KR101595707B1 - 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법 - Google Patents

펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법에 관한 것으로서, 특히 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법은 뒷면에 결함이 있는 박판시편의 전면을 제논램프로 가열하는 단계와; 상기 제논램프로 가열되는 박판시편의 전면을 적외선 카메라로 촬영하는 단계와; 제어부가 상기 적외선 카메라에서 촬영한 영상을 전송받아 상기 박판시편 표면에 대한 콘트라스트(Contrast, 명암도) 값을 구한 후, 이 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산하는 단계;를 포함하여 구성되어, 3mm 이하의 박판시편에 형성된 결함의 깊이를 측정할 수 있는 효과가 있다.

Description

펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법{Defect Depth Measuring Method of Metallic sheet using Pulse Thermography}
본 발명은 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법에 관한 것으로서, 특히 두께가 얇은 박판에 형성된 결함의 깊이를 측정할 수 있는 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법에 관한 것이다.
피검체로부터 일정거리 떨어진 위치에 가열 열원인 가열용 램프 및 적외선 카메라가 배치된 상태에서 가열 열원으로 피검체를 가열하면, 상기 피검체의 내부에 존재하는 결함 부분에서의 온도분포 변화가 발생하게 되며, 이때의 온도분포 변화를 적외선 카메라로 측정하여 피검체의 결함을 탐지하는 적외선 열화상 비파괴 검사기술이 개발되어 산업의 각 분야에 활용되고 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 램프와 같은 가열 열원으로 피검체를 가열하면 피검체의 결함 부분과 비결함 부분(즉 건전 부분)의 열용량 차이로 인하여 결함 부분에서 온도차가 나타나게 되고, 이 온도차를 적외선 카메라의 열화상으로 표현함으로써 결함 유무를 시각적으로 판단하게 된다.
이렇게 결함 유무를 시각적으로 확인하는 것만으로는 충분치 않기 때문에 결함의 깊이를 측정하기 위하여 여러 가지 방법이나 공식들이 제안되었고, 근래에 가장 많이 쓰이는 공식은 다음과 같다.
[식]
Figure 112015097120054-pat00001
Figure 112015097120054-pat00002
: 결합깊이,
Figure 112015097120054-pat00003
: 열확산율
Figure 112015097120054-pat00004
: 콘트라스트(Contrast, 명암도) 최댓값이 나타나는데 걸리는 시간
위와 같은 종래의 결함 깊이 구하는 공식은 하기의 식을 통하여 열화상으로부터 구할 수 있는 콘트라스트(Contrast, 명암도) 최댓값이 나타나는데 걸리는 시간을 이용하는데, 이 시간(
Figure 112015097120054-pat00005
)이 워낙 짧은 시간이다보니 측정하는 것이 상당히 어려운 문제점이 있다.
[식]
Figure 112015097120054-pat00006
C : 콘트라스트 값
Tdef(t) : 가열 이후의 결함 부분 표면온도
Tdef(t0) : 가열 이전의 결함 부분 표면온도
Ts(t) : 가열 이후의 비결함 부분 표면온도
Ts(t0) : 가열 이후의 비결함 부분 표면온도
더불어 이
Figure 112015097120054-pat00007
값은 피검체의 두께가 얇은 경우, 즉 박판인 경우에는 그 값의 차이가 거의 없어서 박판의 결함 깊이를 측정하는데는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
출원번호:10-2009-0009465 (등록번호:10-1077043, 발명명칭:광-적외선 열화상 비파괴 검사용 참조물질 및 이를 이용한 비파괴검사 방법)
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 두께가 얇은 박판에 형성된 결함의 깊이를 측정함으로써 품질관리를 용이하게 하고 제품 검사에 대한 신뢰성을 향상시킬 수 있는 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법은 뒷면에 결함이 있는 박판시편의 전면을 제논램프로 가열하는 단계와; 상기 제논램프로 가열되는 박판시편의 전면을 적외선 카메라로 촬영하는 단계와; 제어부가 상기 적외선 카메라에서 촬영한 영상을 전송받아 상기 박판시편 표면에 대한 콘트라스트(Contrast, 명암도) 값을 구한 후, 이 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산하는 단계;를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 제어부는 상기 적외선 카메라에서 촬영한 영상을 전송받아 적외선 열화상(Thermal Image)으로 변환하고, 상기 적외선 열화상에서 각각 측정된 결함 부분과 비결함 부분의 가열 전후 박판시편의 표면온도를 통해 콘트라스트 값을 구한 후, 상기 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산한다.
또한, 상기 제논램프로 박판시편을 가열하는 것과 상기 적외선 카메라로 박판시편의 전면을 촬영하는 것은 암실 내에서 이루어진다.
여기서, 결함의 깊이는 하기의 [식]을 통하여 구한다.
[식]
Figure 112015097120054-pat00008
d: 결함의 깊이
k : 박판의 두께에 따라 변하는 상수
(박판의 두께가 1mm일 때 0.1, 2mm일 때 0.2, 3mm일 때 0.28)
D : 결함의 직경, C : 콘트라스트 값, α : 박판의 열전도도
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상기와 같이 구성되는 본 발명의 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법은 콘트라스트 값을 사용하여 3mm 이하의 박판시편에 형성된 결함의 깊이를 측정할 수 있기 때문에 전기 자동차용 전극 터미널 등과 같은 박판의 품질관리를 용이하게 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함길이 측정장치를 간단히 보인 도.
도 2는 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함길이 측정장치를 블록으로 보인 도.
도 3은 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함길이 측정방법에 사용되는 박판시편의 일예를 보인 도.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함길이 측정방법으로 측정한 결함의 깊이를 보인 그래프와 표.
이하, 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법 및 장치의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함길이 측정장치를 간단히 보인 도이고, 도 2는 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함길이 측정장치를 블록으로 보인 도이며, 도 3은 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함길이 측정방법에 사용되는 박판시편의 일예를 보인 도이다.
본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법은 3mm 이하의 박판에 형성된 결함 깊이를 측정하기 위한 것으로서, 몇 가지 단계를 거쳐 완성된다.
먼저, 제논램프(10)로 박판시편(S)을 가열하는 과정부터 시작된다. 재질이 스테인레스 스틸(STS)이나 알루미늄(Al)으로 이루어진 박판시편(S)의 뒷면에 다양한 직경과 깊이를 갖는 결함을 형성시킨다. 이렇게 뒷면에 결함을 갖는 박판시편(S)의 전면을 제논램프(10)로 가열한다.
좀 더 부연하면, 빛이 투과되지 않는 암실을 제작한 후 뒷면에 결함을 갖는 박판시편(S)을 암실 내부에 설치한다. 암실은 외부 환경에 따른 적외선 측정값의 오차를 줄여 최적의 실험 상태를 유지하기 위하여 제작한다. 이렇게 암실 내부에 설치된 박판시편(S)의 전면으로부터 20cm 떨어진 곳에 제논램프(10)를 설치하여 이 제논램프(10)가 박판시편(S)의 전면을 1/400 ms의 시간동안 가열하도록 한다. 그리고, 박판시편(S)은 두께 1mm ~ 3mm의 얇은 박판을 의미하고, 전면 전체는 흑체복사를 위하여 검은색으로 도색되어 있다.
상기와 같이 제논램프(10)에 의해 가열되는 박판시편(S)의 전면을 적외선 카메라(20)로 촬영하는 단계가 진행된다. 제논램프(10)와 마찬가지로 적외선 카메라(20) 역시 암실 내부에 설치하여 촬영하는데, 적외선 카메라(20)의 초점거리는 박판시편(S)의 정보를 모두 반영할 수 있는 최적의 거리를 선정하여, 본 발명에서는 박판시편(S)과 적외선 카메라(20)의 거리를 25cm로 설정하였다.
적외선 카메라(20)가 박판시편(S)의 전면을 촬영하고 나면 상기 적외선 카메라(20)에서 촬영한 영상을 제어부(50)가 전송받아 결함의 깊이를 연산하는 단계가 이어진다.
즉, 제어부(50)는 적외선 카메라(20)와 전기적으로 연결되어 적외선 카메라(20)가 촬영한 영상을 전송받아 박판시편(S) 표면에 대한 콘트라스트(Contrast, 명암도) 값을 구한 후, 이 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산한다.
좀 더 자세히 설명하면, 상기 제어부(50)는 상기 적외선 카메라(20)에서 촬영한 영상을 전송받아 적외선 열화상(Thermal Image)으로 변환하고, 상기 적외선 열화상에서 각각 측정된 결함 부분과 비결함 부분의 가열 전후 박판시편(S)의 표면온도를 통해 콘트라스트 값을 구하며, 상기 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산한다.
콘트라스트 값은 결함의 크기를 결정하기 위한 정량적 분석방법으로서 흔히 사용되는데, 본 발명에서는 콘트라스트 값을 얻기 위하여 다음과 같은 주지의 식을 사용한다.
Figure 112015097120054-pat00009
C : 콘트라스트 값
Tdef(t) : 가열 이후의 결함 부분 표면온도
Tdef(t0) : 가열 이전의 결함 부분 표면온도
Ts(t) : 가열 이후의 비결함 부분 표면온도
Ts(t0) : 가열 이후의 비결함 부분 표면온도
그리고, 상기와 같은 주지의 식을 통해서 콘트라스트 값을 획득하면, 이 콘트라스트 값을 하기의 식에 대입하여 결함 깊이를 구한다.
Figure 112015097120054-pat00010
d: 결함의 깊이
k : 박판의 두께에 따라 변하는 상수
(박판의 두께가 1mm일 때 0.1, 2mm일 때 0.2, 3mm일 때 0.28)
D : 결함의 직경, C : 콘트라스트 값, α : 박판의 열전도도
콘트라스트 값은 앞선 식을 통하여 구할 수 있고, 박판시편(S)의 열전도도(α)는 박판시편이 어떤 재질로 이루어졌는지를 알면 알 수 있는 값이며, 결함의 직경은 열화상을 통하여 제어부(50)가 그 값을 측정한다. 이렇게 결함의 깊이(d)만 모르는 값이고 나머지 값은 모두 알기 때문에 위 식을 통하여 결함의 깊이(d)를 알 수 있다.
이상에서는 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법에 대하여 설명하였고, 이하에서는 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정장치에 대하여 설명하도록 한다.
본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정장치는 암실 내부에 설치되는 제논램프(10)와, 상기 암실 내부에 설치되는 적외선 카메라(20)와, 파워 서플라이(30)와 트리거(Trigger,40) 및 제어부(50)를 포함하여 구성된다.
상기 제논램프(10)는 뒷면에 결함이 있는 박판시편(S)을 가열하는 것으로서, 최대 6KJ까지 출력 가능하며, 1/400 ms의 짧은 시간동안 조사하여 결함을 빨리 검출할 수 있다. 이러한 제논램프(10)는 박판시편(S)을 전면에서 조사하여 박판시편(S)을 가열한다. 앞서 기재한 것처럼 박판시편(S)은 전면이 검은색으로 도색되어 있기 때문에 신속하게 가열될 수 있다.
상기 적외선 카메라(20)는 상기 제논램프(10)에 의해 가열되는 박판시편(S)을 앞쪽에서 촬영한다.
상기 파워 서플라이(30)는 상기 제논램프(10)에 전기적으로 연결되어 제논램프(10)에 공급되는 전원을 제어한다.
상기 트리거(Trigger,40)는 상기 파워 서플라이(30)와 전기적으로 연결되어 파워 서플라이(30)를 원격으로 작동시킨다.
상기 제어부(50)는 상기 적외선 카메라(20)와 전기적으로 연결되어, 박판시편(S)으로부터 방사되는 적외선을 열화상(Thermal Image)으로 표시하고, 상기 열화상으로부터 박판시편(S)의 결함 부분과 비결함 부분의 가열 전후 표면온도를 측정하며, 측정된 표면온도를 통해 박판시편(S) 표면에 대한 콘트라스트(Contrast, 명암도) 값을 구한 후, 이 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산한다.
이러한 제어부(50)는 변환부(51)와, 표시부(52)와, 분석부(53) 및 연산부(54)로 구성된다.
상기 변환부(51)는 상기 박판시편(S)으로부터 방사되는 적외선을 집광하여 전기신호로 변환한 뒤 온도로 변환한다.
상기 표시부(52)는 상기 변환부(51)에서 변환된 온도를 색상 구분하여 열화상(Thermal Image)로 디스플레이한다.
상기 분석부(53)는 상기 열화상으로부터 박판시편(S)의 온도를 측정한다.
상기 연산부(54)는 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산한다. 앞서 기재한 것처럼 콘트라스트 값은 [식]
Figure 112015097120054-pat00011
을 통하여 획득되기 때문에 이러한 식이 이미 프로그래밍되어 상기 연산부(54)에 탑재되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 이용하여 박판의 결함깊이를 측정하는 실험에 대하여 간단히 설명하기로 한다.
알루미늄(Al)과 스테인레스 스틸(STS)로 각각 이루어지고, 좌우가 80mm이며 두께 1mm인 박판시편(S)을 준비한다.
이러한 박판시편(S)의 뒷면에 직경(D)이 2mm, 3mm, 4mm인 결함을 깊이 0.3mm, 0.4mm, 0.5mm로 형성시켰다. 이러한 결함이 형성된 박판시편(S)의 전면은 흑체복사를 위하여 검은색으로 도색되어 있다.
상기와 같은 박판시편(S)이 준비되면 빛이 차단되는 암실 내부에 지그를 이용하여 박판시편(S)을 설치한다.
박판시편(S)의 전면으로부터 20cm 떨어진 곳에 제논램프(10)를 설치함과 아울러 25cm 떨어진 곳에 적외선 카메라(20)를 설치한다.
설치된 후에 제논램프(10)로 박판시편(S)의 전면을 1/400 ms의 시간동안 가열하고, 적외선 카메라(20)로 3초 동안 촬영한다.
이렇게 적외선 카메라(20)로 촬영이 되면 제어부(50)로 전송되어 상기 제어부(50)에서 위에서 기재한 연산과정을 거쳐 콘트라스트 값을 구하고, 이후 이 콘트라스트 값을 통하여 결함의 깊이를 구한다.
상기와 같은 실험과정을 통하여 구한 결함의 깊이가 4a 내지 도 4b에 기재되어 있다.
알루미늄에 대한 결함깊이 측정값을 나타내는 도 4a를 보면 결함직경이 2mm이고 실제 결함깊이가 0.3mm일 때 [식]
Figure 112015097120054-pat00012
을 통하여 구한 결함깊이 측정값은 0.36mm임을 알 수 있고, 결함직경이 3mm이고 실제 결함깊이가 0.4mm일 때는 결함깊이 측정값이 0.39mm임을 알 수 있으며, 결함직경이 4mm이고 실제 결함깊이가 0.5mm일 때는 결함깊이 측정값은 0.46mm임을 알 수 있다.
스테인레스 스틸에 대한 결함깊이 측정값을 나타내는 도 4b를 보면 결함직경이 2mm이고 실제 결함깊이가 0.3mm일 때 [식]
Figure 112015097120054-pat00013
을 통하여 구한 결함깊이 측정값은 0.36mm임을 알 수 있고, 결함직경이 3mm이고 실제 결함깊이가 0.4mm일 때는 결함깊이 측정값이 0.40mm임을 알 수 있으며, 결함직경이 4mm이고 실제 결함깊이가 0.5mm일 때는 결함깊이 측정값이 0.50mm임을 알 수 있다.
도 4a 내지 도 4b의 결과값을 통하여 본 발명에 의한 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법에 의하여 측정된 결함깊이가 실제의 결함깊이와 거의 차이가 없거나 동일함을 확인할 수 있다.
10: 제논램프 20: 적외선 카메라
30: 파워 서플라이 40: 트리거
50: 제어부 51: 변환부
52: 표시부 53: 분석부
54: 연산부 S: 박판시편

Claims (5)

  1. 뒷면에 결함이 있는 박판시편(S)의 전면을 암실에서 제논램프(10)로 가열하는 단계와; 상기 제논램프(10)로 가열되는 박판시편(S)의 전면을 암실에서 적외선 카메라(20)로 촬영하는 단계와; 제어부(50)가 상기 적외선 카메라(20)에서 촬영한 영상을 전송받아 상기 박판시편(S) 표면에 대한 콘트라스트(Contrast, 명암도) 값을 구한 후, 이 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산하는 단계;를 포함하여 구성되되,
    상기 결함의 깊이는 하기의 [식]을 통해 구하는 것을 특징으로 하는 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법.
    [식]
    Figure 112015119960411-pat00020

    d: 결함의 깊이
    k : 박판의 두께에 따라 변하는 상수
    (박판의 두께가 1mm일 때 0.1, 2mm일 때 0.2, 3mm일 때 0.28)
    D : 결함의 직경
    C : 콘트라스트 값
    α : 박판의 열전도도
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부(50)는 상기 적외선 카메라(20)에서 촬영한 영상을 전송받아 적외선 열화상(Thermal Image)으로 변환하고, 상기 적외선 열화상에서 각각 측정된 결함 부분과 비결함 부분의 가열 전후 박판시편(S)의 표면온도를 통해 콘트라스트 값을 구한 후, 상기 콘트라스트 값을 이용하여 결함의 깊이를 연산하는 것을 특징으로 하는 펄스 적외선 열화상 기법을 이용한 박판의 결함깊이 측정방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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CN107976151A (zh) * 2017-12-27 2018-05-01 天津中净能源工程股份有限公司 一种地源热泵地理井实际埋深自动检测仪

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