KR20110019676A - 검사 신뢰성이 제고된 초음파 가진 열화상을 이용한 물체의 결함검출장치 및 결함검출방법 - Google Patents

검사 신뢰성이 제고된 초음파 가진 열화상을 이용한 물체의 결함검출장치 및 결함검출방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체에 초음파를 가진하고 그에 따른 반응으로서 물체의 표면에 발생되는 열에 의한 온도장을 열화상 카메라로 촬영하여 물체 내에 형성된 결함을 검출함에 있어서, 물체 내에 존재하는 결함을 검출하기에 충분한 진동이 물체에 고르게 가해졌는지를 점검한 상태에서 결함 검출 작업을 수행함으로써 물체의 결함 검출 결과의 신뢰도를 향상시킨 새로운 구성의 초음파 가진 열화상을 이용한 물체의 결함검출장치 및 결함검출방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 검사대상 물체(100)에 초음파 진동을 가하는 초음파 가진기(101)와, 열화상 카메라(102)와, 진동측정센서(103)와, 작동제어기(200)를 포함하는 초음파 열화상 검출장치를 이용하여 검사대상 물체(100)에 존재하는 결함을 비파괴 방식으로 검출하는 방법으로서, 보정시험용 시편에 대해 상기 초음파 열화상 검출장치를 이용하여 결함 검출이 가능한 임계 HI 지수 값을 구하는 보정시험 단계; 검사대상 물체(100)에 대해 초음파 열화상 검출장치를 이용하여 실제 HI 지수와 NI 지수를 구하고 검사대상 물체(100)의 표면 온도 분포를 촬영하는 검사대상 물체(100)에 실제 검출시험 단계; 실제 검출 시험단계에서 구해진 HI 지수의 최대 값이 임계 HI 지수의 값 이상이 되었다고 판정될 때까지 대한 실제 검출시험 단계를 반복하는 HI 지수 비교 단계; 검사대상 물체의 NI 지수가 설정된 값 이상이 되었다고 판정될 때까지 실제 검출시험 단계를 반복하는 NI 지수 판단 단계; 및 NI 지수가 설정된 값 이상인 경우, 열화상 카메라(102)를 이용하여 표면 온도 분포로 부터 결함의 존재 여부를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출방법이 제공된다.

Description

검사 신뢰성이 제고된 초음파 가진 열화상을 이용한 물체의 결함검출장치 및 결함검출방법{Method and Apparatus for Enhancing Reliability of Thermosonic NDT Method}
본 발명은 초음파 가진 열화상을 이용한 물체의 결함검출장치 및 결함검출방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 물체에 초음파를 가진하고 그에 따른 반응으로서 물체의 표면에 발생되는 열에 의한 온도장을 열화상 카메라로 촬영하여 물체 내에 형성된 결함을 검출함에 있어서, 물체 내에 존재하는 결함을 검출하기에 충분한 진동이 물체에 고르게 가해졌는지를 점검한 상태에서 결함 검출 작업을 수행함으로써 물체의 결함 검출 결과의 신뢰도를 향상시킨 새로운 구성의 초음파 가진 열화상을 이용한 물체의 결함검출장치 및 결함검출방법에 관한 것이다.
철도 차량의 차륜이나, 바퀴, 패널이나 기판, 터빈의 블레이드 등 여러 가지 물체에 형성되어 있는 결함(균열 등)을 비파괴 방식으로 검출하기 위한 종래의 방법으로 초음파 법이나 에디 커런트(Eddy Current) 법, 자분 탐상법, FI(Fluorescent Infiltration) 등이 있다. 그런데, 이러한 종래의 비파괴 검사 방법을 이용하여 물체의 결함을 검출하기 위해서는, 결함검출 검사 전에 검사대상 물체의 표면을 깨끗하게 청소하여야 하는 번거로움이 있으며, 특히 종래의 비파괴 검사법의 하나인 와전류법은 넓은 영역을 검사하기 위해서 검사대상 물체의 전 영역에 대한 스캔이 필요하기 때문에, 검사에 소요되는 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 또한 검사대상 물체의 형상이 복잡한 경우에는, 측정된 데이터의 처리가 복잡하여 결함검출 검사 후에 검사 결과를 도출하기까지 많은 시간과 비용이 소요된다는 문제가 있다.
더 나아가, 복잡한 형상을 가진 물체를 검사할 때 많이 사용하는 자분 탐상법이나 FI(Fluorescent Infiltration) 등과 같은 종래의 비파괴 검사방법의 경우, 작업자가 각 검사 단계를 조작하고 육안으로 검사하게 되므로, 결국 검사 자체가 사람의 판단이나 숙련도 등과 같은 인적요인에 의존하게 되어 신뢰성이 낮다는 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 검사기술의 문제점과 단점을 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 검사대상 물체에 손상을 가하지 않는 비파괴 방법으로 검사대상 물체의 결함을 검출해냄에 있어서, 결함검출 검사 전에 검사대상 물체의 표면을 청소할 필요가 없도록 하고, 물체의 스캔작업이 필요하지 않도록 함으로 써, 형상이 복잡한 물체에 대해서도 검사 결과로 얻어지는 데이터 처리에 걸리는 시간과 수고를 줄여 신속하게 결함검출 검사를 수행할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명에서는 시험에 개입되는 작업자의 숙련도 등의 인적요소를 최소화하며, 정확한 검사가 이루어지는 지를 점검할 수 있는 과정을 더 도입함으로써, 검사결과에 대한 신뢰성을 더욱 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 철도 차량의 차륜이나, 바퀴, 패널이나 기판, 터빈의 블레이드 등 여러 가지 물체에 형성되어 있는 결함(균열 등)을 검출하는 방법으로서, 검사대상 물체에 초음파를 입사시키고, 검사대상 물체가 가지고 있는 균열 등의 결함이 존재하는 위치에서 초음파로 인하여 물체 표면에 발생하는 국부적인 열에 의한 온도장을 열화상 카메라를 이용하여 관측함으로써 검사대상 물체가 가지고 있는 결함을 찾아내는 방법 및 장치가 제공된다.
특히, 본 발명에서는, 다양한 결함을 가지고 있는 보정시험용 시편에 대하여 결함검출 보정시험을 수행한 뒤, 실제로 결함을 검출하고자 하는 검사대상 물체에 대한 실제 검사를 통해 측정된 진동신호에 의한 결과와 보정시험을 통해 측정된 신호를 비교하여 실제 검사에서, 결함 검출을 위한 충분한 진동이 검사대상 물체에 가해졌는지를 판단함으로써 검사대상 물체의 결함을 높은 신뢰도로 검출할 수 있도록 하는 방법 및 장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 단일점에서 초음파 가진기를 이용하여 초음파 진동을 가하게 되므로, 짧은 가진 시간 내에 넓은 영역에 대한 검사가 가능하게 되는 효과가 발휘된다. 따라서 검사대상 물체의 전 영역에 대한 스캔 작업으로 인하여 검사시간이 장시간이 되는 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있게 된다.
또한 본 발명에 의하면, 검사대상 물체의 형상이 복잡한 경우에도 용이하게 결함검출 시험을 수행할 수 있고 데이터의 처리가 복잡하지 않게 되어 결함검출 검사 후에 검사 결과를 도출하기까지 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있게 되는 장점이 있다.
특히, 본 발명에서는 검사대상 물체에 가해지는 진동의 크기를 모니터링하여 충분한 크기의 진동이 검사대상 물체에 가해졌는지를 확인하게 되므로, 검사대상 물체의 결함부위에 충분한 진동이 발생하지 아니함으로 인하여 결함을 관측하지 못하게 되는 경우를 미연에 방지할 수 있으며, 그에 따라 검사의 신뢰도를 현저하게 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 구체적으로 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는, 철도 차량의 차륜이나, 바퀴, 패널이나 기판, 터빈의 블레이드 등 여러 가지 물체에 형성되어 있는 결함(균열 등)을 검출하는 방법으로서, 검사대상 물체에 초음파를 입사시키고, 검사대상 물체가 가지고 있는 균열 등의 결함이 존재하는 위치에서 초음파로 인하여 물체 표면에 발생하는 국부적인 열에 의한 온도장을 열화상 카메라를 이용하여 관측함으로써 검사대상 물체가 가지고 있는 결함을 찾아내는 것을 특징으로 한다. 특히, 본 발명에서는, 이와 같은 검사 결과의 신뢰도를 높이는 구성이 포함되어 있다.
검사대상 물체에 초음파 진동을 가진시켰을 때 결함 위치에서 온도가 상승하게 되는 이유는, 주로 결함 경계면에서의 마찰에 의한 마찰열이 발생하기 때문이다. 이러한 마찰열은 진동의 주파수와, 결함 존재 위치에서의 진동의 크기에 의해 좌우된다. 따라서 결함이 존재하는 위치에서 충분한 크기의 진동이 발생하지 않으면 결함이 검출되지 않게 된다. 이러한 이유에서 결함검출 검사의 신뢰성을 높이기 위해서는 충분한 크기의 진동이 검사대상 물체에 가해졌는지를 판단하는 것이 필요하며, 본 발명에서는 이러한 판단을 위한 구성이 더 포함되어 있는 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 위와 같은 본 발명에 따른 초음파 가진 열화상을 이용한 물체의 결함검출방법(이하, "초음파 열화상 검출방법"이라고 약칭한다)의 일 실시예에 대하여 설명한다. 도 1에는 본 발명에 따른 초음파 열화상 검출방법에 의하여 검사대상 물체의 결함을 검출하는 장치(1)(이하, "초음파 열화상 검출장치"라고 약칭한다)의 개략적인 구성도가 도시되어 있고, 도 2에는 초음파 열화상 검출장치(1)에 의하여 진행되는 본 발명의 초음파 열화상 검출방법의 각 단계를 보여주는 순서도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 초음파 가진 열화상 검출장치(1)는 검사대상 물체(100)에 초음파를 가하는 초음파 가진기(101)와, 검사대상 물체(100)로부터 발생되는 온도장을 촬영하는 열화상 카메라(102)와, 검사대상 물체(100)로부터의 진동을 측정하는 진동측정센서(103)와, 진동측정센서(103)로부터의 진동 신호를 통해 검사대상 물체(100)에 결함검출에 적합한 크기의 진동이 고르게 가해졌는지를 판단하여 초음파 가진기(101) 및 열화상 카메라(102)의 작동을 제어하는 작동제어기(200)를 포함하여 구성된다.
상기 진동측정센서(103)로는 접촉식 장치로서 스트레인게이지나 AE(Acoustic Emission) 센서를 사용할 수도 있고, 비접촉식 장치로서 레이저 진동계, 마이크로폰 등을 사용할 수도 있다. 특히, 진동측정센서(103)로는, 시험시 물체에 발생하는 진동 주파수 성분 중 온도상승에 영향을 미치는 모든 주파수 성분 대역을 측정할 수 있도록 고주파까지 측정 가능한 것을 이용하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 용도에 맞게 공지의 진동측정센서를 선정하여 사용할 수 있다.
상기 작동제어기(200)에는, 상기 초음파 가진기(101)에 전력을 공급하여 초음파 가진기(101)를 작동시키되 상기 초음파 가진기(101)로 하여금 두 개 이상의 파장 및 두 개 이상의 진동 모드를 가지고 있는 초음파를 발생시키도록 초음파 가진기(101)를 제어하는 가진(加振) 제어부(201)가 포함되어 있다. 또한 상기 작동 제어기(200)에는, 상기 열화상 카메라(102)의 온,오프 작동, 이동 등의 작동을 제어하는 카메라 제어부(202)와, 진동측정센서(103)에 의해 측정된 검사대상 물체(100)의 진동 측정 데이터에 기초하여 검사대상 물체(100)의 결함을 측정하기에 충분한 크기의 진동이 검사대상 물체(100)에 고르게 발생하였는지를 판단하기 위하여 진동신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 변환하여 판단을 수행하는 연산부(203)가 포함되어 있다. 상기 작동제어기(200)에는 상기 진동측정센서(103)로부터의 진동신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 변환시키는 FFT 변환부(204)가 더 구비될 수도 있다.
구체적으로, 초음파 가진기(101)는, 가진 제어부(201)에서 정해주는 두 개 이상의 파장과 두 개 이상의 진동 모드를 가지는 초음파를 검사대상 물체(100)에 가한다. 특히, 상기 가진 제어부(201)는 검사대상 물체(100) 내의 전 영역에서 고르게 충분한 크기의 진동이 발생할 수 있도록, 초음파 가진기(101)의 공진 주파수를 중심주파수로 갖는 쳐프(Chirp) 신호(시작 주파수에서 마지막 주파수까지 시간에 따라 주파수가 선형적으로 증가하는 특성을 가진 신호)를 발생시키고 이를 증폭하여 초음파 가진기(101)에 전달하는 신호발생기로서의 기능을 수행한다. 초음파 가진기(101)의 공진주파수는, 초음파 가진기(101)에서 초음파를 쏘는 혼(horn)의 형상이나 재질 등을 바꿈으로써, 사용자가 원하는 주파수로 만들 수 있는데, 초음파 가진기(101)의 공진주파수를 중심주파수로 갖는 쳐프 신호를 발생시켜 이를 증폭용 입력 신호로 사용하게 되면 큰 진동을 발생시킬 수 있기 때문에 검사대상 물체에 큰 진동을 발생시킬 수 있게 되는 효과가 발휘된다. 따라서 본 발명에서 초 음파 가진기(101)가 초음파 가진기(101)의 공진 주파수를 중심주파수로 갖는 쳐프(Chirp) 신호를 발생시키는 것이 바람직하다.
한편, 표면 결함의 위험성이 있는 물체에 대해 초음파를 가함으로 인한 검사대상 물체의 추가 손상을 최소화할 수 있도록 상기 초음파 가진기(101)로는 PZT(Piezoelectric)소재를 이용한 소형 가진기를 이용하는 것이 바람직하다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.
열화상 카메라(102)는 카메라 제어부(202)의 제어 신호에 따라 검사대상 물체(100)에서 발생하는 온도장을 촬영한다. 진동측정센서(103)는 검사대상 물체(100)로부터의 진동을 측정하게 되고, 측정된 진동 신호는 연산부(203)로 전달되는데, 연산부(203)로 전달되기 전에 진동측정센서(103)에 의해 측정된 진동 신호는 FFT 변환부(203)에 의한 FFT(Fast Fourier Transform)변환을 거칠 수 있다.
상기 연산부(203)는, 진동측정센서(103)로부터의 측정 신호에 기초하여 에너지 지수(Energy Index; 이하 "EI 지수"라고 표기한다), 가열지수(Heating Index; 이하 "HI 지수"라고 표기한다) 및 비선형 지수(Nonlinear Index; 이하 "NI 지수"라고 표기한다)를 연산하여 검사대상 물체(100)의 결함을 측정하기에 충분한 크기의 진동이 검사대상 물체(100)에 고르게 발생하였는지를 판단하게 된다.
다음에서는 상기 EI 지수, HI 지수 및 NI 지수에 대하여 설명한다.
EI 지수는 진동측정센서(103)로부터 전송되어 온 진동 신호로부터 계산되는 지수로서, 검사대상 물체(100) 내에 존재하는 균열에서 발생하는 열의 양을 나타내는 지수이다. 구체적으로 EI 지수는 아래의 수학식 1 및 수학식 2에 의하여 계산 된다.
Figure 112009051069307-PAT00001
Figure 112009051069307-PAT00002
위의 수학식 1 및 수학식 2에서 EI는 EI 지수를 의미하며, i는 진동측정센서(103)로부터 전송되어 온 측정 진동신호를 FFT 변환을 하여 얻어지는 주파수를 구별하기 위한 인덱스이고, fi는 i 번째의 진동 주파수이며, f0는 기준 진동 주파수이다. 일반적으로 기준 진동 주파수를 의미하는 f0로는 초음파 가진기(101)의 공진 주파수, 특히 1차 공진 주파수를 사용한다. ui는 i번째 진동 주파수의 크기(amplitude)이다.
상기 Wi는 i 번째의 진동 주파수와 기준 진동 주파수 f0의 비율인데, 동일한 진동의 크기라도 진동 주파수가 높으면 더 많은 열이 발생하는 것을 수치적으로 나타냄으로써, 검사대상 물체(100)에 가해진 진동이 얼마나 많은 열을 발생시킬 수 있는지를 상대 비교할 수 있게 하는 지수이다. 상기 n은 측정 진동신호를 FFT 변환을 하여 얻어지는 분석가능한 주파수의 개수를 의미한다.
위의 수학식 1 및 수학식 2에 의해서 정의되는 것처럼 EI 지수는 검사대상 물체(100)에 존재하는 결함으로 인하여 발생되는 에너지와 비례하는 지수로서, 검사대상 물체(100)의 진동 신호의 진폭의 제곱에 비례하는 지수이다. 물체의 결함부위에서 발생하는 열은, 결국 물체에 가해진 진동의 크기와 진동의 주파수, 그리고 결함의 크기 및 결함의 특성에 의존하게 된다. 예를 들어, 결함의 크기와 결함의 특성이 정해져 있는 상태에서, 진동에 의해 결함 부위에서 발생되는 열은 진동의 크기와 진동의 주파수에 의해 결정되며, 상기 수학식 1 및 2에 의한 EI 지수는 검사대상 물체(100)에 형성된 결함에서 발생하는 열의 정도를 의미하게 된다. 즉, EI 지수는 결함에서 발생되는 열에 비례하는 지수인 것이다. 그러므로 EI 지수를 통해서 검사대상 물체(100)에 형성된 결함에서 발생하는 열의 정도를 알 수 있게 된다.
이와 같이 검사대상 물체(100)에 존재하는 결함으로 인하여 발생되는 열은 EI 지수와 비례하지만, 그로 인한 검사대상 물체(100)의 표면 온도 상승은 결함 존재 위치의 경계면에서 발생하는 열의 분포와 검사대상 물체(100)를 이루는 재료의 열적 특성에 의존하게 된다. 이러한 점을 고려하여 검사대상 물체(100)의 표면 온도 증가를 나타내는 지수로서 HI 지수를 수학식 3을 통해 구한다.
Figure 112009051069307-PAT00003
여기서 k는, 검사대상 물체(100)에 형성되어 있는 결함의 깊이 즉, 표면에서부터의 결함까지의 거리와, 검사대상 물체(100)를 이루는 재료가 가지는 열특성을 반영한 계수이다. 상기 k는, 검사대상 물체(100)에 대해 가진(加振)이 종료된 후, 검사대상 물체(100)의 표면 온도가 냉각될 때, 시간(t)에 대한 온도 감소 곡선으로부터 구해지는 값이다. 즉, 검사대상 물체(100)의 시간에 따른 표면 온도 감소 상태를 곡선으로 도시하게 되면 지수함수 형태의 그래프가 되는데, 이 지수함수 형태로부터 상기 k 값을 구할 수 있다. 상기 k 값은 보정시험에서 결정하게 된다. 상기 τ는 HI 지수의 변화를 알아보기 위한 시간을 의미하는 종속변수이다.
상기 수학식 3에 의해서 구해지는 HI 지수는 검사대상 물체(100)의 실제 표면 온도의 변화를 보여주는 지수가 된다. 따라서 검사대상 물체(100)의 결함을 측정하기에 충분한 크기의 진동이 가해졌는지를 판단하는 지수로서 HI 지수를 활용하게 된다.
한편, NI 지수는 아래의 수학식 4에 의하여 연산되는데, 검사대상 물체(100)에 발생한 진동이 검사를 하고자 하는 영역(검사영역) 전체에 고르게 분포하는지를 판단하는데 이용되는 지수이다. 검사대상 물체(100)에 초음파 진동을 가하여 결함을 검출함에 있어서, 검출결과의 신뢰도를 높이기 위해서는, 검사에 충분한 크기의 진동이 검사대상 물체(100)의 검사영역 전체에 고르게 가해질 필요가 있으며, 이러한 상태를 확인할 필요가 있다. 즉, 검사대상 물체(100)의 검사영역에 대해 전체적으로 진동의 진폭이 결함검사에 필요한 일정 값 이상이 되는지(진동 주파수의 크기가 일정 값 이상이 되는지)를 확인할 필요가 있는 것이다. 그런데 진동의 측정 은 진동측정센서(103)에 의해 하나의 측정점에서 이루어지기 때문에, 비록 해당 측정점에서는 충분한 진동이 측정되더라도 다른 위치에서는 희망하는 값에 미치지 못하는 진동이 일어날 수도 있다. 특히, 단일 진동 모드의 진동이 검출대상 물체(100)에 가진되었을 경우에는 진동의 노드점(물체가 가지는 고유한 진동 형상인 진동 모드에서 변위가 항상 0인 위치)에서의 진동 주파수의 크기는 이론적으로 0이 되기 때문에, 만일 이러한 노드점에 결함이 존재하게 되면, 결함이 존재함에도 불구하고 검출결과에는 결함의 존재가 반영되지 않게 되는 결과가 초래된다. 즉, 노드점에 존재하는 결함은 검출되지 않는 것이다. 따라서 검출결과의 신뢰도를 향상시키기 위해서는 복수개의 모드를 가진 진동이 가진되어 검출대상 물체(100)의 검사영역 전체적으로 충분한 크기의 진동이 생겨야 한다. 즉, 검사대상 물체(100)의 검사영역에 전체적으로 고르게 충분한 크기의 진동이 가해질 필요가 있는 것이며, 검출의 신뢰도를 높이려면 이러한 상태를 확인할 필요가 있는 것이다.
카오스적인 진동이 발생하는 경우, 진동 신호의 스펙트럼은 많은 피크를 보이며, 이는 다양한 모드가 가진된 상태를 의미한다. 이와 같이 다양한 모드의 진동이 검사대상 물체(100)에 가진되어야만 검사대상 물체(100)에 존재하는 모든 결함을 높은 신뢰도로 검출할 수 있게 되는 것이다.
따라서 본 발명에서는, 이와 같이 필요한 크기를 가진 진동이 검사대상 물체의 검사영역 내에 고르게 가해지기 위해서 두 개 이상의 진동 모드로 가진을 하게 된다. 즉, 본 발명에서는 두 개 이상의 진동 모드로 가진이 이루어지게 되며, 그에 따라 필요한 크기의 진동이 검사영역 내에 고르게 가해지게 되어, 진동 모드의 노드에 위치한 결함도 검출될 수 있게 된다.
한편, 하나의 지점에서 측정한 진동 신호가, 유사한 크기로 두 개 이상의 피크를 보이면 검사대상 물체(100)의 검사영역에 전체적으로 고르게 진동이 분포하는 것이라고 할 수 있다. 따라서 진동측정센서(103)에 의해 측정된 진동신호를 FFT 변환한 후, 변환된 신호에서 유사한 크기의 두 개 이상의 피크가 발생하면 검출대상 물체(100)의 검사영역에 전체적으로 진동의 크기가 고르게 분포하는 것으로 판단할 수 있다. 그러므로 결함 검출의 신뢰도를 높이기 위해서는 진동신호를 FFT 변환하여 얻어지는 신호의 스펙트럼에서 두 개 이상의 피크가 서로 비슷한 크기로 얻어지는지의 여부가 확인되어야 한다.
본 발명에서는 단지 복수개의 진동 모드로 초음파 진동을 가진하는 것에 그치지 아니하고, 검출대상 물체(100)의 검사영역에 전체적으로 진동의 크기가 고르게 분포하는지를 확인하게 되는데, 이러한 상태를 확인할 수 있는 지수로서 본 발명에서는 아래의 수학식 4에 의하여 NI 지수를 연산하여 활용한다.
Figure 112009051069307-PAT00004
상기 수학식 4에서 NI는 NI 지수로서, 검사대상 물체(100)에 발생한 진동의 크기가 검사영역 전체에 고르게 분포하는지를 판단하는데 이용되는 지수이다. 상기 수학식 4에서 fi는 진동 주파수이고, Peak(ui)는 FFT를 수행한 후 피크를 보이는 주파수 성분의 크기이다. ui는 i번째 진동 주파수의 크기(amplitude)이다. 상기 수학식 4는, 진동측정센서(103)에 의해 측정된 진동신호를 FFT 변환시켜 얻어진 신호의 스펙트럼에서, 최대 피크치의 80% 이상의 크기를 갖는 피크의 숫자가 바로 NI 지수가 됨을 의미하는 것이다. 본 발명에서는, 상기 NI 지수가 2 이상이 되어야만, 검출대상 물체(100) 전체적으로 충분한 크기의 진동이 고르게 가해진 것으로 판단하게 된다.
다음에서는 본 발명에 따른 초음파 열화상 검출방법의 개념과 구체적인 방법 단계에 대해 설명한다.
일반적으로, 검사대상 물체(100)에 초음파 진동을 가진할 때, 초음파 가진기(101)와 검사대상 물체(100) 사이의 임팩트 현상에 의한 비선형 진동(물체에 임팩트에 의한 충격이 가해져서 발생하는 비선형 진동)은 재현성이 매우 낮기 때문에 가진할 때 마다 다른 특성의 진동이 물체에 가해지게 된다. 그러므로 검출대상 물체(100)에 대해 결함검출 시험을 반복하여 수행하더라도, 매 시험시마다 동일한 크기의 진동이 검출대상 물체(100) 내에 발생하였다고 보증할 수 없으며, 결과적으로 시험의 신뢰도가 낮아지게 된다. 결함이 물체 내에 존재하여도 어떤 때는 충분한 가진이 되어서 결함 검출 가능하지만 어떤 때는 가진이 충분하지 않아 결함이 검출되지 않을 수 있게 되는 것이다.
이와 같이, 초음파 가진기(101)에 의해 검사대상 물체(100)를 가진할 때마다 진동측정센서(103)에 의해 측정되는 진동의 크기 및 진동의 특성이 바뀌게 되며 그에 따라 검출의 신뢰도가 저하되므로, 본 발명에서는 초음파 가진기(101)에 의해 검사대상 물체(100)를 가진할 때마다 충분한 진동이 검사대상 물체(100)에 가해졌는지를 판단하는 과정을 수행한다. 구체적으로 본 발명에 따른 초음파 열화상 검출방법에서는, 검사대상 물체(100)의 결함을 높은 신뢰도로 검출할 수 있도록, 기지의 결함을 가지고 있는 보정시험용 시편에 대하여 보정시험을 수행하여 결함의 검출이 가능하게 되는 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00005
)를 구한 뒤, 실제로 결함을 검출하고자 하는 검사대상 물체(100)에 대해 가진을 수행한 실제 검출시험을 통해 측정된 진동신호로부터 계산된 실제 HI 지수와 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00006
)를 비교하여, 실제 검출시험에서 결함 검출을 위한 충분한 진동이 검사대상 물체(100)에 가해졌는지를 판단하게 된다.
구체적인 방법단계를 살펴보면, 우선, 이미 그 특성이 알려져 있는 결함(기지의 결함)을 가지고 있으며, 검사대상 물체와 동일한 재질 및 형상으로 이루어진 보정시험용 시편(예를 들면, 균열의 크기와 위치는 알고 있는 시편으로 인공적으로 만들어진 시편, 또는 실제 사용조건에서 사용한 후 확보된 시편으로서 보정시험이 완료된 후 시편을 파괴하여 결함의 특성 정보를 파악 할 수 있는 시편)에 대해 보정시험을 수행한다. 즉, 보정시험용 시편에 초음파 가진기(101)를 이용하여 초음파를 가하고 진동측정센서(103)를 통해 보정시험용 시편의 진동 신호를 측정하여, 상기한 수학식 1 내지 3에 따라 HI 지수를 구한다.
좀 더 상세히 보정시험 과정을 살펴보면, 보정시험용 시편에 초음파 가진 기(101)를 이용하여 초음파를 가하고 진동측정센서(103)로부터 전송되어 온 측정 진동신호를 FFT 변환하여, 기준 진동 주파수, 진동 주파수 및 진동 주파수의 크기를 이용하여 수학식 1, 2에 따라 EI 지수를 구하고, 후속하여 수학식 3에 따라 HI 지수를 구한다. 동시에 열화상 카메라(102)를 이용하여 검사대상 물체(100)의 표면 온도 분포를 촬영한다. 촬영된 결과에서, 결함이 있는 위치에서는 표면 온도가 다른 부분보다 더 높게 나타나게 된다. 이러한 보정시험 과정을 보정시험용 시편에 대해 복수회로 반복 수행하여 결함의 검출이 이루어졌을 때의 HI 지수를 구하여 그 값을 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00007
) 값으로 삼는다.
어떤 경우에는 열화상 카메라(102)를 이용하여 검사대상 물체(100)의 표면 온도를 측정한 결과에서 온도 상승 정도가 노이즈(noise) 수준보다도 낮아서 결함의 검출이 안될 수도 있다. 이러한 경우에는, 결함부위의 온도상승을 관측할 수 있는 최소 HI 지수를 구하여 그 값을 임계 HI지수(
Figure 112009051069307-PAT00008
) 값으로 삼는다.
이와 같이 보정시험용 시편에 대한 보정시험에서 구한 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00009
)의 값은, 보정시험용 시편 내에 존재하는 결함과 유사한 크기 및 특성을 가진 결함이 존재하게 되는 동일 종류의 물체에 대한, 결함 검출용 기준값을 제공하게 된다.
보정시험용 시편에 대해 보정시험을 수행하여 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00010
)의 값을 구한 후에는, 실제로 결함검출이 필요한 검사대상 물체(100)에 대해 실제 검출시험을 수행한다. 즉, 결함검출 보정시험과 동일한 시험조건에서, 결함검출 보정시험시 이용하였던 초음파 가진기(101)와 진동측정센서(103)를 이용하여 검사대상 물체(100)에 초음파 진동을 가하고, 검사대상 물체(100)로부터 진동신호를 측정하며, 열화상 카메라(102)를 이용하여 검사대상 물체(100)의 표면 온도 분포를 촬영한다.
작동제어기(200)의 연산부(203)에서는, 이와 같은 결함검출 실제시험을 통해서 측정된 진동신호를 이용하여 상기한 수학식 1 내지 4에 따라 실제 HI 지수와 NI 지수를 구하게 된다. 측정된 진동신호를 이용하여 실제 HI 지수를 구하는 구체적인 방법은 앞서 보정시험용 시편에 대한 방법과 동일하므로 반복 설명은 생략한다. NI 지수는 진동측정센서(103)에 의해 측정된 진동신호를 FFT 변환시켜 얻어진 신호의 스펙트럼에서, 최대 피크치의 80% 이상의 크기를 갖는 피크의 숫자를 계수함으로써 구하게 된다.
후속하여, 작동제어기(200)의 연산부(203)에서는, 앞서 구해진 실제 HI 지수의 최대 값(
Figure 112009051069307-PAT00011
)과 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00012
)의 값을 비교한다. 비교 결과, 만일 검사대상 물체(100)로부터 구해진 실제 HI 지수의 최대 값(
Figure 112009051069307-PAT00013
)이 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00014
)의 값 이상인 경우에는 검사대상 물체(100)에 충분한 크기의 진동이 가해졌다고 판단하고, 후속하여 검사대상 물체(100)의 검사영역에 진동이 고르게 가해졌는지를 판단한다. 즉, 후속하여 실제 검출시험에서 구해진 NI 지수가 2이상인지를 판단하는 단계를 수행하는 것이다.
그러나 검사대상 물체(100)로부터 구해진 실제 HI 지수의 최대 값(
Figure 112009051069307-PAT00015
)과 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00016
)의 값을 비교한 결과, 검사대상 물체(100)로부터 구해진 실제 HI 지수의 최대 값(
Figure 112009051069307-PAT00017
)이 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00018
)의 값보다 작은 경우에는 검사대상 물체(100)에 충분한 크기의 진동이 가해지지 않은 것으로 판단하여, 검사대상 물체(100)에 다시 진동을 가하는 재가진 과정을 수행한다. 즉, 검사대상 물체(100) 로부터 구해진 실제 HI 지수의 최대 값(
Figure 112009051069307-PAT00019
)이 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00020
)의 값 이상이 되었다고 판정될 때까지 위와 같은 과정을 반복하게 되는 것이다.
한편, 실제 HI 지수의 최대 값(
Figure 112009051069307-PAT00021
)과 임계 HI 지수(
Figure 112009051069307-PAT00022
) 값의 비교 단계를 진행한 후에 NI 지수가 2이상인지를 판단하는 단계를 수행한 결과, 만일 NI 지수가 2이상인 경우에는, 검사대상 물체(100)의 검사영역 내에 전체적으로 고르게 진동이 발생한 것으로 보아, 열화상 카메라(102)를 이용하여 측정된 검사대상 물체(100)의 표면 온도 분포로부터 결함의 존재 유무를 판단하여 결함을 검출하게 된다. 그러나 결함검출 실제시험에서 구해진 NI 지수가 2 미만인 경우에는, 검사대상 물체(100)에 다시 초음파 진동을 재가진하여 상기한 실제 검출시험을 다시 수행한다. 즉, NI 지수가 2 이상이 될 때까지 검사대상 물체(100)에 대해 상기한 실제 검출시험을 반복하여 수행하는 것이다. 이와 같은 HI 지수와 NI 지수의 점검 작업을 통해서 결함 검출 결과의 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있게 된다.
열화상 카메라(102)를 이용하여 측정된 검사대상 물체(100)의 표면 온도 분포를 촬영하여 촬영된 검사대상 물체(100)의 표면 온도 분포로부터 결함의 존재 유무를 판단하여 검출하게 되는데, 이러한 과정은 육안으로 수행할 수도 있지만, 만일 공지의 이미지 프로세싱 기술을 이용하게 되면, 생산라인이나 현장 등에서 결함 유무 판정 작업의 자동화를 이룰 수 있게 된다.
본 발명의 장점을 살펴보면, 앞서 설명한 것처럼, 본 발명에서는 단일점에서 초음파 가진기(101)를 이용하여 초음파 진동을 가하게 되므로, 짧은 가진 시간 내에 넓은 영역에 대한 검사가 가능하게 된다. 따라서 검사대상 물체의 전 영역에 대한 스캔 작업으로 인하여 검사시간이 장시간이 되는 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있게 된다. 또한 검사대상 물체의 형상이 복잡한 경우에도 용이하게 결함검출 검사를 수행할 수 있고 데이터의 처리가 복잡하지 않게 되어 결함검출 검사 후에 검사 결과를 도출하기까지 소요되는 시간과 비용을 줄일 수 있게 되는 장점이 있다.
특히, 본 발명에서는 HI 지수와 NI 지수를 구하고 이를 보정시험에서 구한 값들과 비교하여, 결함 검출을 위하여 충분한 진동이 검사대상 물체(100)에 가해졌는지를 점검함으로써, 결함 검출 결과에 대한 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 열화상 방법에 의하여 검사대상 물체의 결함을 검출하는 장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 초음파 열화상 검출장치에 의하여 진행되는 본 발명의 초음파 열화상 검출방법의 각 단계를 보여주는 순서도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 검사대상 물체
101 : 초음파 가진기
102 : 열화상 카메라
103 : 진동측정센서
200 : 작동제어기
201 : 가진(加振) 제어부
202 : 카메라 제어부
203 : 연산부
204 : FFT 변환부

Claims (9)

  1. 검사대상 물체(100)에 초음파 진동을 가하는 초음파 가진기(101)와, 검사대상 물체(100)로부터 발생되는 온도장을 촬영하는 열화상 카메라(102)와, 검사대상 물체(100)로부터의 진동을 측정하는 진동측정센서(103)와, 진동측정센서(103)로부터의 진동 신호를 통해 검사대상 물체(100)에 결함검출에 적합한 진동이 가해졌는지를 판단하여 초음파 가진기(101) 및 열화상 카메라(102)의 작동을 제어하는 작동제어기(200)를 포함하는 초음파 열화상 검출장치를 이용하여 검사대상 물체(100)에 존재하는 결함을 비파괴 방식으로 검출하는 방법으로서,
    기지의 결함을 가지고 있는 보정시험용 시편에 초음파 가진기(101)를 이용하여 초음파를 가하고 진동측정센서(103)를 통해 보정시험용 시편의 진동 신호를 측정하고 열화상 카메라(102)에 의해 보정시험용 시편의 표면 온도 분포를 촬영하여, 결함 검출이 가능한 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00023
    ) 값을 하기의 수학식 1 내지 수학식 3에 의하여 구하는 보정시험 단계;
    검사대상 물체(100)에, 시편에 초음파 가진기(101)를 이용하여 초음파를 가하고 진동측정센서(103)를 통해 검사대상 물체(100)의 진동신호를 측정하여, 하기의 수학식 1 내지 수학식 4를 이용하여 실제 HI 지수와 NI 지수를 구하고 열화상 카메라(102)에 의해 검사대상 물체(100)의 표면 온도 분포를 촬영하는 검사대상 물체(100)에 실제 검출시험 단계;
    실제 검출 시험단계에서 구해진 HI 지수의 최대 값(
    Figure 112009051069307-PAT00024
    )과 임계 HI 지 수(
    Figure 112009051069307-PAT00025
    )의 값을 비교하여, 검사대상 물체(100)로부터 구해진 실제 HI 지수의 최대 값(
    Figure 112009051069307-PAT00026
    )이 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00027
    )의 값 이상이 되었다고 판정될 때까지 상기 검사대상 물체(100)에 대한 실제 검출시험 단계를 반복하는 HI 지수 비교 단계; 및
    검사대상 물체(100)로부터 구해진 HI 지수의 최대 값(
    Figure 112009051069307-PAT00028
    )이 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00029
    )의 값 이상인 경우에는 검사대상 물체(100)에 대한 실제 검출시험에서 구해진 NI 지수가 설정된 값 이상이 되었다고 판정될 때까지 상기 검사대상 물체(100)에 대한 실제 검출시험 단계를 반복하는 NI 지수 판단 단계; 및
    NI 지수가 설정된 값 이상인 경우, 열화상 카메라(102)를 이용하여 촬영된 검사대상 물체(100)의 표면 온도 분포로부터 결함의 존재 여부를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출방법.
    (수학식 1)
    Figure 112009051069307-PAT00030
    (수학식 2)
    Figure 112009051069307-PAT00031
    (수학식 3)
    Figure 112009051069307-PAT00032
    (수학식 4)
    Figure 112009051069307-PAT00033
    (위의 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3에서 EI는 EI 지수를 의미하며, i는 진동측정센서(103)로부터 전송되어 온 측정 진동신호로부터 얻어지는 주파수를 구별하기 위한 인덱스이고, fi는 i번째의 진동 주파수이며, f0은 기준 진동 주파수이며, ui는 i번째 진동 주파수의 크기(amplitude)이며, 수학식 3에서 HI는 HI 지수를 의미하며, k는 검사대상 물체(100)에 대해 가진(加振)이 종료된 후, 검사대상 물체(100)의 표면 온도가 냉각될 때, 시간(t)에 대한 온도 감소 곡선으로부터 구해지는 값이며, 상기 수학식 4에서 NI는 NI 지수로서, 진동측정센서(103)에 의해 측정된 진동신호의 스펙트럼에서, 최대 피크치의 80% 이상의 크기를 갖는 피크의 숫자가 NI 지수 값이며, Peak(ui)는 FFT 변환을 수행한 후 피크를 보이는 주파수 성분의 크기이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    NI 지수 판단 단계에서는, 검사대상 물체(100)에 대한 실제 검출시험에서 구해진 NI 지수가 2 이상인지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    초음파 가진기(101)는, 초음파 가진기(101)의 공진주파수를 중심주파수로 갖는 쳐프 신호를 발생시켜 증폭용 입력 신호로 사용하여 검사대상 물체(100)에 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보정시험단계에서는, 보정시험용 시편에 초음파 가진기(101)를 이용하여 초음파를 가하고 진동측정센서(103)를 통해 보정시험용 시편의 진동 신호를 측정하여, 상기한 수학식 1 내지 3에 따라 HI 지수를 구하는 과정을 복수회로 반복하며, 매회 측정된 진동 신호로부터, 결함 부위의 표면 온도 상승을 관측할 수 있는 상태의 최소 HI 지수를 구하여 그 구해진 값을 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00034
    ) 값으로 삼는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 작동제어기(200)에는 상기 진동측정센서(103)로부터의 진동신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 변환시키는 FFT 변환부(204)가 더 구비되어 있어, 상기 보정시험 단계 및 실제 검출시험 단계에서는, 진동측정센서(103)로부터의 진동 신호를 FFT 변환시킨 후, FFT 변환된 신호로부터의 데이터를 이용하여 수학식 1 내지 수학식 4에 의하여 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00035
    ) 값, 실제 HI 지수 값 및 NI 지수 값을 구하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출방법.
  6. 검사대상 물체(100)에 초음파 진동을 가하여 검사대상 물체(100)에 존재하는 결함을 검출하는 장치로서,
    검사대상 물체(100)에 초음파 진동을 가하는 초음파 가진기(101)와,
    검사대상 물체(100)로부터 발생되는 온도장을 촬영하는 열화상 카메라(102)와, 검사대상 물체(100)로부터의 진동을 측정하는 진동측정센서(103)와,
    진동측정센서(103)로부터의 진동 신호를 통해 검사대상 물체(100)에 결함검출에 적합한 진동이 가해졌는지를 판단하여 초음파 가진기(101) 및 열화상 카메라(102)의 작동을 제어하는 작동제어기(200)를 포함하며;
    상기 작동제어기(200)는,
    기지의 결함을 가지고 있는 보정시험용 시편에 초음파 가진기(101)를 이용하여 초음파를 가하고 진동측정센서(103)를 통해 보정시험용 시편의 진동 신호를 측정하여, 하기의 수학식 1 내지 수학식 3에 의하여 구해진 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00036
    ) 값과, 검사대상 물체(100)에 시편에 초음파 가진기(101)를 이용하여 초음파를 가하고 진동측정센서(103)를 통해 검사대상 물체(100)의 진동신호를 측정하여 하기의 수학식 1 내지 수학식 3을 이용하여 구해진 검사대상 물체(100)의 실제 HI 지수의 최대 값(
    Figure 112009051069307-PAT00037
    )을 비교하여, 검사대상 물체(100)로부터 구해진 실제 HI 지수의 최대 값(
    Figure 112009051069307-PAT00038
    )이 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00039
    )의 값 이상이 되었다고 판정될 때까지 상기 검사대상 물체(100)에 대한 실제 검출시험 단계를 반복하고, 검사대상 물체(100)로부터 구해진 HI 지수의 최대 값(
    Figure 112009051069307-PAT00040
    )이 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00041
    )의 값 이상인 경우에는 검사대상 물체(100)에 대한 실제 검출시험을 통해 하기의 수학식 1 내지 4에 의해 구해진 NI 지수가 설정된 값인지를 판단하여, 상기 열화상 카메라(102)에 의해 촬영된 검사대상 물체(100)의 표면 온도로부터 결함 존재 여부를 검출하는 연산부(203)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출장치.
    (수학식 1)
    Figure 112009051069307-PAT00042
    (수학식 2)
    Figure 112009051069307-PAT00043
    (수학식 3)
    Figure 112009051069307-PAT00044
    (수학식 4)
    Figure 112009051069307-PAT00045
    (위의 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3에서 EI는 EI 지수를 의미하며, i는 진동측정센서(103)로부터 전송되어 온 측정 진동신호로부터 얻어지는 주파수를 구별하기 위한 인덱스이고, fi는 i번째의 진동 주파수이며, f0은 기준 진동 주파수이며, ui는 i번째 진동 주파수의 크기(amplitude)이며, 수학식 3에서 HI는 HI 지수를 의미하며, k는 검사대상 물체(100)에 대해 가진(加振)이 종료된 후, 검사대상 물체(100)의 표면 온도가 냉각될 때, 시간(t)에 대한 온도 감소 곡선으로부터 구해지는 값이며, 상기 수학식 4에서 NI는 NI 지수로서, 진동측정센서(103)에 의해 측정된 진동신호의 스펙트럼에서, 최대 피크치의 80% 이상의 크기를 갖는 피크의 숫자가 NI 지수 값이며, Peak(ui)는 FFT 변환을 수행한 후 피크를 보이는 주파수 성분의 크기이다.)
  7. 제6항에 있어서,
    연산부(203)는, 검사대상 물체(100)에 대한 실제 검출시험에서 구해진 NI 지수가 2 이상인지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    초음파 가진기(101)는, 초음파 가진기(101)의 공진주파수를 중심주파수로 갖는 쳐프 신호를 발생시켜 증폭용 입력 신호로 사용하여 검사대상 물체(100)에 진동을 가하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출장치.
  9. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 작동제어기(200)에는 상기 진동측정센서(103)로부터의 진동신호를 FFT(Fast Fourier Transform) 변환시키는 FFT 변환부(204)가 더 구비되어 있어, 진동측정센서(103)로부터의 진동신호를 FFT 변환시키며;
    상기 연산부(203)는, 상기 FFT 변환부(204)에 의해 FFT 변환된 신호로부터의 데이터를 이용하여 수학식 1 내지 수학식 4에 의하여 임계 HI 지수(
    Figure 112009051069307-PAT00046
    ) 값, 실제 HI 지수 값 및 NI 지수 값을 연산하는 것을 특징으로 하는 초음파 가진 열화상을 이용한 물체 결함 검출장치.
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