KR101320358B1 - 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치 - Google Patents

비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치에 관한 것으로, 전압신호를 생성하는 함수생성기와, 함수생성기에서 공급되는 전압신호를 전류로 변환하는 레이저 다이오드 드라이버와, 레이저 다이오드 드라이버에서 공급되는 전류에 의해 레이저를 연속적으로 생성하여 구조물에 조사하는 연속레이저기와, 연속레이저기에서 조사되는 레이저에 의해 가열된 구조물을 계측하는 열화상 카메라 및 함수생성기를 제어하고 열화상 카메라의 화상정보를 수신하여 구조물의 손상 여부를 판별하는 컨트롤러를 포함하여, 구조물의 손상을 감지할 수 있다.

Description

비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치{LASER LOCK-IN THERMOGRAPHY DEVICE FOR NONDESTRUCTIVE EVALUATION}
본 발명은 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저를 구조물에 조사하고 이로부터 발생한 열파를 적외선 열화상 카메라를 통해 촬영하여 구조물의 결함을 감지하는 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치에 관한 것이다.
일반적으로 구조물 속에 결함이 있는 경우, 구조물을 파괴하여 조사하면 그 유무를 쉽게 확인할 수 있으나 이러한 파괴검사는 낭비가 많아 모든 구조물을 조사하는 데는 적합하지 않다.
따라서 구조물 내부의 기공(氣孔)이나 균열 등의 결함, 용접부의 내부 결함 등을 외부에서 검사하는 비파괴 검사가 이루어지고 있다.
이러한 비파괴 검사로는, 방사선투과나, 초음파 탐상, 맴돌이 전류시험, 침투법이나 자분 탐상법 등이 사용된다.
방사선투과시험에는 보통 X선이 쓰이는데, 물품과 같은 재료로 된 여러 가지 굵기의 철사를 물품과 같은 두께의 평판 위에 놓고 X선으로 사진을 찍어 각각의 선의 존재를 알 수 있게 X선의 강도나 노출시간을 조절함으로써 검출 가능한 결함의 크기를 정한다.
이 방법의 원리는 결함 부분이 제품의 일반 부분과는 다른 물질(개재물) 또는 공동으로 되어 있어서 X선을 통과시키는 능력이 다른 것을 이용한 것이다. 이때, 필름 위에는 결함 부분이 일반 부분과 다른 농도로 감광된다.
초음파탐상법은 발진장치에서 나온 초음파를 물품의 한 면에서 넣어 다른 면에서 반사되어 오는 음파를 받아 결함에서 반사되는 초음파를 통해 결함을 발견한다.
맴돌이전류는 고주파유도 등의 방법으로 물품에 맴돌이 전파류를 흘려 전류가 흐트러지는 것으로 결함을 발견한다.
방사선을 투과할 때도 초음파의 경우와 같이 검출된 결함신호를 알기 위해서는 2개 이상의 방향에서 입사시켜, 그 교점으로서 정할 수가 있고, 결함의 크기도 알 수 있다.
침투법 또는 자분탐상법은 표면의 흠을 찾는 데 사용한다. 색소나 형광체를 함유하는 액을 흠이 생긴 면에 발라서 스며들게 하고 표면을 잘 씻은 후 침투는 백묵을 칠하여 색소가 스며 나오는 것을 보고, 자분은 자외선 등으로 비쳐서 형광을 발하는 것으로 흠을 발견한다.
또 철강재에서는 자화(磁化)시켜 표면에 뿌린 철분이 흠이 있는 곳에서만 자기력선속의 세기 때문에 흡인되는 것을 이용하여, 착색된 자분으로 탐상하는 방법도 있다.
최근에는 구조물의 열을 감지하여 구조물의 손상여부를 진단하는 열화상기법이 사용된다. 이러한 열화상기법은 구조물에서 방사되는 적외선의 측정에 의해 얻어진 구조물의 온도분포를 색상으로 표현하여 구조물의 손상여부를 확인한다.
이때, 비파괴 검사를 위한 적외선 열화상 기술은 외부 열원의 주입 없이 구조물에 발생한 열원을 활용하는 수동형 기법과 외부적으로 열원을 가진하여 발생한 적외선의 변화를 측정하는 능동형 기법으로 대분할 수 있다.
한편, 본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 2011-0059278호(2011.06.02 공개, 발명의 명칭: 압축열을 이용한 비파괴 시험 시스템 및 방법)에 개시되어 있다.
종래 개발된 수동형 또는 능동형 열화상 기법들은 다음과 같은 한계를 가진다.
(1) 수동형 열화상 기법 : 사용상태 하의 구조물 손상 진단에 유리하나, 비 사용상태 하의 구조물 손상 진단이 어려우며, 이미 진행된 손상의 경우 응력집중에 의한 열원 발생이 제한되는 단점이 있다.
(2) 능동형 할로겐 위상 잠금 열화상 기법 : 주파수 변조된 할로겐 램프를 열원으로 활용하여 구조물을 가진하는 기법으로, 열원의 특성상 에너지를 집중시키기 어려워 외부환경으로부터의 노이즈 영향이 크고 구조물에 근접한 가진 거리를 확보해야한다는 단점이 있다.
(3) 능동형 서모소닉 열화상 기법 : 초음파 가진기로 구조물을 가진하여 손상 주변에서 발생하는 열을 계측하는 기법으로 구조물에 가진기를 직접 부착해야하므로 손상이 야기될 수 있고, 대상 구조물에 따라 막대한 가진 에너지가 요구된다.
(4) 능동형 에디 커런트(Eddy-Current) 열화상 기법 : 구조물 표면에 전류를 생성하여 발생하는 열의 흐름을 계측하는 열화상 기법으로, 구조물에 근접한 가진 거리가 필요하고 전도성을 가진 구조물에만 적용 가능하다.
(5) 능동형 레이저-스팟 열화상 기법: 최근 제안된 기법으로 펄스 레이저 (Pulse laser)를 이용하여 원거리에서 표면 균열을 효과적으로 감지할 수 있으나, 2차원 열흐름 (2D heat flow)을 기반으로 표면 결함만을 감지 할 수 있다는 한계점이 있다.
따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 원거리에서 구조물 진단이 가능하고 열에너지의 집중 제어로 다양한 재질의 구조물 진단이 가능하며, 구조물의 내부 결함 감지가 가능한 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일측면에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치는 전압신호를 생성하는 함수생성기; 상기 함수생성기에서 공급되는 전압신호를 전류로 변환하는 레이저 다이오드 드라이버; 상기 레이저 다이오드 드라이버에서 공급되는 전류에 의해 레이저를 연속적으로 생성하여 구조물에 조사하는 연속레이저기; 상기 연속레이저기에서 조사되는 레이저에 의해 가열된 상기 구조물을 계측하는 열화상 카메라; 및 상기 함수생성기를 제어하고, 상기 열화상 카메라의 화상정보를 수신하여 상기 구조물의 손상 여부를 판별하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일측면에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치는 상기 연속레이저기에 연결되고, 상기 연속레이저기에서 조사되는 레이저를 레이저빔으로 변환하는 시준기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일측면에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치는 상기 시준기와 상기 구조물 사이에 배치되고, 상기 레이저빔의 진행방향을 조절하는 각도조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 각도조절기는 상기 레이저빔을 반사하는 한 쌍의 갈바노 거울이 구비되고, 상기 갈바노 거울은 상기 컨트롤러의 제어로 각도가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치는 직진성과 응집성이 뛰어난 레이저를 이용하여 원거리에서 에너지 소실 없이 구조물을 가진하고, 무기저 손상 진단이 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치는 레이저의 조사범위와 각도 및 열화상 카메라의 동작이 동기화되어 구조물의 손상감지가 원활하게 이루어지는 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치는 각도조절기가 레이저빔의 조사범위를 확장시켜 줌으로써, 대형 구조물에 대한 비파괴검사가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치에서 위상 잠금 열화상 기법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치에서 위상 잠금 열화상 기법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치(1)에는 함수생성기(10), 레이저 다이오드 드라이버(20), 연속레이저기(30), 열화상 카메라(40) 및 컨트롤러(50)가 구비된다.
함수생성기(10)는 전압신호를 생성하고, 레이저 다이오드 드라이버(20)는 함수생성기(10)에서 공급되는 전압신호를 전류로 전환한다.
이때, 함수생성기(10)와 다이오드 드라이버(20)를 연결하는 신호케이블에 의해 전압신호가 전송된다. 그리고, 함수생성기(10)에 연결되는 전원케이블에 의해 전원이 함수생성기(10)에 공급되어 함수생성기(10)가 구동된다.
연속레이저기(30)는 레이저 다이오드 드라이버(20)에 공급되는 전류에 의해 구동되어 구조물(100)을 향해 레이저를 방출한다. 이러한 연속레이저기(30)는 연속적으로 레이저를 방출한다.
이때, 레이저 다이오드 드라이버(20)와 연속레이저기(30)를 연결하는 전류케이블에 의해 전류가 전송된다.
열화상 카메라(40)는 연속레이저기(30)에서 조사되는 레이저에 의해 가열된 구조물(100)을 계측한다. 이러한 열화상 카메라(40)로는 적외선 카메라가 사용된다.
컨트롤러(50)는 함수생성기(10)와 연결되어 함수생성기(10)를 제어한다. 그리고, 컨트롤러(50)는 열화상 카메라(40)의 화상정보를 수신하여 구조물(100)의 손상 여부를 판별한다.
즉, 열화상 카메라(40)는 구조물(100)의 가상점에서의 온도변화를 계측하고, 컨트롤러(50)는 각 가상점에서의 온도정보를 영상처리 과정을 통해 위상값으로 변환한 후 이를 바탕으로 이미지화한다.
관찰자는 각 가상점에서 위상 정보를 포함한 최종 위상 이미지를 통해 구조물(100)의 손상 유무, 손상 종류 등과 같은 손상정보를 파악한다.
이때, 컨트롤러(50)는 위상 잠금 열화상 기법을 사용한다. 이러한 위상 잠금 열화상 기법은 열화상 카메라(40)로 손상정보를 파악하는데 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치(1)에는 시준기(60)가 더 구비된다. 이러한 시준기(60)는 평행광선을 형성시키기 위한 광학장치이다.
예를 들어, 시준기(60)에는 연속레이저기(30)와 연결되어 방출되는 레이저를 안내하는 광섬유 케이블(61) 및 광섬유 케이블(61)과 연결되어 레이저빔을 방출하는 방사판(62)이 구비된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치(1)에는 시준기(60)에서 방출되는 레이저빔의 진행방향을 조절하는 각도조절기(70)가 더 구비된다.
각도조절기(70)에는 한 쌍의 갈바노 거울(71,72)이 장착되며, 각각의 갈바노 거울(71,72)은 컨트롤러(50)의 제어로 각도가 변경되어 레이저빔의 진행방향을 조절한다.
예를 들어, 어느 하나의 갈바노 거울(71)은 입사된 레이저빔을 y축으로 반사하고, 다른 하나의 갈바노 거울(72)은 어느 하나의 갈바노 거울(71)에서 반사된 레이저빔을 x축으로 반사한다.
따라서, 한 쌍의 갈바노 거울(71,72)을 통과한 레이저빔은 갈바노 거울(71,72) 각각의 각도가 변화됨에 따라 진행방향이 변경된다. 이때, 갈바노 거울(71)의 각도를 변경하는 기술은 일반적이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
함수생성기(10)로부터 변조된 전압신호는 레이저 다이오드 드라이버(20)를 거쳐 전류로 변환되어 연속레이저기(30)를 구동하는 데에 사용된다.
그리고, 연속레이저기(30)에서 방출된 레이저는 각도조절기(70)에 설치된 시준기(60)를 통해 레이저빔을 생성한다.
이러한 레이저의 직진성 및 응집성으로 인해 구조물(100)의 원거리에서 에너지의 소실 없이 열에너지 가진이 가능하다.
각도조절기(70)는 랩뷰(LabVIEW) 프로그램 기반의 컨트롤러(50)를 통해 한 쌍의 갈바노 거울(71,72)에 대한 회전각이 제어됨으로써 시준기(60)로부터 방출된 레이저빔의 진행방향이 조절된다.
방출된 레이저빔은 구조물(100) 표면이나 구조물(100) 내부 열에너지의 흐름을 발생시켜 온도 변화를 야기하고, 이에 따라 발생하는 적외선 신호를 열화상 카메라(40)가 계측하여 컨트롤러(50)에 전달한다.
한편, 도 2는 위상 잠금 열화상 기법 개념도를 나타내는 그림으로, 연속레이저기(30)로 대상 구조물(100)을 가진하고 열화상 카메라(40)로 대상 영역의 온도변화를 기록하여 최종적인 손상정보를 얻기까지의 흐름을 보여준다.
즉, 열화상 카메라(40)를 통해 얻어진 대상 영역 내의 모든 가상점(Pixels)의 온도정보는 '위상 잠금 이미지 처리 과정'을 통해 각 가상점에서의 위상값(Phase value)으로 변환된다.
이렇게 얻어진 위상값은 각각의 가상점의 손상 포함 유무에 따라 그 크기에 차이를 보이므로, 이미지처리 과정 이후 최종적으로 얻어진 '위상 이미지(Phase Image)'에서 손상 정보를 얻을 수 있다.
다시 말해서, 도 2에서 왼쪽 상단과 오른쪽 상단의 그림들은 각각 손상이 없는 점과 손상이 있는 점에서의 '레이저 가진', '표면 온도의 변화', '열화상 카메라(40)를 활용한 온도 정보 취득'의 과정을 보여준다.
이때, 사인파 형태의 그래프는 시간에 따른 실제 구조물(100) 표면에서의 연속적인 온도변화를 타나내고, 아래의 주황색 선은 열화상 카메라(40)가 그 온도 정보를 기록하는 주기를 보여주는 그림이다.
컨트롤러(50)는 실험의 조건 및 상황에 따라 가장 최적화된 촬영 주기(Frame rate)에 따른 불연속적인 온도 정보를 기록 및 저장한다.
앞의 과정에서 얻은 대상 영역 내의 가상점에서 얻어진 온도정보는 이미지 처리 과정을 통해 특정 위상값으로 변환된다. 이 때, 앞서 언급하였듯이, 손상이 존재하는 점에서의 위상값과 손상이 존재하는 않는 점에서의 위상값은 그 크기에 차이를 보인다.
즉, 도 2의 하단의 그림에서 검은 점은 손상이 있는 점, 하얀 점은 손상이 없는 점을 나타내어, 최종적으로 얻어진 위상 이미지(Processed Phase Image)에서 구조물의 손상 정보(손상 위치, 크기 등)를 알아낼 수 있다.
도 2를 통해 알 수 있듯이, 본 발명은 구조물의 표면 크랙 손상과 내부 손상을 동시에 감지할 수 있는 장점이 있다.
반면, 기존의 '할로겐 위상 잠금 열화상 기법'은 내부의 손상을 감지할 수 있었지만, 취득된 이미지의 해상도에 한계가 있었고, 표면 손상의 파악이 어렵고 근거리 진단으로 제한되었다.
그리고, 레이저를 활용한 '레이저-스팟 열화상 기법'은 레이저를 활용하여 원거리 진단이 가능하고, 표면 손상을 감지할 수 있지만, 내부 손상 감지에 그 한계가 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치(1)는 고출력 연속레이저기와 위상 잠금 열화상 기법을 통합하여 원거리 손상 진단과 구조물(100) 표면 손상 및 내부 손상 이미지 취득이 가능한 ‘레이저 위상 잠금 열화상 시스템’을 제시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치(1)는 이전에 계측된 구조물(100) 진단 정보와의 직접적인 비교 없이 현재의 손상 정보를 파악할 수 있는 무기저 손상 진단 기법을 구현한다. 이는 환경 요인으로부터의 영향을 최소화시켜 신속하고 신뢰도 높은 손상정보를 제공한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치(1)는 함수생성기(10)를 통해 주파수 변조된 고출력 연속 레이저가 시준기(60)와 연결되어 열원으로 사용됨으로써, 원거리 손상 진단뿐만 아니라 주변 환경으로부터 발생하는 노이즈를 배제한 고해상도의 손상 정보를 제공한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치(1)는 컨트롤러(50)가 함수생성기(10), 열화상 카메라(40) 및 각도조절기(70)를 서로 제어하고 동기화함으로써, 구조물(100)의 원하는 영역에 레이저를 조사하거나 스캔할 수 있고, 그에 따른 온도변화를 열화상 카메라(40)로 계측하여 육안으로 판단이 곤란한 구조물(100)의 손상 정보를 취득한다.
이때, 자동화된 각도조절기(70)에 의해 철도차량과 같은 대형 구조물(100)의 손상을 효과적으로 감지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 함수생성기 20 : 레이저 다이오드 드라이버
30 : 연속레이저기 40 : 열화상 카메라
50 : 컨트롤러 60 : 시준기
61 : 광섬유 케이블 62 : 방사판
70 : 각도조절기 71,72 : 갈바노 거울

Claims (4)

  1. 전압신호를 생성하는 함수생성기;
    상기 함수생성기에서 공급되는 전압신호를 전류로 변환하는 레이저 다이오드 드라이버;
    상기 레이저 다이오드 드라이버에서 공급되는 전류에 의해 레이저를 연속적으로 생성하여 구조물에 조사하는 연속레이저기;
    상기 연속레이저기에서 조사되는 레이저에 의해 가열된 상기 구조물을 계측하는 열화상 카메라; 및
    상기 함수생성기를 제어하고, 상기 열화상 카메라의 화상정보를 수신하여 상기 구조물의 손상 여부를 판별하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연속레이저기에 연결되고, 상기 연속레이저기에서 조사되는 레이저를 레이저빔으로 변환하는 시준기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 시준기와 상기 구조물 사이에 배치되고, 상기 레이저빔의 진행방향을 조절하는 각도조절기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 각도조절기는 상기 레이저빔을 반사하는 한 쌍의 갈바노 거울이 구비되고,
    상기 갈바노 거울은 상기 컨트롤러의 제어로 각도가 조절되는 것을 특징으로 하는 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치.
KR1020120062857A 2012-06-12 2012-06-12 비파괴 검사를 위한 레이저 위상 잠금 열화상 장치 KR101320358B1 (ko)

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