できないためによ
り強い強度の赤外線を放射する画像内の「ホットスポッ
ト」によって識別される。この従来のプロセスの問題の
一つは、非定常サーモグラフィの分析では一つのスナッ
プショットをちょうどよい時に選択することである。分
析のためにどのスナップショットを選択するかが重要で
あり、最良の選択はきずの深さや大きさのように制御不
能で未知の多くの要素に基づいている。誤ったスナップ
ショットが選択されると、前のスナップショット又はそ
の後のスナップショットに示されるきずを検出すること
ができない。
【０００４】スナップショットの使用を避けるために
は、検査員が記録された画像のビデオ再生を見て、きず
を示す明るいスポットを視覚的に識別する。この方法の
問題は、容易に自動化できず、オペレータへの依存が高
く、複雑な形状寸法又は不均一な被加熱面に容易に応用
できず、また、この方法できずを検出できてもそのきず
の実際の深さと横方向の位置（以下「位置」という）又
は大きさを正確に決定することができないことである。
【０００５】従来では、対象物の超音波探傷試験によっ
てきずの位置決めをしていた。実質的に表面から侵入し
て対象物内のきずによって反射する超音波が対象物に当
てられる。反射波を受けるのに必要な時間に基づいてき
ずの位置を決定することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】超音波探傷試験は、必
要とされる密接な音波の接触によって、表面全体にわた
ってトランスデューサを機械走査させている。密接な音
波の接触を可能にするために、液体の触媒物質の流れ又
は対象物の全液浸を使用しなければならないが、これは
実質的な理由によって許容できないことが多い。プロセ
スの問題に加えて、この技術は大きい対象物や複雑な対
象物を試験するためには役に立たない。典型的には、数
平方メートルの機械走査を行うためには数時間かかる。
また、幾何学的に複雑な部品のための走査システムは複
雑で高価である。
【０００７】この技術で必要なことは、複雑な形状寸法
と不均一な被加熱表面に使用して対象物内のきずの位置
決めと大きさの測定を正確に行うことができ、自動化さ
れ、客観的な非定常サーモグラフィ深さ画像技術であ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、対象物内のき
ずの位置決めをする非破壊試験技術およびその装置に関
する。この装置は、対象物の表面を加熱するヒータと、
加熱された表面の各画素の強度を記録するレコーダと、
表面の強度から画素のコントラストを決定する手段と、
画素のコントラストに基づいて対象物内のきずの大きさ
と位置を決定する手段とからなる。
【０００９】この方法は、対象物の表面を加熱する工程
と、所定時間にわたって表面の各解像要素の連続的なサ
ーマルイメージを記録する工程と、そのサーマルイメー
ジの平均画素強度を決定して個々の画素の強度から平均
画素強度を差し引くことによって表面の各々の連続的な
サーマルイメージについての各解像要素（画素）のコン
トラストを決定する工程と、画素のコントラストに基づ
いて対象物内のきずの位置を決定する工程とからなる。
【００１０】
【発明の実施の形態】本発明は、非定常サーモグラフィ
分析技術を使用して対象物内のきずの大きさと位置を決
定する自動非破壊試験法に関する。この方法は、時間に
対する被加熱物の表面温度の変化を監視することによっ
て対象物内のきずを客観的に検出するために時間−温度
データを使用する方法であり、対象物の表面を加熱し、
対象物の表面の各画素についての熱時定数を監視するこ
とからなる。本願明細書において、画素とは画像配列中
の矩形の画像素子であり、解像要素とは、一つの画素に
対応する対象物の表面の矩形の領域である。
【００１１】対象物の表面を加熱するために使用される
装置は、サーモグラフィ監視を可能にするためにその表
面を十分な温度に加熱することができるものである。典
型的には、薄い対象物、例えば、約０.１２５インチ
（０.５７ｍｍ）以下の厚さの対象物は、約５℃以下の
温度で、できる限り約１℃程度の低い温度の最小の加熱
を必要とするだけである。一方、厚い対象物は、かなり
高い温度の加熱を必要とし、例えば、０.５インチの厚
い対象物では約２０℃の加熱を必要とする。対象物を加
熱する程度の決定には色と放射率を含む表面の要素も重
要であり、物理的性質により対象物やその表面を損傷し
ない温度の加熱上限が規定される。
【００１２】きずの位置と大きさを正確に決定するため
には、対象物の表面を十分に短い時間で所望の温度まで
加熱して、対象物の残りの部分が加熱されないようにし
なければならない。典型的には、加熱は、薄い材料では
１秒の何分の１で起こるが、より厚い又は大きい材料で
はフラッシュで数分間かかる。対象物に熱が侵入する
と、対象物の表面付近の探傷精度が低下する。例えば、
厚さ０.１２５インチの黒鉛繊維とポリマーの複合品
は、フラッシュランプからの４メガワットの熱パルスに
より数ミリ秒間で加熱できるが、厚さ０.５インチの対
象物は、石英水銀灯からの２キロワットの熱パルスによ
り数秒間ないし数分間加熱しなければならない。他の可
能な加熱方法としては、マイクロ波、レーザー、高温か
つ高速の加熱が可能な他の従来の加熱手段など使用があ
る。
【００１３】対象物の表面が加熱されると、赤外線ビデ
オカメラが、対象物の表面の連続的なサーマルイメージ
を記録および記憶し、その各画素を記録する。記録され
る画像の数は、その結果生ずるサーマルイメージの所望
の解像度、カメラの速度、および特定の対象物の時定数
に依存する（以下を参照）。約１０個の画像を使用して
一つのサーマルイメージを形成することができるが、典
型的には約２５個の画像により十分な解像度を提供する
ことができ、約１００個の画像によりサーマルイメージ
の良好な解像度を提供することができる。一般に現在の
ビデオ技術では約５００個以下の画像を得ることがで
き、約２５個以上の画像が好ましい。
【００１４】対象物の同じ側に加熱装置とビデオカメラ
を配置する場合には、サーマルイメージを得るための時
間を規定するために使用される時定数τcは式４から得
られる。ここで、深さとは対象物の厚さである。
【００１５】
【数７】τc＝４ｌ2／(π2κ) …（１） ただし、τc＝「固有」時定数 κ＝対象物の熱拡散率 ｌ＝深さ カメラとヒータを対象物の反対側に配置した場合には、
（１）式から係数４を省略する。約５の固有時定数の後
に対象物内が熱平衡に達っするので、サーマルイメージ
を得るために使用される時間は、典型的に約３乃至約５
の時定数τc又はそれ以上の時定数と等しい。
【００１６】ビデオ装置は、少なくとも約６０フレーム
／秒から約２５０フレーム／秒以下又はそれ以上のフレ
ーム率で、少なくとも約０.０１℃乃至約０.０２℃のカ
メラ温度感度の高速焦点面アレイカメラ又は同様の装置
が好ましい。最小許容解像度は、最終的なイメージプリ
ントの所望の解解像度に依存し、典型的には１２８×１
２８以上の画素の解像度が好ましい。
【００１７】その画像（ちょうと良いときのポイント）
の平均画素強度（ｂ）をそのちょうど良いときのポイン
トにおける個々の画素の強度（ａ）を差し引くことによ
って各画素のコントラストを決定するために記憶された
サーマルイメージを使用する。次に、各画素についてこ
のコントラストを時間に対してプロットする（図２参
照）。きずの部分のコントラストは、その画像がビデオ
カメラによって得られたときに画像数がピークに達す
る。ピークになるときがあれば、きずの深さを決定する
ことができ、深さの近似値は（２）式によって得られ
る。
【００１８】
【数８】ｌ＝√(κτpeak／３) …（２） ただし、ｌ＝深さ τc＝「固有」時定数 κ＝cgs単位cm2/secで測定した媒体の「熱拡散率」 （２）式は、きずの厚さにより熱がきずの回りを流れな
い「貫通熱」のきずである場合に特に有用である（図３
Ｂの「側方熱」のきずに対する図３Ａの「貫通熱」のき
ずを参照）。
【００１９】しかし、きずの回りの熱の拡散速度が、き
ずを貫通する熱の拡散速度よりも速い場合（図３Ｂ）、
画素のコントラストのグラフには、コントラストのピー
クが明瞭には出現しない（図４）。従って、微分コント
ラストのピークを決定するために、コントラスト曲線を
時間で微分する。「側方熱」のきずの深さは、以下の式
６を使用してピークの時間から決定することができる。
【００２０】
【数９】ｌ＝0.524π√(κτi) τc＝1.10τi ただし、ｌ＝深さ τc＝「固有」時定数 τi＝微分ピークの変曲時間 κ＝cgs単位cm2/secで測定した媒体の「熱拡散率」 実施例 本発明の精度は、注意深く配置した一連の平坦なきずを
有する対象物を使用して規定した。図６、６Ａ、６Ｂお
よび６Ｃに示すように、きず１、２、３、４および５
は、同じ直径22mmを有し、それぞれ1.3mm、1.6mm、1.9m
m、2.2mmおよび2.5mmと深さが異なっている。きず６、
７、８、９、１０および１１は、同じ深さ1.3mmを有
し、それぞれ22mm、16.5mm、11mm、8.25mm、5.5mmおよ
び2.75mmの異なる直径を有する。きず１２、１３および
１４は、同じ直径33mmを有し、それぞれ1.3mm、1.9mmお
よび2.5mmと深さが異なっている。
【００２１】テストパラメータは次の通りである。
（１）各画像フレームは、Ｎが２５６の場合の（対象物
の表面の解像要素に対応する）Ｎ×Ｎ画素からなり、
（２）典型的にＮ＝１２８について１乃至４００、Ｎ＝
２５６について１乃至２００の範囲の画像フレームの数
Ｚは１００であり、（３）各画素は、記憶装置の２バイ
トを占有し、熱放射強度を示す０から４０９５までの１
２ビット数で示されるものであった。
【００２２】フラッシュランプからの４メガワットの熱
パルスによって対象物を約５℃で0.010秒間加熱した。
加熱後、約２５秒間操作して２５６×２５６の画素の解
像度を有する高速焦点面アレイカメラを使用して、各解
像要素の強度を記録し、各画素を１２ビットで示した。
ユーザーのパラメータを決定し、システムに入れた。そ
のシステムは、分析に使用するための始動フレーム数
（表面が加熱される前にとられたフレームは省略した）
と、スケルチ定数と、雑音抑圧（コントラスト曲線のピ
ークから開始値又は最終値を引いたものの絶対値がこの
定数より小さい画素の位置を捨てる）と、視界（赤外線
カメラから対象物までの距離であり、スケーリングを許
容し、従って正確な大きさの決定を許容する）とを含
む。各画素のコントラストは、画素と画素の平均値の固
定コントラストゲイン倍の差を使用して、画像全体の平
均画素強度について決定した。この操作は、一組のコン
トラスト曲線を生成する各画像フレームの各画素につい
て行った。次に、６点差法を使用して、各コントラスト
曲線の導関数を決定した。各微分コントラスト曲線のピ
ークを生成する画像フレーム数を保管又は低いコントラ
スト又はノイズを示す画素の位置についてのこの情報を
抑制することによって、微分コントラストのピークの情
報を記憶した。次に、微分コントラストのピークが生ず
る画像フレームの位置を使用してきずの深さを決定し
た。これらのきずの深さは、図７に示すような強度カラ
ースペクトルを使用して視覚的に示した。図７、図８お
よび図９に示すきずの番号は、図７、図８および図９で
検出したきずを示す図６の番号と一致している。
【００２３】きずのイメージプリントは、各画素につい
て記憶されたピークフレーム数を図７、図８および図９
の右側に示す１６色パレット内の色の一つに割り当てる
ことによって生成した。これは、色の総数（１６）をフ
レーム総数（１００）で割り、所定の画素についてのピ
ークフレーム数を掛けることによって行った。次に、こ
の数を整数の指数に丸めて、この画素を表示することが
できる１６色の一つを選択する色パレットに入れた。こ
のプロセスを、画像の全ての画素位置について繰り返し
た。図７、図８および図９の色パレットの左から右に示
される各々の色の４つの強度レベルを使用してこの画像
をさらに良好なものにした。最大ピークは所定の色の最
高強度（レベル１）に対応し、最小ピークは所定の色の
最低強度（レベル４）に対応する(図７、図８および図
９を参照)。
【００２４】対照的に、図８は、強度のプロファイルの
スナップショットに依存する従来の画像技術を示す本発
明によるイメージプリントを示している。この図８から
明らかなように、すべてのきずが明らかであるので、ち
ょうど良いときに良好なポイントで「スナップショッ
ト」がとられた。しかし、大部分のきずが同じ深さに配
置するように見える。従って、いずれのきずについても
正確な深さを決定することができない。さらに、きず１
１はわずかに見えるにすぎず、一つのきずとして特定す
ることが困難である。
【００２５】また、図９は、従来の非定常サーモグラフ
ィを使用するイメージプリントであり、同様に混乱する
情報を提供している。この図では、きずの縁部がきずの
中心部より浅くなっているように見える。従って、きず
は平坦であるにもかかわらず凹面のように見える。ま
た、きずの深さを正確に決定することができない。
【００２６】本発明は、従来の非破壊試験と比べて多数
の利点を提供する。即ち、人的エラーを実質的に除去
し、きずの位置決め能力を提供し、画像を単純化する。
従来のプロセスは、多数の画像を見るオペレータに依存
するか、表面の単一の「スナップショット」、即ち、人
的エラーに依存し、単にきずの存在を検出していたにす
ぎない。本発明では、きずの深さと大きさを正確に決定
できるが、従来の方法では、深さを正確に検出すること
ができない。
【００２７】以上説明したように、本発明によれば、複
雑な形状寸法と不均一な被加熱表面に使用して対象物内
のきずの位置決めと大きさの測定を正確に行うことがで
き、自動化でき且つ客観的な方法が提供される。
【００２８】また、対象物内のきずの位置決めをする本
発明にかかるシステムは、対象物の表面を加熱するヒー
タと、加熱された表面上の各々の画素の強度を記録する
レコーダと、画素の強度から画素のコントラストを決定
する手段と、画素のコントラストに基づいて対象物内の
きずの大きさと位置を決定する手段とからなり、連続的
なサーマルイメージについて各画素のコントラストを監
視し、これらの画素のコントラストを利用して対象物内
のきずの位置を決定する。対象物の表面とその下にある
きずは、特定の色を有するきずの深さと相互に関連する
カラースペクトルのイメージプリント上に描かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】平均画素強度（ｂ）に対する個々の画素（ａ）
についての時間に対する強度（温度）を示すグラフであ
る。
【図２】図１の画素についての時間に対する画素のコン
トラストを示すグラフであり、コントラストのピークを
示している。
【図３】図３（Ａ）は、貫通熱の流れを許容する「貫通
熱のきず」の例である薄い層剥離を示す対象物の断面図
であり、図３（Ｂ）は、主として横方向の熱の流れを必
要とする「側方熱のきず」の例である厚い層剥離を示す
対象物の断面図である。
【図４】「側方熱のきず」のためにコントラストのピー
クがない個々の画素についての時間に対する画素のコン
トラストを示すグラフである。
【図５】図４から「側方熱のきず」の微分コントラスト
のピークを示すために個々の画素について時間に対する
微分画素コントラストを示すグラフである。
【図６】図６（Ｏ）、図６（Ａ）、図６（Ｂ）および図
６（Ｃ）は、図７、図８および図９に示される試験片と
そのきずの相対的な大きさを示す図である。
【図７】本発明のサーモグラフィ技術を使用して画素の
強度を示すイメージプリントの説明図である。
【図８】従来の画像技術を使用して画素の強度を示す本
発明のイメージプリントの説明図である。
【図９】従来の非定常サーモグラフィを使用して温度を
示す画素の強度を示す本発明のイメージプリントの説明
図である。
【符号の説明】
１〜１４…きず
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レイモンド ジェイ．アーチャッキ，ジュ ニア アメリカ合衆国，コネチカット，ウェザー スフィールド，プロスペクト ストリート 768 (72)発明者 ウィリアム エイ．ヴェロネシ アメリカ合衆国，コネチカット，ハートフ ォード，フェアフィールド アヴェニュー 342

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 解像要素の配列に分割された表面を有す
    る対象物内のきずの検出方法において、 対象物の表面を加熱する工程と、加熱された前記表面上
    の画素に対応する各解像要素の複数のサーマルイメージ
    を所定時間にわたって記録する工程と、前記サーマルイ
    メージの各々における前記画素の各々の画素について個
    々の画素の強度を決定する工程と、各サーマルイメージ
    について平均画素強度を決定する工程と、前記個々の画
    素の強度から前記平均画素強度を差し引くことによって
    前記サーマルイメージの各々における前記画素の各々に
    ついての画素のコントラストを得る工程と、前記画素の
    コントラストに基づいて前記対象物内のきずの深さを決
    定する工程とを有する方法。
  2. 【請求項２】 前記画素のコントラストを使用し、その
    画素コントラストのピークを得て、以下の式 【数１】ｌ＝√(κτpeak／３) ただし、τpeakはピーク時間、ｌはきずの深さ、κは対
    象物の熱拡散率を使用してきずの位置を決定することに
    より、きずの深さを決定することを特徴とする、請求項
    １に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記画素のコントラストの時間微分を計
    算して、微分コントラストのピークを得ることによって
    きずの深さを決定することを特徴とする、請求項１に記
    載の方法。
  4. 【請求項４】 以下の式 【数２】ｌ＝(π／２)√(κτc) ただし、τcは固有時定数、ｌはきずの深さ、κは対象
    物の熱拡散率を使用してきずの深さを決定することを特
    徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 以下の式 【数３】ｌ＝π√(κτc) ただし、τcは固有時定数、ｌはきずの深さ、κは対象
    物の熱拡散率を使用してきずの深さを決定することを特
    徴とする、請求項３に記載の方法。
  6. 【請求項６】 カラースペクトルを使用してきずの深さ
    と横方向の位置を表示する対象物のイメージプリントを
    生成する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載
    の方法。
  7. 【請求項７】 画素の配列として視覚化できる表面を有
    する対象物内のきずの位置決めをする装置において、 対象物の表面を加熱するヒータと、画素の強度を記録す
    るレコーダと、前記画素の強度から画素のコントラスト
    を決定する手段と、前記画素のコントラストに基づいて
    前記対象物内のきずの深さと位置を決定する手段とから
    なる装置。
  8. 【請求項８】 前記ヒータは、フラッシュランプ、石英
    水銀灯、マイクロ波装置またはレーザーであることを特
    徴とする、請求項７に記載の装置。
  9. 【請求項９】 以下の式 【数４】ｌ＝√(κτpeak／３) ただし、τpeakはピーク時間、ｌはきずの深さ、κは対
    象物の熱拡散率を使用して前記画素のコントラストから
    各々のきずの深さを決定することを特徴とする、請求項
    ７に記載の装置。
  10. 【請求項１０】 以下の式 【数５】ｌ＝(π／２)√(κτc) ただし、τcは固有時定数、ｌはきずの深さ、κは対象
    物の熱拡散率を使用して前記画素のコントラストの導関
    数から各々のきずの深さを決定することを特徴とする、
    請求項７に記載の装置。
  11. 【請求項１１】 以下の式 【数６】ｌ＝π√(κτc) ただし、τcは固有時定数、ｌはきずの深さ、κは対象
    物の熱拡散率を使用して前記画素のコントラストの導関
    数から各々のきずの深さを決定することを特徴とする、
    請求項７に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 カラースペクトルを使用してきずの深
    さと横方向の位置を表示するイメージプリントを生成す
    る手段を含むことを特徴とする、請求項７に記載の装
    置。
  13. 【請求項１３】 複数の解像要素によって示される表面
    を有する対象物のきずのディスプレイにおいて、深さと
    相互に関連するカラースペクトルと、前記対象物の表面
    の各々の解像要素の下のきずの深さを決定する手段と、
    きずの深さと相互に関連する色によって描かれるきずを
    有する対象物の表面を表示する手段とからなる、対象物
    のきずのディスプレイ。
  14. 【請求項１４】 イメージプリント上のきずを表示する
    手段と含むことを特徴とする、請求項１３に記載のディ
    スプレイ。
JP9298025A 1996-10-30 1997-10-30 対象物内のきずの検出方法及び位置決め装置並びにディスプレイ Pending JPH10142179A (ja)

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US08/739572 1996-10-30
US08/739,572 US5711603A (en) 1996-10-30 1996-10-30 Nondestructive testing: transient depth thermography

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