KR101163916B1 - 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 시편에 복수 개의 그리드를 제공하고, 각각의 그리드의 변형률과 응력을 실시간으로 측정한 후에 이를 전체적으로 중첩하여 최종적인 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법에 관한 것이다.

Description

응력-변형률 곡선을 획득하는 방법 및 그 장치{A MESURING METHOD FOR STRESS-STRAIN CURVE AND A APPARATUS FOR THE SAME}
본 발명은 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 시편에 복수 개의 그리드를 제공하고, 각각의 그리드의 변형률과 응력을 실시간으로 측정한 후에 이를 전체적으로 중첩하여 최종적인 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법에 관한 것이다.
소성가공 공정 해석 기술이 일반화됨으로써 금속 재료의 진변형률-진응력 관계식 또는 곡선은 공정설계 기술자에게 필수화되었지만, 실험적으로 획득이 용이하지 않아 현장 기술자는 물론 연구자들도 정확한 소재 정보를 모르는 경우가 많고, 대부분의 기술자들이 관련 문헌으로부터 제한적인 정보를 활용하고 있다.
재료의 시험에서 인장시험만큼 유용하고 간편한 방법은 찾아보기 드물다. 진응력-진변형률 곡선의 획득은 인장시험의 주요 목적 중의 하나이다. 인장시험은 비교적 손쉽게 실시할 수 있으며, 기술자에게 재료의 물성치에 관한 많은 정보를 제공한다.
하지만, 인장시험에서 발생하는 네킹(Necking) 현상 때문에 소성유동해석에서 필수적인 변형률과 응력과의 상관관계를 획득하는 데는 한계가 있다. 네킹 이전까지는 비압축성의 가정하에서 인장시험 결과로부터 진응력-진변형률 곡선 또는 함수를 구할 수 있으나, 네킹이 발생하면 이 조건으로부터 더 이상의 정보를 획득하지 못한다.
강의 경우, 대개 변형률이 0.15 이하에서 네킹이 발생하지만, 단조 등 소성가공에서 변형률은 1.0을 넘는 경우가 많다. 따라서 네킹 발생 이전까지의 진응력-진변형률 곡선은 대변형을 수반하는 소성가공 관점에서는 주 관심사가 될 수 없으며, 네킹 이전의 응력-변형률 곡선을 외삽하여 네킹 발생 이후의 진응력-진변형률 곡선으로 사용하는 것은 상황에 따라서는 매우 부적절할 수 있다.
네킹 지역의 최소단면에서의 변형률과 응력 정보를 활용할 수 있다면, 인장시험으로도 고 변형률에 대한 신뢰성이 높은 유동응력을 얻을 수 있게 된다. 이미 네킹 영역의 변형형상을 계측하여 진변형률-진응력 곡선을 유추하는 방법이 개발되어 있으나, 정확도가 떨어지고 계측 자체가 용이하지 않으므로 인장시험기와 연계하여 상품화된 실적은 전무하다.
또한, 연성(Ductile) 재료의 인장시험에서는 파단 전부터 흔히 네킹(Necking) 현상이 나타나고 이로 인해 실제 표점 거리 내의 시편이 균일한 변형을 하지 못하게 되는 문제가 있다. 이 경우 특별한 고려를 하지 않으면 공칭응력-공칭변형률 곡선을 진응력-진변형률 곡선으로 변환해도 유동응력의 최대값이 파단 이전, 변형 도중에 그대로 존재하는 문제가 생긴다. 이런 문제는 변형 도중 재료에 가공연화가 발생했기 때문이 아니라, 진응력-진변형률 곡선이 실제로는 표점 거리 내에서의 '평균' 진응력-진변형률 곡선이기 때문이다.
인장시험 데이터의 네킹의 문제를 보정하기 위한 대표적인 기법으로는 Bridgman 식을 적용하는 방법이 대표적이다. Bridgman 식을 사용함으로써 네킹 발생으로 인해 왜곡되는 인장시험 데이터를 바로잡아 실제에 가까운 진응력-진변형률 곡선을 얻을 수 있다. 그러나 시험 결과와 네킹 형상을 바탕으로 데이터를 변환하는 이와 같은 방법들은 시편의 형상에 따라 달라질 수 있고, 재료 특성에 따라서는 적용 가능 여부에 대한 검증이 필요하여 여러 문제점을 내포하고 있다.
본 발명은 종래의 방법과는 달리 네킹의 문제를 보정하기 위한 별도의 과정을 수행함 없이, 인장시험만으로 진응력-진변형률 곡선을 효과적으로 그리고 더욱 정확하게 얻기 위한 인장시험 방법 및 그 장치를 제공하고 있다.
특히, 네킹의 문제를 해결하기 위해 시편에 복수 개의 그리드를 제공하고, 각각의 그리드의 변형률과 응력을 실시간으로 측정하고, 최종적으로 이를 중첩함으로써 정확한 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법 및 그 장치를 제공하고 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 과제 해결 수단을 제공하고 있다.
본 발명의 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법은, 상기 시편에 인장력을 가하는 단계와, 상기 시편에 가해지는 인장력을 실시간으로 측정하는 단계와, 상기 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 실시간으로 측정하고, 이로부터 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 단계와, 상기 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 실시간으로 측정하고, 이로부터 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 단계와, N개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예로서 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법은, 상기 시편에 소정의 연신율 만큼 인장력을 가하는 제1 단계와, 상기 제1 단계에서 가해지는 인장력을 측정하는 제2 단계와, 상기 소정의 연신율 만큼 변형된 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 측정하고, 이로부터 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 제3 단계와, 상기 각각의 변형된 그리드에 해당하는 단면적을 측정하고, 이로부터 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 제4 단계와, N개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 제5 단계를 포함하고, 상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 반복하여 행하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법은, 상기 N개의 그리드 중 측정을 원하는 n개의 그리드를 특정하는 단계와, 상기 시편에 인장력을 가하는 단계와, 상기 시편에 가해지는 인장력을 실시간으로 측정하는 단계와, 상기 특정된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 실시간으로 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 단계와, 상기 특정된 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 실시간으로 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 단계와, 상기 특정된 n개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법은, 상기 N개의 그리드 중 측정을 원하는 n개의 그리드를 특정하는 제1 단계와, 상기 시편에 소정의 연신율 만큼 인장력을 가하는 제2 단계와, 상기 제1 단계에서 가해지는 인장력을 측정하는 제3 단계와, 상기 소정의 연신율 만큼 변형된 특정되어진 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 제4 단계와, 상기 특정된 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 제5 단계와, 상기 특정된 n개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 제6 단계를 포함하고, 상기 제2 단계 내지 상기 제6 단계를 반복하여 행하는 것을 특징으로 한다.
상기의 방법들 중 상기 그리드의 단면적을 측정하는 방법은, 레이져 기법 또는 모아레(Moire) 기법을 이용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 장치를 제공하며, 상기 장치는, 상기 시편에 인장력을 제공하는 인장부재와, 상기 인장부재에 제공되는 인장력의 측정을 위한 인장력 측정부와, 상기 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 측정하는 CCD 카메라와, 상기 측정된 그리드의 형상을 이미지 프로세싱하여 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 이미지 프로세서부와, 상기 각각의 그리드의 단면적의 측정을 위한 단면적 측정부와, 상기 측정된 인장력과 단면적을 통해 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 응력 계산부와, 상기 계산된 응력 및 변형률을 저장 또는 측정하는 데이터 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래의 방법과는 달리 네킹의 문제를 보정하기 위한 별도의 과정을 수행함 없이, 인장시험만으로 진응력-진변형률 곡선을 효과적으로 그리고 더욱 정확하게 얻을 수 있는 효과가 있다.
특히, 네킹의 문제를 해결하기 위해 시편에 복수 개의 그리드를 제공하고, 각각의 그리드의 변형률과 응력을 실시간으로 측정하고, 최종적으로 이를 중첩함으로써 정확한 응력-변형률 곡선을 획득하는 효과가 있다.
도 1은 표점 거리를 50mm에서 6mm로 변화시키면서 측정된 진응력-진변형률 곡선.
도 2는 5개 그리드에서 측정된 응력-변형률 데이터를 도시한 그림.
도 3은 도 2의 데이터를 얻기 위해 인장시험을 수행한 시편의 사진.
도 4는 모든 그리드의 데이터를 통합하여 얻은 응력-변형률 곡선.
도 5는 모든 그리드의 데이터를 통합하여 얻은 응력-변형률 곡선.
도 6은 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 장치의 구성도.
도 7은 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 방법의 실시예의 흐름도.
도 8은 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 방법의 실시예의 흐름도.
도 9는 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 방법의 실시예의 흐름도.
도 10은 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 방법의 실시예의 흐름도.
이하 본 발명에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
먼저, 본 발명이 안출되었던 원리에 대해 설명하기로 한다.
일반적으로 인장시험 시 표점 거리(gauge length)가 변하게 되면 네킹 부위가 차지하는 비중에 따라 응력-변형률 곡선이 변하게 된다. 도 1 에는 표점 거리를 50mm에서 6mm로 변화시키면서(점점 줄여가면서) 측정된 진응력-진변형률 곡선이 도시되어 있다.
표점 거리 내에 존재하는 네킹 부위의 불균일한 변형 거동으로 인해 인장 시험으로부터 얻어지는 공칭응력-공칭변형률은 물론 진응력-진변형률 곡선에서도 종종 불안정성(instability)이 나타나는 문제가 있다. 이때 도 1 에서 보인 것처럼 네킹 부위가 측정 영역에서 차지하는 비중이 충분히 커지도록 표점 거리가 작아짐에 따라 네킹 부위 특성이 잘 반영된 진응력-진변형률 곡선이 얻어지게 되고 이전의 진응력-진변형률 곡선에서 관찰되었던 불안정성은 상당히 감소하게 된다.
일반적으로 국부적인 시편의 네킹이 발생하면 표점 거리에 대해 평균 개념으로 계산된 응력-변형률 곡선은 실제로는 네킹 부위는 물론 네킹 이외 부위 어디에서도 유효하지 않은 응력-변형률 데이터를 얻게 하므로 이를 보정하는 작업이 필요하게 된다. 만약 기존의 표점 거리 대신 충분히 작은 표점 거리를 적용하면 최소한 표점 거리 내의 시편 거동에 대해서는 더 신뢰할만한 데이터를 얻을 수 있을 것으로 예상할 수 있다. 즉, 표점 거리가 네킹 부위를 중심으로 충분히 작아지게 되면 네킹 부위 특성을 온전히 표현할 수 있는 응력-변형률 데이터를 얻을 수 있게 되고, 마찬가지로 네킹 이외 부위를 중심으로 충분히 작은 표점 거리를 적용하면 네킹 이외 부위 특성을 온전히 표현할 수 있는 응력-변형률 데이터를 얻을 수 있게 된다.
만약 네킹 발생 여부와 상관없이 재료의 물성, 즉, 진응력-진변형률 곡선이 동일한 하나의 데이터로 존재한다면, 위와 같이 네킹 부위 근방에 충분히 작은 표점 거리를 적용해서 얻는 진응력-진변형률 곡선은 네킹 이외 부위 근방에 충분히 작은 표점 거리를 적용해서 얻는 진응력-진변형률 곡선과 동일하게 나타나게 될 것이다. 이러한 재료 물성 문제는 본 발명에서 다룰 수 있는 범위를 벗어나는 문제이므로, 다만 이러한 가정이 성립할 경우를 대비할 수 있는 진응력-진변형률 곡선 획득 방법을 다루고자 한다.
위에서 언급한 것처럼 시편의 부위별로 표점 거리를 축소시킴으로써 네킹 부위는 물론 네킹 이외 부위의 재료 물성을 충분히 반영하는 진응력-진변형률 곡선들을 획득할 수 있게 된다. 본 발명은 이러한 표점 거리 효과를 이용한 것으로서, 인장시험 시 네킹 부위는 물론 네킹 이외 부위의 특성을 잘 반영할 수 있도록 표점 거리를 정형화시키고 최소화시키는 것을 특징으로 한다.
다만, 표점 거리는 도 1에 표시된 그리드(grid)이하로 줄일 수는 없다. 따라서 시편의 표점 거리를 줄이는 대신 하나의 그리드를 대상으로 응력-변형률 데이터를 얻을 수 있다면 표점 거리 효과를 충분히 제거한 유동응력 곡선을 얻을 수 있다.
본 발명의 핵심은 이러한 각각의 그리드 기반으로 응력-변형률 간의 관계를 측정하고, 이를 중첩하여 최종적인 응력-변형률 곡선을 얻는 데에 있다. 시편의 모든 지점에서의 재료물성은 동일하다는 전제 하에 있기 때문에, 각 그리드에서 얻는 응력-변형률 간의 관계는 모두 동일하여야 한다. 따라서 표점 거리를 작게 하여, 즉 그리드 단위로 측정하고 계산하여 종래의 방법에 비해 보다 정확한 응력-변형률 관계를 획득할 수 있고, 이를 모두 중첩을 한다면 다소 오차값이 포함될 수는 있더라도, 표점 거리 내 국부 네킹으로 인한 데이터 왜곡을 피할 수 있는 실제 물성치와 동일한 값을 획득할 수 있는 것이다.
본 명세서에서 그리드의 두께 혹은 그리드의 단면적이라 함은, 해당 그리드에 대응하는 위치에서의 시편의 두께 혹은 시편의 단면적을 의미한다.
이러한 그리드 기반의 인장시험 데이터를 얻기 위한 이상적인 시험법은 인장 시험에서 실시간으로 시편의 그리드 변화와 하중을 동시에 측정하는 것이다. 이를 위해서는 시편의 그리드 위치에서의 두께를 측정해야 한다. 이러한 실시간 측정 방법의 대안으로는 복수의 인장시편들을 정해진 연신율까지만 시험하는 인터럽트(interrupt) 방식을 사용할 수도 있다.
인터럽트(interrupt) 방식이란, 시편에 대해 연신율 10%, 20%, 30%, ... 등과 같이 일정한 길이만큼 인장시험을 수행하고 그 결과로 얻는 시편에 대해 그리드의 변형률을 측정하는 것이다.
예를 들어, 10%의 연신율 만큼 인장력을 가한 후, 그 상황에서의 응력 및 변형율을 계산한다. 다시 20%의 연신율 만큼 인장력을 가한 후, 그 상황에서의 응력 및 변형율을 계산한다. 이를 원하는 연신율 까지 반복적으로 수행하는 것이다. 연신율은 측정하는 시편의 종류 및 측정방법 등에 따라 자유롭게 설정될 수 있음은 당연하다.
실시간으로 하건, 인터럽트 방식에 따르건, 각 그리드의 변형률은 초기 그리드 크기(Li)와 변형된 시편의 그리드 크기(Lf)로부터 다음과 같이 계산된다. 본 발명에서는 그리드 방식을 취하고 있으므로, 그리드가 표시된 시편의 이미지를 CCD 등에 의해 수집한 후, 이를 이미지 프로세싱을 통하여 변형률을 획득할 수 있다.
Figure 112010067822370-pat00001
각 그리드의 응력은 각 연신율 시점의 하중(F)과 그리드를 포함하는 시편 단면의 단면적(Af=폭*두께)으로부터 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112010067822370-pat00002
위의 그리드의 응력의 식은 일반적인 인장시험에서도 사용하는 식으로서, 그리드에 작용하는 응력을 정확하게 구하기 위해서는 단면적에서의 하중 분포를 고려할 필요가 있다. 즉, 단면적을 정확하게 측정하는 것이 중요하다. 단면적은 시편의 3차원적인 형상을 측정함으로써 보다 정확하게 획득될 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.
도 2는 5개 그리드에서 측정된 응력-변형률 데이터를 도시한 것이고, 도 3은 이를 얻기 위해 인장시험을 수행한 시편의 사진이다. 여기에서는 AZ31 시편에 대해 온도 150℃, 250℃의 2가지 조건에서 인장시험을 하였다. 시험 횟수를 고려하여 각 온도에서 연신율은 20%, 40%, 60%,.. 로 정하였다. 다만, 파단 연신율 조건은 포함하였다. 그리드를 입혀 시험한 250℃에서는 20%, 40%, 60%, 및 파단까지 시험할 수 있었다. 응력-변형률을 측정할 그리드로는 5개를 선정하였는데, 모든 그리드를 대상으로 하는 대신 편의상 가운데 근방의 그리드를 선정하였다. 다만, 0번은 정가운데의 그리드를 선정하였다. 네킹 부위로부터 먼곳의 응력-변형률 특성은 4번 그리드에 충분히 반영될 것으로 예상하였다.
도 2를 보면, 각 그리드 별로 20%, 40%, 60%, 및 파단까지 과정에서 획득되는 응력-변형률 관계를 도시한 것이다. 파단 시편의 데이터가 포함되었기 때문에 마지막 데이터 값이 급격히 작아지는 것이 보여진다. 파단 시편의 데이터를 제외하고 모든 그리드의 데이터를 통합하면 도 4 및 도 5와 같은 그래프를 최종적으로 얻을 수 있게 된다. 도 4는 150℃에서의 데이터의 중첩값이고, 도 5는 250℃에서의 데이터의 중첩값을 보여준다. 네킹에 의한 오차가 나타나지 않고 이상적인 응력-변형률 곡선을 획득할 수 있음을 보여주고 있다. 측정 오차와 단순화 가정으로 인한 데이터 분산이 있기 때문에 이를 감안한 피팅 곡선을 비교하여 표시한 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 응력-변형률 곡선을 획득하는 장치의 구성도를 도시하고 있다. 본 발명에 의한 응력-변형률 곡선 획득 장치는 시편에 인장력을 제공하는 인장부재(10)와, 인장부재에 제공되는 인장력의 측정을 위한 인장력 측정부(11)를 포함하는 것은 종래의 인장 시험기와 동일하다. 인장력 측정부(11)는 측정센서 또는 로드셀 등이 될 수 있다. 시편의 종류에 따라서 시편을 고정하는 부재 등이 포함된다.
본 발명의 핵심은 먼저 시편의 표면에 그리드를 제공하는 것이다. 특히, 그리드의 경계를 표시하는 선과 그리드 내부 면적은 이미지 프로세싱을 통해 구별되어 획득되어야 하므로 명확하게 표시하여야 한다.
특히 선이나 면적의 이미지 프로세싱을 위해서 특정 물질을 코팅하거나, 특정 색채로 구분하여, 이미지 프로세싱의 정확도를 높이는 방법도 고려할 수 있다.
본 발명에 의한 응력-변형률 측정 장치는 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 측정하는 CCD 카메라(21)와, 측정된 그리드의 형상을 이미지 프로세싱하여 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 이미지 프로세서부(22)와, 각각의 그리드의 단면적의 측정을 위한 단면적 측정부(23)를 포함한다.
CCD 카메라(21)는 시편의 표면에 표시된 그리드의 이미지를 얻기 위한 장치이다. 따라서 시편의 상부에 제공되는 것이 바람직하며, 정확한 변형률을 측정하기 위해서는 정확하게 수직하게 이미지를 획득하여야 한다.
이렇게 측정된 그리드의 이미지는 이미지 프로세서부(22)에 의해 가공된다. 즉, 이미지 프로세서부(22)를 통해 그리드의 경계선과 내부의 면적을 구분하여 이를 카운팅하여 그리드의 개수 및 각각의 그리드에 고유의 번호를 부여한다. 이에 대한 정보는 별도의 저장부(30)에 저장되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 가장 상측의 좌측에 위치한 그리드부터 일정한 패턴에 따른 고유번호를 부여하여 저장부(30)에 저장하는 것이다.
이미지 프로세싱 방법은 물체의 표면에 제공되는 측정 대상 이미지(본 발명에서는 그리드)는 표준 규격 시스템 배치도에서 "화소(pixel : 이하 픽셀로 칭함)"로 일컬어지는 개개의 감지요소들을 포함하는 센서장치에 투사된다. 이것들은 이미지 평면에서 X 또는 Y축 방향을 따라 행렬 매트릭스 형태로 배열된다. 픽셀은 시리즈로 신호가 입력되며 디지털적으로 저장된 각각의 픽셀 좌표에 배당된 개개의 그레이 스케일값을 전송하고 이에 대응하는 픽셀 좌표와 함께 처리된다.
개개의 픽셀의 크기는 전체 이미지의 크기에 따라 미리 정해져 있기 때문에, 픽셀의 개수를 구하여 해당 영역의 크기를 측정할 수 있다. 이미지 프로세서는 각각의 픽셀 좌표를 비교하여 그리드의 경계를 나타내는 픽셀과 그리드의 내부를 나타내는 픽셀로 구분한다. 그리고, 연결되어 있는 그리드의 내부를 나타내는 픽셀의 개수와 그리드의 경계를 나타내는 픽셀의 적당한 개수를 합하여 해당 그리드의 면적을 계산할 수 있다.
다만, 그리드 형상에 대한 이미지 프로세싱을 하는 목적은 주로 그리드 별로 변형률을 얻기 위함이다. 본 발명에서 편의를 위해, 인장 방향을 높이 방향으로, 인장 방향에 수직한 방향을 폭 방향으로 정의한다. 그리드는 두개의 높이 방향의 변과 두개의 폭 방향의 변으로 구성될 수 있다.
각각의 그리드의 변형률은 그리드의 중심을 지나는 높이 크기를 측정할 수 있고, 또는 폭방향의 픽셀 당 높이를 모두 더한 후에 폭 방향의 픽셀 개수로 나누어서 평균값을 취할 수도 있다. 이는 근사하는 방법에 관한 것으로서 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
단면적 측정부(23)는 각각의 그리드의 단면적의 측정을 위함이다. 시편은 폭방향으로 두께가 일정치 않는 것이 일반적이다. 즉, 바깥쪽 보다는 중심측이 더 얇게 변형되는 것이 일반적이다. 따라서 보다 정확하게 단면적을 측정하는 것이 정확한 응력 계산에 있어 매우 중요하다.
본 발명에서는 시편의 두께 방향으로 단면적을 측정하고, 이를 이미지 프로세싱에 의해 획득한 시편 표면의 그리드 경계선과 대응시켜 각각의 그리드의 단면적을 계산할 수 있다.
일반적으로 산업용에서의 비접촉식 물체의 외곽 단면의 계측방법에는 레이저기법 및 비젼시스템을 이용한 모아레 기법이 사용된다.
레이저 기법을 사용하는 경우에는 측정 대상인 시편에 레이저빛을 주사하고 이러한 레이저빛에 의하여 형성되는 시편의 표면 윤곽의 이미지를 측정하도록 복수 개의 카메라를 동기시켜 시편의 표면윤곽의 형상을 획득한다. 즉, 시편의 주변에 방사형 또는 직진성의 광을 방출하는 다수의 레이져 광원을 배치하고, 레이져 광원으로부터 방사된 후 시편의 표면에 부딪혀 반사되어 오는 레이져 광을 센싱하는 다수의 광센서를 배치한다. 경우에 따라서 레이져 광원 및 광센서의 위치를 제어하는 제어수단이 추가될 수 있다. 또한, 획득한 광센싱 정보에 따라 시편의 외곽 단면의 정보를 구하고, 이를 합성하여 외곽 단면을 추출하는 영상신호 처리 수단을 더 포함할 수 있다. 이는 레이져 광원을 이용하여 단면을 측정하는 일반적인 기술이므로 구체적인 구조에 관한 설명은 생략하기로 한다.
모아레 기법을 사용하는 경우에는 시편의 전체적인 형상을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 물체의 등고선을 판단하는 모아레 기법에는 크게 그림자 모아레 기법과 투영 모아레 기법이 알려져 있다. 그림자 모아레 기법은 기준 격자(reference grating)를 측정 대상물 앞에 위치시킨 후 측정 대상물 앞의 격자에 빛을 영사하여 측정 대상물 위에 격자무늬의 그림자를 만들고 다른 각도에서 상기 기준격자를 통해서 그 그림자를 보았을 때 보이는 모아레 무늬를 분석하는 방식이다. 또한, 투영 모아레 기법은 물체 위의 격자무늬를 투영시키고, 이미지 검출을 위한 이미지 센서 앞에 또 다른 격자를 위치시킨 후, 이 다른 격자의 격자무늬를 통해서 보이는 모아레 무늬를 분석하는 방식이다. 이와 같이 모아레 무늬를 분석하여 3차원 영상을 도출하는 장치 및 알고리즘들은 다양하게 소개된 바 있으므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.(M. Kujawinska, "Use of Phasestepping Automatic Fringe Analysis in Moire interferometry," Applied Optics, 26(22) 4712~4714 참조, YB Choi, SW Kim, "Phase-shifting Grating Projection Moire Topography," Optical Engineering 37(3) 1005~1010 참조, SW Kim et al., "Two frequency phase-shifting projection moire topography," SPIE Vol. 3520, 36~42 참조)
상기 방법에 의해 시편의 단면적을 측정할 수 있으며, 이를 각각의 그리드 별로 분할하여 저장부(30)에 저장하게 된다. 단면적은 각 그리드의 중심을 지나는 폭 방향의 단면을 기준으로 계산할 수 있고, 변형률과 마찬가지로 평균값을 계산할 수도 있다. 시편의 단면적 측정을 위한 기계적 구성은 일반적으로 사용되는 것이므로 구체적으로 도면에 도시하지는 않았다.
이와 같이 하여, 각각의 그리드 별로 인장력과, 변형률과, 단면적을 측정하게 된다. 이중 인장력과 단면적과의 관계에서 응력을 계산할 수 있다. 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 장치는 응력 계산부(31)와 데이터 처리부(32)를 더 포함한다.
즉, 응력 계산부(31)는 저장부(30)에 저장되어 있는, 각각의 그리드에 대해 응력을 계산하여 이를 다시 저장한다. 이로써, 저장부(30)에는 그리드의 고유번호 별로 측정되거나 계산된 모든 데이터들이 저장되어 있다.
데이터 처리부(32)는 앞에서 설명한 바와 같이, 각 그리드 별로 얻은 응력-변형률 간의 데이터를 중첩하게 된다. 이로서 최종적인 결과값이 얻어지게 된다.
본 발명에서의 핵심은 이러한 모든 측정이 실시간으로 이루어진다는 점이고, 이러한 측정값 및 이를 통한 계산값이 정해진 시간에 따라 저장부에 저장된다는 점이다.
다만, 본 발명은 인터럽트 방식으로 수행될 수 있음은 앞에서 설명한 바와 같다.
이하, 상기의 장치들을 통해 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 방법에 대해 설명하기로 한다. 도 7 내지 도 10은 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 방법의 여러가지 실시예의 흐름도를 보여준다.
본 발명은 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법이고, 시편에 인장력을 가하는 단계와, 시편에 가해지는 인장력을 실시간으로 측정하는 단계와, 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 실시간으로 측정하고, 이로부터 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 단계와, 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 실시간으로 측정하고, 이로부터 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 단계와, N개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 단계를 포함한다. 각각의 단계에서 측정값 및 계산값을 저장부에 저장하는 단계가 수반될 수 있음은 당연하다.
또한, 본 발명을 인터럽트 방식으로 적용한다면, 시편에 소정의 연신율 만큼 인장력을 가하는 제1 단계와, 제1 단계에서 가해지는 인장력을 측정하는 제2 단계와, 소정의 연신율 만큼 변형된 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 측정하고, 이로부터 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 제3 단계와, 각각의 변형된 그리드에 해당하는 단면적을 측정하고, 이로부터 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 제4 단계와, N개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 제5 단계를 포함하고, 제1 단계 내지 제5 단계를 원하는 최종 연신율까지 반복하여 행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
다만, 본 발명은 제공되는 모든 그리드의 값을 중첩할 필요는 없으며, 오차가 발생하는 그리드는 제외할 수 있다. 즉, 측정 및 중첩하는 그리드를 선별적으로 선택하여 본 발명을 수행할 수 있다.
즉, 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법에 있어서, N개의 그리드 중 측정을 원하는 n개의 그리드를 특정하는 단계와, 시편에 인장력을 가하는 단계와, 시편에 가해지는 인장력을 실시간으로 측정하는 단계와, 특정된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 실시간으로 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 단계와, 특정된 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 실시간으로 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 단계와, 특정된 n개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 단계를 포함한다.
이의 다른 실시예로서, N개의 그리드 중 측정을 원하는 n개의 그리드를 특정하는 제1 단계와, 시편에 소정의 연신율 만큼 인장력을 가하는 제2 단계와, 제1 단계에서 가해지는 인장력을 측정하는 제3 단계와, 소정의 연신율 만큼 변형된 특정되어진 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 제4 단계와, 특정된 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 제5 단계와, 특정된 n개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 제6 단계를 포함하고, 제2 단계 내지 상기 제6 단계를 원하는 연신율까지 반복하여 행할 수 있다.
이하 본 발명에 의한 응력-변형률 측정 방법 및 그 장치에 대해 원리를 바탕으로 하여 설명을 하였다. 본 발명은 상기와 같은 실시예에 의해 권리범위가 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적인 사상을 가지고 있다면 모두 본 발명의 권리범위에 해당된다고 볼 수 있으며, 본 발명은 특허청구범위에 의해 권리범위가 정해짐을 밝혀둔다.
10 : 인장부재, 11 : 인장력 측정부, 21 : CCD 카메라, 22 : 이미지 프로세서부, 23 : 단면적 측정부, 30 : 저장부, 31 : 응력 계산부, 32 : 데이터 처리부

Claims (6)

  1. 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법에 있어서,
    상기 시편에 인장력을 가하는 단계와,
    상기 시편에 가해지는 인장력을 실시간으로 측정하는 단계와,
    상기 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 실시간으로 측정하고, 이로부터 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 단계와,
    상기 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 실시간으로 측정하고, 이로부터 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 단계와,
    N개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 단계를 포함하는,
    응력-변형률 곡선을 획득하는 방법.
  2. 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법에 있어서,
    상기 시편에 소정의 연신율 만큼 인장력을 가하는 제1 단계와,
    상기 제1 단계에서 가해지는 인장력을 측정하는 제2 단계와,
    상기 소정의 연신율 만큼 변형된 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 측정하고, 이로부터 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 제3 단계와,
    상기 각각의 변형된 그리드에 해당하는 단면적을 측정하고, 이로부터 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 제4 단계와,
    N개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 제5 단계를 포함하고,
    상기 제1 단계 내지 상기 제5 단계를 반복하여 행하는,
    응력-변형률 곡선을 획득하는 방법.
  3. 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법에 있어서,
    상기 N개의 그리드 중 측정을 원하는 n개의 그리드를 특정하는 단계와,
    상기 시편에 인장력을 가하는 단계와,
    상기 시편에 가해지는 인장력을 실시간으로 측정하는 단계와,
    상기 특정된 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 실시간으로 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 단계와,
    상기 특정된 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 실시간으로 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 단계와,
    상기 특정된 n개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 단계를 포함하는,
    응력-변형률 곡선을 획득하는 방법.
  4. 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 방법에 있어서,
    상기 N개의 그리드 중 측정을 원하는 n개의 그리드를 특정하는 제1 단계와,
    상기 시편에 소정의 연신율 만큼 인장력을 가하는 제2 단계와,
    상기 제1 단계에서 가해지는 인장력을 측정하는 제3 단계와,
    상기 소정의 연신율 만큼 변형된 특정되어진 각각의 그리드의 형상을 이미지 프로세싱을 이용하여 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 제4 단계와,
    상기 특정된 각각의 그리드에 해당하는 단면적을 측정하고, 이로부터 특정된 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 제5 단계와,
    상기 특정된 n개의 그리드에 해당하는 응력과 변형률의 관계를 중첩(superposition)하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 제6 단계를 포함하고,
    상기 제2 단계 내지 상기 제6 단계를 반복하여 행하는,
    응력-변형률 곡선 획득 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 하나에 있어서,
    상기 그리드의 단면적을 측정하는 방법은, 레이져 기법 또는 모아레(Moire) 기법을 이용하는,
    응력-변형률 곡선을 획득하는 방법.
  6. 표면상에 N개의 그리드가 표시된 시편을 사용하여 응력-변형률 곡선을 획득하는 장치에 있어서,
    상기 시편에 인장력을 제공하는 인장부재와,
    상기 인장부재에 제공되는 인장력의 측정을 위한 인장력 측정부와,
    상기 시편의 표면에 표시된 각각의 그리드의 형상을 측정하는 CCD 카메라와,
    상기 측정된 그리드의 형상을 이미지 프로세싱하여 각각의 그리드의 변형률을 계산하는 이미지 프로세서부와,
    상기 각각의 그리드의 단면적의 측정을 위한 단면적 측정부와,
    상기 측정된 인장력과 단면적을 통해 각각의 그리드에 가해지는 응력을 계산하는 응력 계산부와,
    상기 계산된 응력 및 변형률을 저장 또는 측정하는 데이터 처리부를 포함하는,
    응력-변형률 곡선을 획득하는 장치.
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