KR20040094311A - 광대역 음향을 통한 적외선 결함 검출 - Google Patents

광대역 음향을 통한 적외선 결함 검출 Download PDF

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유나이티드 테크놀로지스 코포레이션
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Abstract

구조물의 결함을 검출하기 위한 방법이며, 광대역 음향 신호의 방출을 통해 구조물에 기계적 에너지를 발생시키는 단계와, 구조물의 일부에 의해 방출된 적외선 에너지의 강도를 각각 표시하고, 복수개의 열과 행으로 배열된 복수개의 화소로 구성된, 복수개의 이미지를 일정 시간 간격 동안 각각 포착하는 단계를 포함하는 방법.

Description

광대역 음향을 통한 적외선 결함 검출{INFRARED DEFECT DETECTION VIA BROAD-BAND ACOUSTICS}
본 발명은 광대역 음향 여기를 통해 구조물의 결함을 검출하기 위한 방법 및 이러한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 더 자세하게는 본 발명은 광대역 음향 에너지 방출을 통해 구조물에 기계적 에너지를 부과하고, 이러한 여기로부터 발생된 구조물의 적외선 에너지가 후속 방출되는 것을 광학적으로 기록하는 방법에 관한 것이다.
단일 주파수 음향 신호의 방출을 통해 구조물에 기계적인 성질을 발생시키는결함 검출은 공지되어 있다. 이러한 여기의 결과로써 구조물에서 발생되는 적외선 방출을 검출하기 위해 구조물을 이미지화 하거나 또는 연구하는 것이 가능하다. 유감스럽게도, 단일 주파수의 사용은 전체 구조물을 검사하는 능력을 대체로 제한한다.
따라서, 관련 분야의 단점을 극복하는 단일 주파수 음향 에너지 방출을 통해 결함 검출을 개선하는 장치 및 장치를 채용하는 방법이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 광대역 음향 신호의 방출을 통해 구조물에 기계적 에너지를 발생시키는 단계와, 구조물의 일부에 의해 방출된 적외선 에너지 강도를 각각 표시하고, 복수개의 열과 행으로 배열된 복수개의 화소로 구성된, 구조물의 복수개의 이미지를 일정 시간 간격 동안 각각 포착되는 단계를 포함하는 구조물의 결함을 검출하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 구조물의 결함을 검출하기 위한 장치는 광대역 음향 에너지 신호를 발생시키도록 구성된 음향 주파수 발생기와, 광대역 음향 에너지 신호를 상기 구조물에 전송하도록 구성된 음향 에너지 소스와, 복수개의 위치에서 상기 구조물에 의해 방출된 상당량의 적외선 에너지를 복수개의 이미지로써 검출 및 기록하기 위한 광학 장치와, 이미지를 처리하기 위한 이미지 처리 장치를 포함한다.
도1은 본 발명의 결함 검출 시스템의 도면.
도2는 본 발명의 결함 검출 시스템에 의해 기록된 구조물의 배경 이미지의 도면.
도3은 본 발명의 결함 검출 시스템에 의해 기록된 예시 화소의 기록된 화소값의 그래프.
도4는 본 발명의 결함 검출 시스템에 의해 실시간으로 연산된 예시 구조물의 미분 이미지의 도면.
도5는 본 발명의 결함 검출 시스템에 의해 실시간으로 연산된 예시 구조물의 미분 이미지의 도면.
도6a는 본 발명의 음향 소스의 바람직한 실시예의 도면.
도6b는 본 발명의 음향 소스의 다른 실시예의 도면.
도7a는 본 발명의 바람직한 음향 신호의 주파수 영역에서의 그래프.
도7b는 본 발명의 바람직한 음향 신호의 시간 영역에서의 그래프.
도8a는 본 발명의 바람직한 음향 소스의 두 개의 주파수 구성 요소의 주파수 영역에서의 그래프.
도8b는 본 발명의 바람직한 음향 소스의 두 개의 주파수 구성 요소의 시간 영역에서의 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
3 : 이미지 처리 장치
10 : 결함 검출 시스템
11 : 구조물
13 : 음향 에너지 소스
15 : 음향 주파수 발생기
17 : 광학 장치
61 : 신호 캐리어
63 : 팁
본 발명의 중심 목적은, 광대역 음향 여기를 통해 발생된 기계적 에너지의 적외선 검출을 사용하여 부품, 특히 기계 부품에서 결함을 검출하기 위한 장치 및장치를 사용하는 수단을 제공하는 것이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명의 방법은 특히, 니켈 티타늄, 철 및 티타늄 합금으로 제조된 블레이드 팬, 압축기 블레이드 및 가스 터빈에서 결함을 검출하는데 적용된다. 적외선 검출은 부품에 광대역 음향 에너지를 도입함으로써 용이해진다. 도입된 에너지는 적외선 이미지 장치를 사용하여 시각적으로 검출될 수 있는 구조적 결함 소스의 내부 및 주위의 온도를 상승시킨다. 후속 이미지는 출력 이미지를 표시하기 위해 실시간으로 이미지 처리될 수 있다. 이를 검출하는 방법 수행의 특성은 이하에 상세히 설명된다.
도1을 참조하여, 본 발명의 결함 검출 시스템(10)이 도시된다. 광대역 기계식 에너지는 구조물(11, 복합체, 금속 등)에서 단시간에, 바람직하게는 1초 내지 2초 사이에, 가장 바람직하게는 약 1.5초에 광대역 음향 에너지 소스(13)에 의해 발생된다.
바람직한 실시예에서 음향 에너지는 음향 에너지 신호의 형태로 음향 주파수 발생기(15)에 의해 발생되고, 소스(13)로부터 1KHz 내지 1MHz 사이의 광역 스펙트럼에 걸쳐 방사된다. 본원에 사용된 바와 같이, "광대역"은 스펙트럼에 걸쳐 발산된 복수개의 주파수로 구성된 신호를 의미한다. 바람직하게는 이러한 스펙트럼은 약 1KHz 내지 1MHz 사이의 거리에 걸친다.
도7a 및 도7b를 참조하여, 바람직한 입력 음향 에너지 프로파일의 시간 및 주파수 도면이 도시된다. 도7a에 도시된 바와 같이, 입력 신호는 주파수 영역 내에서 10KHz 내지 50KHz 사이의 비교적 균일한 분포의 주파수로 구성된다. 대체 음향 에너지 발생기는 임펄스 유형 트리거 소스에 의한 자극을 통해 대략 지속적인스펙트럼 에너지를 제공할 수 있다. 상기 소스의 증가된 대역폭은 가스 터빈 블레이드 및 디스크와 같은 복합 기하학적인 구성 요소 구조물을 고려하여 더 큰 결함 검출 능력을 제공할 수 있다.
음향 에너지는 균열 및 박리와 같은 구조물(11)의 결함 특징을 여기시키는 기계적 진동을 발생시킨다. 결함 특징의 상대적 운동은 적외선 에너지를 방출시키는 열을 발생시키고, 상기 적외선 에너지는 광학 장치(17)에 의해 검출되고, 이미지 처리 장치(3)에 의해 저장 및 처리될 수 있는 일련의 이미지로써 저장된다. 바람직한 실시예에서, 광학 장치(17)는 적외선 카메라 및/또는 광섬유 카메라이다. 바람직하게는, 광학 장치는 CCD(capacitive-coupled discharge, 용량 결합 방전)를 이용한다. 이러한 장치는 특히 적외선 범위에서 민감하다. 결함 특징의 여기는 결함 위치, 구조물 형상, 음향 에너지 및 강도의 스펙트럼에 의존한다. 구조물을 통한 기계적 에너지의 전달은 주파수 의존성을 가진다. 결함의 철저한 평가를 보장하기 위해, 광대역 에너지 소스가 요구된다. 단일 주파수 에너지 소스의 사용은 전체 구조물의 검사 능력을 제한할 것이다. 광대역 음향 에너지의 사용 외에, 비조화적으로 관련된 적어도 두 개의 주파수를 방사하는 소스(13)가 사용되는 것도 가능하다. 본원에 사용된 바와 같이 "비조화적으로 관련된" 것은 다른 것에 대해 정수 배수가 아닌 적어도 두 개의 주파수를 의미한다.
도8a 및 8b를 참조하여, 바람직하게는 비조화적으로 관련된 주파수 입력 음향 에너지 프로파일의 주파수 및 시간 도면이 도시된다. 도8b에 도시된 바와 같이, 입력 신호는 주파수 영역 내에서 하나는 20KHz의 중심에 위치하고, 다른 하나는 30KHz의 중심에 위치하는 두 개의 주파수 스파이크로 구성된다. 또한, 비조화적으로 관련된 다수의 주파수도 사용될 수 있다.
음향 에너지를 도입한 후, 이미지 처리 장치(3)를 통한 실시간 이미지 처리는 광학 장치(17)에 의해 수집된 적외선 이미지 데이터에 적용된다. 우선, 구조물(11)의 배경 이미지(20)는 도2에 도시된 바와 같이 기계적 에너지가 도입되기 이전에 획득된다. 바람직한 실시예에서, 이미지(20)는 열과 행으로 배열된 복수개의 화소로 구성된다. 배경 이미지(20)는 이하에서 더 상세하게 설명될 후속 이미지의 표면 상태의 변동을 제거하는데 사용된다. 후속 이미지는 서로 일치하고, 관련되고 그리고 배경 이미지와 관련되어 광학 장치(17)에 의해 포착된다. 바람직한 실시예에서, 복수개의 이미지는 보고된 시간 간격으로 포착된다. 상기 이미지화 방법의 결과로써, 각 기록된 일련의 이미지 내의 상응하는 각 화소값은 시간에 걸쳐 포착된 구조물(11)의 일부 표면으로부터 방사된 적외선의 강도를 나타낸다.
도3을 참조하여, 단일 예시 화소의 기록된 값의 그래프(30)가 도시된다. 본 예시에서, y축의 화소 강도값은 온도 표시 도수로 전환되었다. 바람직한 실시예에서, 부드러운 곡선(31)은 화소 데이터에 일치된다. 이러한 곡선(31)을 검사함으로써, 이미지 내의 각 화소에 대한 최대 열 속도 변경을 연산하는 것이 가능해진다. 상기 처리는 입력 에너지를 감소시키고, 신호 대 잡음비가 개선되는 것을 허용한다. 바람직한 실시예에서, 배경 이미지(20)로부터 얻어진 화소값에서 각 후속 값이 감산되기 때문에, 사전에 방출된 구조물(11) 상태로부터의 변경만이 기록된다.곡선(31)이 각 화소에 대해 연산되면, 후속 이미지는 각 화소 곡선(31)으로부터 연산될 수 있다. 예를 들어, 도4를 참조하면, 여기 중 적절한 시간에 선택된 온도 변화의 미분값이 각 화소에 할당되는, 이미지(40)가 도시된다. 마찬가지로, 도5를 참조하면, 여기가 중단된 이후의 적절한 시간에 선택된 온도 변화의 미분값이 각 화소에 할당되는 이미지(50)가 도시된다. 시간에 걸쳐 각 화소에 대한 곡선(31)이 연산되면, 다수의 이미지는 이미지 처리 장치(3)를 통해 발생되고, 표시되거나 또는 질문된다. 화소 데이터의 가장 간단한 표시는 각 화소에서 선택된 모든 시간에서의 적외선 방출의 등급을 보여주기 위해 발생된 이미지이다. 이와 같은 이미지를 연산 및 관찰함으로써, 표면 밑에 결함이 존재하는 깊이를 측정하는 것이 가능하다. 표면 밑에 결함이 더 많이 존재할수록, 결함의 음향 여기를 발생시키는 기계적 에너지가 적외선 방출로 나타나는데 더 긴 시간이 걸린다.
입력 에너지 요구를 감소시키기 위한 또 다른 수단은 더 개선된 결합 방식이 제공되는 것이다. 특히, 소스(13)가 구조물(11)과 접촉하는 물리적 방식은, 음향 에너지가 소스(13)로부터 구조물(11)로 전송되는 효율에 영향을 미친다. 구조물로의 기계적 에너지의 전달은 결합 상태에 상당히 의존적이다. 따라서, 평탄면 이외의 다른 구조물에 있어서, 결합 방식의 설계가 중요하다. 바람직한 실시예에서, 통상의 강성(즉, 합성물, 금속) 커플러는 구조물 형상을 입력 소스에 맞춘다. 또한, 에너지 전달은 소스(13)에 구조물(11)과 같거나 또는 유사한 재료가 사용되는 경우 더 최적화된다. 이와 같은 경우, 소스(13)와 구조물(11)의 음향 임피던스는 거의 동일하다.
에너지를 구조물에 도입하기 위한 또 다른 실행은, 유동 팁을 통한 결합 방식이다. 이는 음향 소스의 오프-노말(off-normal) 위치를 허용한다. 이와 같은 경우 결합이 추가로 요구되지 않을 것이다. 도6a를 참조하여, 소스(13)의 실시예가 도시된다. 신호 캐리어(61)는 음향 주파수 발생기(15)로부터 음향 신호를 수신하고, 이를 신호 캐리어(61)와의 물리적 접촉으로 팁(63)에 전송한다. 팁(63)이 구조물(11)과 접촉 위치함에 따라, 음향 신호는 구조물(11)에 전송된다. 팁(63)은 본 실시예에서 견고하게 부착되기 때문에, 팁(63)과 구조물(11) 사이의 표면 접촉 영역을 최대화하는 오직 하나의 위치만이 존재한다. 바람직한 실시예에서, 소스(13)는 도6b에 도시된 바와 같이, 유동 팁 구성을 포함한다. 유동 팁 구성에서, 팁(63)은 신호 캐리어(61)와 물리적으로 접촉하지 않는다. 그 결과, 팁(63)은 신호 캐리어(61) 주위를 자유롭게 선회 또는 회전한다. 이와 같은 구성은, 팁(63)이 팁(63)과 구조물(11) 사이의 최대 접촉 영역을 제공하도록 선회될 수 있기 때문에, 소스(13)와 구조물(11)의 접촉 위치에 큰 가요성을 허용한다.
또한, 소스(13)와 구조물(11) 사이의 물리적 접촉이 형성되는 필요성이 제거되므로, 공기 결합 초음파 장치 또는 유도식 결합 장치와 같은 대체 음향 발생기가 소스(13)로써 채용될 수 있다.
본 발명과 관련하여 상술된 목적, 수단 및 장점을 충분히 만족시키는, 광대역 음향 여기를 통해 구조물의 결함 검출을 위한 방법을 수행하기 위한 장치 및 방법이 제공된 것은 명백하다. 특히, 본 발명의 목적을 더 만족시키는 평행 빔 수신기와 같은, 여기에 개시된 다수의 기술과 결합할 수 있는 것이 고려되었다. 본 발명에 특수한 실시예의 범주에서 설명된 반면에, 다른 대체, 개조 및 변형은 상술된 상세한 설명을 읽음으로써 당업자에게 명백해 질 것이다. 따라서, 그 대체, 개조 및 변형은 첨부된 청구항의 넓은 범주 내에 포함되도록 채택되었다.
본 발명에 따르면 구조물에 기계적 에너지를 발생시킴으로써, 광대역 음향 여기를 통해 구조물 전체의 결함을 검출할 수 있다.

Claims (28)

  1. 구조물의 결함을 검출하기 위한 방법이며,
    광대역 음향 신호의 방출을 통해 구조물에 기계적 에너지를 발생시키는 단계와,
    구조물의 일부에 의해 방출된 적외선 에너지의 강도를 각각 표시하고, 복수개의 열과 행으로 배열된 복수개의 화소로 구성된, 복수개의 이미지를 일정 시간 간격 동안 각각 포착하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기계적 에너지 발생은 상기 광대역 음향 신호를 발생시키는 단계와, 상기 발생된 음향 신호를 음향 소스를 통해 상기 구조물에 도입하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 음향 신호의 도입은 상기 구조물과 물리적으로 접촉된 상기 음향 신호를 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 광대역 음향 신호의 발생은 1KHz 내지 1MHz 사이의 스펙트럼에서 주파수를 가지는 음향 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 광대역 음향 신호의 발생은 10KHz 내지 50KHz 사이의주파수 스펙트럼을 포함하는 음향 신호를 발생시키는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 광대역 음향 신호의 상기 발생은 비조화적으로 관련된 적어도 두 개의 주파수를 포함하는 음향 신호를 발생시키는 것을 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 발생 단계는 20KHz에서 중심에 위치하는 제1 주파수 및 30KHz에서 중심에 위치하는 제2 주파수에서 신호를 발생시키는 것을 포함하는 방법.
  8. 제2항에 있어서, 상기 광대역 음향 신호의 발생은 일정 시간 주기 동안 상기 음향 신호를 발생시키는 것을 포함하는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 시간 주기는 1초 내지 2초 사이인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 시간 주기는 대략 1.5초인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 이미지의 포착은
    상기 기계적 에너지의 발생 이전에 상기 구조물의 배경 이미지를 포착하는 단계와,
    상기 배경 이미지에서의 상응하는 화소 및 적어도 하나의 상기 추가 이미지에서의 상응하는 화소가 상이한 시간에 상기 구조물의 일부에 의해 방사된 적외선의 상기 강도와 동일한 값을 포함하도록 상기 배경 이미지와 각각 일치하는 적어도 하나의 추가 이미지를 포착하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 복수개의 이미지를 형성하는 상기 복수개의 화소의 곡선을 연산하는 단계를 포함하고, 각 곡선은 상기 상이한 시간에 복수개의 이미지의 단일 화소 위치에서 기록되는 상기 강도로부터 각각 연산되는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 구조물은 팬 블레이드, 압축기 블레이드 및 가스 터빈 부품을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 방법.
  14. 구조물의 결함을 검출하기 위한 장치이며,
    광대역 음향 에너지 신호를 발생시키도록 구성된 음향 주파수 발생기와,
    광대역 음향 에너지 신호를 상기 구조물에 전송하도록 구성된 음향 에너지 소스와,
    복수개의 위치에서 상기 구조물에 의해 방출된 상당량의 적외선 에너지를 복수개의 이미지로써 검출 및 기록하기 위한 광학 장치와,
    상기 이미지를 처리하기 위한 이미지 처리 장치를 포함하는 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 음향 에너지 소스는 상기 광대역 음향 에너지 신호를전송하기 위한 신호 캐리어와, 전송된 광대역 음향 에너지 신호를 수신하고 광대역 음향 에너지 신호를 상기 구조물에 전송하기 위한 팁을 포함하는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 팁은 상기 신호 캐리어와 접촉되는 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 팁은 상기 신호 캐리어 주위를 선회하도록 구성된 장치.
  18. 제15항에 있어서, 상기 팁은 상기 구조물을 형성하는 제2 재료와 대체로 유사한 제1 재료로 구성되는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제1 재료 및 제2 재료는 니켈, 니켈 합금, 티타늄, 강 및 티타늄 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  20. 제14항에 있어서, 상기 광대역 음향 에너지 소스는 비접촉되고 제한된 접촉 소스를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  21. 제20항에 있어서, 상기 광대역 음향 에너지 소스는 공기 결합된 초음파 장치 및 유도식 결합 장치를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  22. 제14항에 있어서, 상기 광학 장치는 CCD 장치 및 광섬유 장치를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  23. 제14항에 있어서, 상기 광대역 음향 에너지 신호는 1KHz 내지 1MHz 사이의 스펙트럼에 걸쳐 있는 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 광대역 음향 에너지 신호는 10KHz 내지 50KHz 사이의 스펙트럼에 걸쳐 있는 장치.
  25. 제14항에 있어서, 상기 광대역 음향 에너지 신호는 비조화식으로 관련된 적어도 하나의 주파수를 포함하는 장치.
  26. 제25항에 있어서, 상기 광대역 음향 에너지 신호는 20KHz의 중심에 위치하는 제1 주파수 및 30KHz의 중심에 위치하는 제2 주파수를 포함하는 장치.
  27. 제14항에 있어서, 상기 광대역 음향 신호는 약 1.5초의 지속 시간을 갖는 장치.
  28. 제14항에 있어서, 상기 구조물은 팬 블레이드, 압축기 블레이드, 가스 터빈을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 장치.
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