KR101297371B1 - 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치에 관한 것으로; 주기적인 열(Periodic Heating)을 검사체에 공급하는 열원과, 상기 열원으로부터 검사체에 공급된 열흐름을 열확산도(Thermal Diffusivity)로 분석하여 2차원 열화상 이미지로 표시하는 적외선 카메라로 구성되는 것을 특징으로 하는 열확산도에 따른 적외선 열화상 결함 검사 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 검사체인 공업용 재료나 부품 등에 존재하는 결함을 적외선 열화상 카메라를 통해 광범위하게 열확산도를 추정하여 검출할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 형태와 두께로 된 공업용 재료나 부품 등의 시험체 내에 존재하는 결함을 신속하게 비접촉식으로 검출할 수 있고, 이를 2차원 이미지로 도시되는 열화상 영상을 통해 더욱 정밀하게 결함을 분석할 수 있다.

Description

열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치{ Apparatus for Defect Detection Using Infrared Thermography Technique with Thermal Diffusivity Measurements }

본 발명은 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 적외선 열화상(Infrared Thermography) 기술을 이용하여 공업용 재료나 부품 등과 같은 검사체에 존재하는 결함을 검사하기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 적외선 열화상 기술(Infrared Thermography)은 대상체의 표면 복사에너지를 검출하고 이를 온도로 환산하여 실시간으로 영상을 제공하는 기술이다.

이와 같은 적외선 열화상 기술은 물체의 표면 온도 변화를 비접촉, 비파괴, 실시간 측정이 가능하여 재료의 열적특성평가, 열화진단, 결함검사, 체열측정을 통한 의료진단 등의 다양한 분야에 활용되고 있다.

한편, 금속재질의 물체의 결함을 검출시에 적외선 열화상 기술을 적용하는 경우, 열확산 계수가 큰 금속 재료일수록 검출소자의 샘플링 한계로 인하여 결함을 찾는데 어려움이 있으나, 이러한 문제는 위상잠금(Lock-in) 기법을 적용함으로써 개선되었다.

상기 위상잠금 적외선 열화상(lock-in infrared thermography; lock-in IRT)의 원리는 대상체를 자극하는 열원을 조화함수로 변조하여 입사하고 이 조화함수에 검출소자를 동기화시켜 조화함수의 위상변화를 복조하는 것으로, 위상잠금을 사용하여 위상변화를 추출함으로써 물체 표면의 미세한 변화를 감지할 수 있으며, 불균일한 표면 방사율의 영향을 적게 받게 된다.

그런데, 실제 시험편이나 실물을 이용한 결함의 발견이나 검사에 있어서 위상잠금(Lock-in) 적외선 열화상 기술은 제한적인 검출능 범위내에서 결함검출 검사가 가능해 그 결함의 검출범위가 제한적인 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 적외선열화상 기술을 이용하여 공업용 재료나 부품 등의 검사체에 존재하는 결함을 적외선 열화상 카메라를 통해 광범위하게 열확산도를 추정하여 검출하며 그 결과를 2차원적 적외선 열화상 영상으로 표시할 수 있는 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 다양한 형태와 두께로 된 공업용 재료나 부품 등의 검사체 내에 존재하는 결함을 비접촉식으로 신속한 검사를 할 수 있는 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치를 제공함에 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

주기적인 열(Periodic Heating)을 검사체에 공급하는 열원과, 상기 열원으로부터 검사체에 공급된 열흐름을 열확산도(Thermal Diffusivity)로 분석하여 2차원 열화상 이미지로 표시하는 적외선 카메라로 구성되는 것을 특징으로 하는 열확산도에 따른 적외선 열화상 결함 검사 장치를 제공한다.

이때, 상기 열원은 열펄스를 상기 검사체에 전달하는 플래시 램프인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 열원은 상기 검사체의 전방에 구비되어 상기 검사체에 열펄스를 전달하고, 상기 적외선 카메라는 상기 검사체의 후방에 구비되어 상기 검사체의 두께방향 열확산도를 화소 단위로 이미지화하여 2차원 열화상으로 표시하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 검사체는 공업용 재료 또는 부품인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 적외선 카메라에서 측정한 검사체의 2차원 열화상 이미지는 데이터 수집수단에 저장되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 데이터 수집수단은 PC, 노트북, 산업용 컴퓨터 중에 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 적외선 카메라에서 측정한 검사체의 2차원 열화상 이미지는 디스플레이 수단으로 표시되는 것을 특징으로 한다.

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본 발명에 따르면, 검사체인 공업용 재료나 부품 등에 존재하는 결함을 적외선 열화상 카메라를 통해 광범위하게 열확산도를 추정하여 검출할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 형태와 두께로 된 공업용 재료나 부품 등의 시험체 내에 존재하는 결함을 신속하게 비접촉식으로 검출할 수 있고, 이를 2차원 이미지로 도시되는 열화상 영상을 통해 더욱 정밀하게 결함을 분석할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 결함 검사에 사용되는 적외선 카메라로 촬영한 검사체의 열화상 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 흐름도이다.

본 발명에 따른 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치를 첨부한 도면을 참고로 하여 이하 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징을 이해할 수 있을 것이다.

이때, 도 1은 본 발명에 따른 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치의 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 결함 검사에 사용되는 적외선 카메라로 촬영한 검사체의 열화상 이미지이고, 도 4는 본 발명에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 흐름도이다.

도 1 및 도 2에 의하면, 본 발명에 따른 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 장치는 다양한 형태와 두께의 결함을 지니고 있는 검사체(100)인 공업용 재료나 부품의 제작 동안 또는 사용중에 생긴 결함을 적외선 카메라(300)를 통해 열확산도를 추정하여 검출하며, 그 결과를 2차원 적외선 열화상 영상으로 표시하여 다양한 형태와 두께로 된 공업용 재료나 부품내에 존재하는 결함 검출을 비접촉식으로 신속하게 할 수 있으며 그 2차원적 열화상 영상을 통해 검사체가 가지고 있는 결함을 분석할 수 있다.

이때, 본 발명에서는 검사체(100)에 대한 결함 검사를 위해 적외선열화상(infrared thermography) 기술을 이용하는 것으로, 이의 원리는 우선 주기적인 열(Periodic Heating)을 대상 검사체(100)에 공급하고, 검사체(100)에 공급된 열흐름을 검지하여 결함을 감지하기 위한 적외선 카메라로 구성되어 있다.

본 발명의 원리는 열원(200)인 플래시 램프에서 순간적으로 검사체(100)에 열펄스를 전달한 뒤, 검사체(100) 내의 열흐름을 열확산도(Thermal Diffusivity)로 분석하여 적외선 카메라(300)를 통해 감지하고, 두께방향의 열확산도를 화소단위로 이미지화 하여 2차원 열화상으로 표시하여 시편의 결함함유 여부를 판별한다.

이때, 열확산도는 파커 등(W.J. Parker et al., Journal of Applied Physics, vol. 32, no. 9, 1961, p. 1679.)이 계산한 방법을 사용하여 다음의 수식 (1)로 표현된다.

이때, 'T'는 검사체(100) 후면의 온도이고, 'L'의 검사체(100)의 두께이고, 't'는 시간이고, 'Q'는 검사체(100) 전면에 가해지는 복사에너지 펄스(ca/㎠)이고, 'ρ'는 검사체(100)의 밀도(g/㎤)이고, 'C'는 검사체(100)의 비열(cal/g℃)이며, 'α'는 열확산도(㎠/sec)이다

상기 열확산도(α)는 다음의 수식(2)로 표현된다.

이때, 't_{0 .5}'는 최고온도의 중간에 도달하기까지의 시간을 의미한다.

이상의 수식을 이용해 열원(200)에서 검사체(100)에 전달된 열흐름에 따라 열확산도 차이를 적외선 카메라(300)가 감지하여 이미지화 하여 2차원 열화상으로 표시하며, 그 결과를 바탕으로 실제 검사체(100)의 결함 걸출 결과를 알 수 있다.

이와 같은 본 발명은 검사체(100)의 전면에 주기적인 열(Periodic Heating)을 공급하기 위한 열원(200)과, 상기 열원(200)으로부터 검사체(100)에 공급된 열흐름을 열확산도(Thermal Diffusivity)로 분석하여 2차원 열화상 이미지로 표시하는 적외선 카메라(300)로 구성된다.

특히, 열원(200)인 플래시 램프에서 순간적으로 검사체(100)에 열펄스를 전달한 뒤, 물체 내의 열흐름을 열확산도(Thermal Diffusivity)로 분석하여 적외선 카메라(300)를 통해 감지하고, 두께방향의 열확산도를 화소단위로 이미지화하여 2차원 열화상으로 표시하여 시편의 결함함유 여부를 판별하기 위해 검사체(100)의 전방에 열원(200)인 플래시 램프를 구비하고, 검사체(100)의 후방에 적외선 카메라(300)를 설치한다.

이하, 본 발명의 각부 구성을 상세히 설명한다.

먼저, 상기 검사체(100)는 다양한 형태와 두께의 결함을 지니고 있을 수 있는 것으로, 공업용 재료나 부품 등이 그 대상이 될 수 있으며, 그와 같은 공업용 재료나 부품 등을 제작하는 동안 또는 사용중에 생긴 결함을 가질 수 있다.

그리고, 상기 열원(200)은 주기적인 열(Periodic Heating)을 대상 검사체(100)에 공급하기 위해 플래시 램프를 사용한다.

한편, 상기 적외선 카메라(300)는 열원(200)에 의해 공급되는 열이 주기적으로 검사체(100)에 전달되어 발생되는 열 흐름을 열확산도(Thermal Diffusivity)로 분석하여 2차원 열화상 이미지로 표시할 수 있으며 이러한 검사체(100)의 결함 결과를 바탕으로 검사체(100)의 결함 함유 여부를 판별할 수 있다.

이때, 검사체(100)를 적외선 카메라(300)에 의해 촬영한 2차원 열화상 이미지는 진폭 차이에 따른 다양한 형태의 이미지로 나타날 수 있다.

도 3은 세라믹 복합재료의 인장시편에 대해서 실시한 2차원 열화상 결함 이미지를 촬영한 것으로 진폭 차이에 따른 다양한 형태의 이미지가 나타남을 알 수 있다.

즉, 열원(200)으로부터 검사체(100)에 전달된 열흐름에 따라 열확산도 차이를 적외선 카메라(300)가 감지하여 2차원 열화상이미지(101)로 도시할 수 있으며 이러한 결과를 바탕으로 실제 검사체의 결함 검출결과를 알 수 있다.

한편, 상기 적외선 카메라(300)에 의해 촬영되는 2차원 열화상 이미지는 추후 검사체(100)를 정밀하게 진단하거나 또는 검사체(100)와 유사한 부품이나 시스템 등의 실물의 결함 검사시에 비교 자료로 활용 가능하도록 하기 위해 저장 및 관리할 필요가 있다.

이를 위해 검사체(100)의 후면으로부터 측정한 2차원 열화상 이미지(101)는 데이터 수집수단(400)으로 수집되어 저장 관리되고, 디스플레이 수단(500)인 모니터를 통해 표시해 줌으로써 확인할 수 있다.

이와 같은 데이터 수집수단(400)은 PC, 노트북, 산업용 컴퓨터 등과 같은 다양한 연산장치를 사용할 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 4를 참고로 본 발명에 따른 열확산도에 따른 적외선 열화상 기술을 이용한 결함 검사 과정을 상세히 설명한다.

먼저, 검사체(100)를 거치대 등에 설치한다. 이 경우 결함(102) 부분이 전방으로 노출되도록 설치하고, 그 결함(102)과 일정거리 이격되게 검사체(100)의 전방과 후방에 열원(200)인 플래시램프와 적외선 카메라(300)를 각각 설치한다.(S100)

상기 단계(S100)를 거친 후, 열원(200)인 플래시램프를 구동하여 검사체(100)의 전면에 열펄스를 전달하고 적외선 카메라(300)로 두께방향으로의 열확산도를 화소 단위로 이미지화하여 2차원 열화상 이미지를 촬영한다.(S110)

그리고, 상기 적외선 카메라(300)를 통해 촬영되는 2차원 열화상 이미지(101)를 데이터 수집수단(400)에 전송하여 저장 및 관리한다.(S120)

이상의 과정을 거쳐 획득한 검사체(100)에 대한 2차원 열화상 이미지(101)는 디스플레이 수단(500)인 모니터를 통해 표시해 주어 이를 분석함으로써 검사체(100)가 어떠한 결함을 가지는지 유추할 수 있게 된다.(S130)

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시 예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것이다.

100 : 검사체 101: 2차원 열화상 이미지
102 : 결함 200: 열원
300: 적외선 카메라 400: 데이터 수집수단
500: 디스플레이 수단

Claims (9)

1. 주기적인 열(Periodic Heating)을 열펄스의 형태로 검사체에 공급하는 플래시 램프와,
   상기 플래시 램프로부터 검사체에 공급된 열흐름을 열확산도(Thermal Diffusivity)로 분석하여 2차원 열화상 이미지로 표시하는 적외선 카메라와,
   상기 적외선 카메라에서 측정한 검사체의 2차원 열화상 이미지를 저장하는 데이터 수집수단과,
   상기 적외선 카메라에서 측정한 검사체의 2차원 열화상 이미지를 표시하는 디스플레이 수단을 포함하여 구성되되,
   상기 플래시 램프는 상기 검사체의 전방에 구비되어 상기 검사체에 열펄스를 전달하고, 상기 적외선 카메라는 상기 검사체의 후방에 구비되어 상기 검사체의 두께방향 열확산도를 화소 단위로 이미지화하여 2차원 열화상으로 표시하는 것을 특징으로 하는 열확산도에 따른 적외선 열화상 결함 검사 장치.
   
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4. 제 1항에 있어서,
   상기 검사체는 공업용 재료 또는 부품인 것을 특징으로 하는 열확산도에 따른 적외선 열화상 결함 검사 장치.
   
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6. 제 1항에 있어서,
   상기 데이터 수집수단은 PC, 노트북, 산업용 컴퓨터 중에 어느 하나인 것을 특징으로 하는 열확산도에 따른 적외선 열화상 결함 검사 장치.
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