KR20130118290A - 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법 - Google Patents
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Abstract
반점 광도 측정법(speckle photometry)을 사용하여 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법으로, 간섭 전자기 방사선은 구성요소 또는 샘플의 표면 영역의 규정된 입사각으로 직행하며, 조사에 의해 조명된 표면 영역은 광학 검출기의 적어도 2차원 어레이 배열의 영상이고, 열 및/또는 기계적 활성화는 조사 표면 영역 간격에 있는 영역으로 구성요소 또는 샘플에서 수행되며, 강도 반점 전자기 방사선은 시간 해상도 및 공간 해상도로 검출된 조사의 결과로 표면에 의해 방출되고, 반점 확산율은 각각의 물질 또는 복합 물질에 대한 다른 측정 방법을 미리 사용하여 결정된 참조 값 및 결정된 반점 확산율(speckle diffusivity)을 사용하여 결정된 각각의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력에 의해 결정된다.
Description
본 발명은 반점 광도 측정법(speckle photometry)을 사용하여 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 메탈릭(metallic), 세라믹(ceramic) 및 유기 압축 복합 물질(organic compact composite materials) 및 섬유 복합 물질(fiber composite)에 기계적 특성을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이는 또한 연구소(laboratory) 또는 운영 조건 하에서 모두 단시간에 수행될 수 있다. 본 발명은 온라인으로 가능하며, 구성 요소에서 사용 또는 작동 중에 실행될 수 있다. 그러나 제조 방법은 또한 효과적으로 확인되고 감시될 수 있다.
제조 방법에서 이미 시험 방법에 대한 광학 솔루션 제안이 있고, 물질의 특성화 및 생산 방법 감시가 단시간에 실행될 수 있다.
그러나 비 파괴 광학 시험 방법에 의한 물질의 열역학적 특성의 특성화는 미리 적어도 충분한 정확성 없이 실행되지 않는다.
자성의 바크하우젠 잡음(magnetic Barkhausen noise)의 다양한 매개 변수는 메탈릭 물질의 응력 상태(stress state) 및 손상 상태(damage state)의 평가를 위해 사용된다. 바크하우젠 잡음 측정 방법은 오직 강자성 물질에 이용된다. 센서가 직접 접촉에 배치되기 때문에, 측정은 오직 온도 감도(temperature sensitivity) 때문에 최대 70℃까지 가능하다.
총 가열은 시험을 거친 표면의 열 팽창(thermal expansion)을 야기한다. 물질 상태에 관한, 예를 들어 경도에 관한 상태에서, 다공성 및 손상 상태는 국부 열 팽창에 의해 발생하는 표면 변경의 특성화에 의해 형성될 수 있다. 거칠기 단면(roughness profile)에서 시간이 지남에 따른 변화는 샘플 표면에서 온도 흐름(temperature flux)의 결과로 발생하고, 광학 검출(optical detection)로 반점 패턴의 시간이 지남에 따른 변화에 의해 특성화된다.
또한, 더 최근에, 광학 측정 방법으로 반점 광도 측정법(speckle photometry)을 사용하기 위해 다가갔다. 객채(object)의 형태로 아주 작은 변위(displacements) 및 변화 때문에 사용되고, 또한 3차원(three-dimensionally)(EP 1 746 385 A1) 또는 변형 측정 및 구성 요소 및 미세 배열(microarray)의 왜곡 측정에 관한 것은 EP 1 400 779 A1에서 설명된다. EP 1 472 531 A1 와 일치하는 구성요소의 결함 및 균열(cracs)은 예를 들어, 원자로 노심(reactor cores)에 대한 방법을 사용하여 검출된다.
특히, 적외선 방사 분석(infrared radiometry)은 광열 측정 방법을 사용하여 물질 경도의 비접촉 결정, 종종 메탈릭 물질로 알려져있다. 이러한 측면에서, 기계적 특성을 가지는 물질의 열 전도도(thermal conductivity) 및 온도 전도도(temperature conductivity)의 관계는 경도와 같이 사용된다. 경도(hardness)가 열 전도도 및 온도 전도도와 반비례로 관련되는 것을 발견하였다.
이러한 항공기 건설 에 사용되는 것과 같은 복합 재료의 샘플 두께 및 다공성을 측정하기 위한 비파괴 온도 기록 방법(non-destructive thermographic method)은 US 2008/0317090 A1에서 설명된다. 이 방법은 검사된 개체(object)의 표면에서 측면의 열 흐름 전달에 기반하며, 정확한 온도/시간 의존성을 결정한다. 비행 상수(flight constant) 열 시간(thermal time)은 열 확산율(thermal diffusivity) 및 다공성의 정량 평가(quantitative evaluation)에 대한 상관 계수(correlation factor)로 사용된다. 이러한 방법의 측정 구조는 매우 복잡해서 어플리케이션(applications)이 연구소 크기에 관련하는 것이 불리하며, 신속하고 강력한 측정을 위해 공업적인 사용이 배제된다.
따라서 본 발명의 목적으로 값이 저렴한 물질 또는 복합 물질의 다른 매개 변수의 결정을 위한 비접촉, 비파괴 측정 방법을 제공하고, 단시간에 실행될 수 있으며, 좋은 측정 정확도는 이렇게 달성될 수 있다.
본 발명에 따라, 목적은 청구항 1항의 기능을 갖는 방법에 의해 달성된다. 바람직한 실시예 및 본 발명의 추가 개발은 종속항에 명시된 기능을 사용하여 실현 될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 정의된 입사 각을 가지는 간섭 전자기 방사선(coherent electromagnetic radiation)은 구성 요소 또는 샘플의 표면 영역에 직결된다. 조도(illumination)에 의해 조사(irradiated) 표면 영역은 적어도 광학 검출기(optical detectors)의 2차원 어레이 배열(two-dimensional array arrangement)에 의해 그려진다. 간단하고 저렴한 CCD 카메라는 시간이 지남에 따라 충분히 큰 용량을 가져야 하는 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 이러한 측면에서, 열 및/또는 기계적 활성화는 구성요소 또는 조사 표면 영역 간격을 가지는 샘플에서 발생한다. 조사의 결과로 표면에 의해 방출된 반점 전자기 방사선(speckle electromagnetic radiation)의 강도는 어레이 배열을 사용하여 시간 해상도 및 공간 해상도로 검출된다.
따라서 반점 확산율(speckle diffusivity) K는 시간 해상도 및 공간 해상도로 검출된 측정된 강도 값에 의해 결정된다. 각각 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력은 결정된 반점 확산율 K 및 각각의 물질 또는 물질 합성에 대힌 다른 측정 방법을 미리 사용하여 결정된 참조 값을 사용하여 결정된다.
본 발명은 가장 다양한 물질과 섬유 복합 물질과 같은 복합 재료에 사용할 수 있다.
방사선의 결과로 표면에 의해 방출되는 반점 전자기 방사선(speckle electromagnetic radiation)의 강도는 시간에 따라 적어도 두 점에서 결정되야 한다. 그러나 적은 시간 간격 내에 더 빈번한 결정은 증가된 정확도에 대하여 더 유리하다.
대체로, 공간적 해상 결정(spatially resolved determination)은 구성요소 표면 또는 충분한 측정 적확도를 달성하기 위한 샘플의 적어도 2차원 평면에서 실행될 수 있다. 그러나 3차원 결정 또한 가능하다. 이 경우, 어레이 배열(array arrangement)은 정의된 방식으로 추가로 이동할 수 있어서, 조사 표면 영역의 이미지(imaging)는 다른 위치 및/또는 방향에서 검출될 수 있다.
전자기 방사선(electromagnetic radiation)은 구성 요소 또는 샘플의 표면에 대한 45°± 20°의 입사각으로 조사 표면 영역에 직결된다. 이러한 측면에서, 표면에 유도된 전자기 방사선의 반사(reflection)를 완전히 피해야 하나 적어도 상당한 정도로 피한다. 평형 방사선(Collimated radiation)은 방사선과 같은 입사각에서 조사 표면 지역의 각 위치에서 일어나기 쉬운 장점이 있다.
본 발명은 다음의 예시에 의해 더 자세히 설명 될 것이다.
도 1은 반점 광도 측정법을 사용하여 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 순서도이다;
도 2는 도식적으로, 열 및/또는 기계적 활성화를 가지는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 구조이다;
도 3은 반점의 도식적 표현(schematic representation)이다;
도 4는 405 nm, 633 nm and 1064 nm의 파장을 가지는 세 개의 다른 레이저 광원에 의해 방출되는 전자기 방사선 조사의 일반적인 반점 영상이다;
도 5는 국소 가열 하 샘플 표면의 열 활성화 동안 반점 패턴 변화의 도식적 표현이다;
도 6은 다른 물질에 대한 물질 경도에 의한 반점 확산율(speckle diffusivity) K의 의존도 다이어그램이다;
도 7은 반점 확산율 K 을 사용하여 교정/비교로부터 결정된 경도에 대한 예이다;
도 8은 물질의 다공성에 따라 반점 확산율 K의 의존도이다;
도 9는 절대적인 반점 확산율 K에서 계산된 기계적 응력 변화이며; 및
도 10은 응력 사이클 N의 수에 의한 프랙탈 차원 DF의 이론상 의존도의 도식적 표현이다.
도 1은 반점 광도 측정법을 사용하여 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 순서도이다;
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도 6은 다른 물질에 대한 물질 경도에 의한 반점 확산율(speckle diffusivity) K의 의존도 다이어그램이다;
도 7은 반점 확산율 K 을 사용하여 교정/비교로부터 결정된 경도에 대한 예이다;
도 8은 물질의 다공성에 따라 반점 확산율 K의 의존도이다;
도 9는 절대적인 반점 확산율 K에서 계산된 기계적 응력 변화이며; 및
도 10은 응력 사이클 N의 수에 의한 프랙탈 차원 DF의 이론상 의존도의 도식적 표현이다.
반점 분광 측정법을 사용한 측정의 절차는 본 발명에서 실행할 수 있는 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 결정과 같은 흐름도에 관한 예로 도 1에 나타낸다.
방법의 실행에서 측정된 지점은 일관된 전자기 방사선을 가지는 조사에 의해 발광된다. 동시에, 열 활성화는 조사 표면 영역의 간격에서 검사할 구성 요소 또는 샘플을 가열하는 방식으로 발광된 표면의 간격에서 에너지 입력에 의해 실행된다. 열 전도의 결과로 반점 이동 특성이 발생하고, 어레이 배열(array arrangement)에 대한 예로 CCD 카메라를 사용하여 조사 표면 영상의 시퀀스로 측정되고, 연결된 전자 평가 유닛(unit)에 의해 평가될 수 있다. 따라서 검출 기록은 추가 평가를 위해 준비될 수 있다. 탐색 재료 특성의 등가 값은 결과로 얻어지며 즉, 한 경우에서 경도가 결정될 수 있다. 총 조사 표면 지역은 본 발명에서 사용될 수 있는 어레이 배열(array arrangement) 또는 CCD 카메라에 의해 고려될 필요가 없다. 충분히 큰 영역은 분산된 방사선의 다양한 강도가 검출되고 반점으로 검출될 수 있는 내부에 충분하다.
레이저 광원(laser light)에 의해 방출된 간섭 전자기 방사선은 표면의 조사에 사용될 수 있다. 검출된 표면의 표면 거칠기가 고려되는 동안 파장은 반드시 선택 되야 할 필요가 없다. 열 활성화, 특히 샘플 표면의 국부 가열은, 방사능 표면 영역의 간격에서 지속적으로 또는 펄스 방식으로 수행 될 수 있다. 온도 경사도(temperature gradient) 및/또는 검사 할 재료의 열 전도성의 계정을 고려하는 동안 간격이 선택될 수 있다. 활성화가 발생하는 위치의 간격은 관찰되고, 조사 영역에서 물질의 즉시, 직접 및 동시 영향을 피해야 한다. CO2 레이저는 예를 들어, 가열을 위해 사용될 수 있다. 가변의 영상 속도를 가지는 원하는 CCD 카메라는 CCD 카메라 전에 배열될 수 있는 추가적인 광학 소자에 의해 이루어질 수 있다.
반점 영상은 정의된 입사각으로 표면에 입사되는(incident) 전자기 방사선을 가지는 광학적 거칠기 표면의 간섭 조도의 발생을 검출 및 평가될 수 있다. 원역(far field)에서 간섭되고, 발산하는 다른 위상의 구면파(spherical waves)의 확산 중심부 형태의 측면에서 표면 불규칙은, 도 3에서 알 수 있다. 최소 및 최대로 발생하는 무작위로 분포된 강도를 가지는 공간 구조는 반점 영상으로 불릴 수 있다.
근적외선 스펙트럼(near infrared spectrum)에서 보이는 파장을 가지는 전자기 방사선은 조사에 사용될 수 있다. 시험에서 주로, 헬륨-네온(He-Ne) 레이저 광원(파장 λ = 663 nm, 전력 10 mW, 빔 지름(beam diameter) 1 mm)이 사용된다. 레이저 빔 지름은 대응하는 수렴 렌즈 또는 확산 렌즈의 사용으로 다양할 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서, 다른 레이저 광원(laser sources) 예를 들어, 블루 레이저 광원(blue laser source)(λ = 405 nm) 또는 적외선 레이저 광원(λ = 1064 nm)이 사용될 수 있다.
도 4는 다른 파장을 가지는 조사에서 검출된 반점 패턴(speckle patterns)을 나타낸다. 이러한 측면에서, 강렬한 최고 국부 밝기(local brightness)는 다른 표면 영역에서 방사선이 간섭 받는 위치에서 알 수 있다. 작은 반점의 지름은 사용된 전자기 방사선의 파장에 비례한다. 또한 각각의 반점의 지름 및 강도는 샘플 표면의 거칠기에 의해 영향을 받는다. 표면의 거칠기는 강도가 낮고, 대조가 크다. 예를 들어 이것은 반점 강도가 추가로 적절한 평가 소프트웨어를 사용하여 적용될 수 있어서, 표면 거칠기의 독립적인 경도를 결정하도록 조사에 적합한 파장을 가지는 레이저 광원의 선택에 의해 가능하다. 예외는 예외의 형태로 본 발명에서 사용될 수 없는 광학적 투명 물질뿐 아니라 이상적인 반사 표면이다. 그러나 이는 표면의 이러한 속성을 가지고 있지 않은 적합한 박막의 어플리케이션(application)에 의해 방지 될 수 있다.
국소 열 활성화는 또한 플레임(flame), 유도 또는 다른 국소 열원의 도움으로 수행 될 수 있다. 국부적으로 서로 다른 양의 열 팽창에서 전파 열이 발생한다. 확장 필드(Expansion fields)는 위치와 시간 따라 물질 표면에 형성된다. 굴곡 표면(rough surface)은 표면 거칠기의 절대량(absolute amount) 및 표준 표면 경사의 변화를 가지는 자극 아래 반응한다. 이러한 공간 및 시간적 변화는 물질 상태에 대한 정보를 포함한다. 시간 분해 반점 샷(time-resolved speckle shot)은 표면의 이러한 열 유도 변위 필드의 영상이다. 반점 구조의 이러한 변화는 도 5에서 인식할 수 있다. 정보에서 구성요소/샘플 깊이의 여기(excitation)를 결정하는 가열의 유형 및 정도는 검출되고, 평가될 수 있다. 반점 이동은 초당 최소 20 프레임을 얻을 수 있는 CCD 카메라를 사용하여 얻을 수 있다. 높은 영상 검출 비율은 유리하다. 초당 200 프레임 보다 큰 이미지 검색 데이터는 큰 데이터 용량을 야기하지만 시간이 많이 소요되는 방식으로 평가해야 한다. 필요한 메모리 공간을 줄이기 위해서 적절한 카메라 소프트웨어로 프레임 주파수 및 이미지 크기를 변경할 수 있어야 한다. 자동 영상 최적화 및 픽셀 주파수 및 노출시간의 설정과 같은 기능은 도움이 된다. 모노크롬(monochrome) 또는 칼라 CCD 카메라(color CCD camera)는 유용할 수 있다.
반점 이동에 대응하는 측정된 신호, 특히 검출된 그레이 값(gray values)은 상대적으로 추가 분석에 대해 준비 된다. 검출된 영상 시퀀스(sequence)는 먼저 적당한 프로그램(버추얼덥(Virtual - Dub) V 1.9.7.)을 사용하여 개별 영상으로 나눌 수 있으며, 개별 영상은 bmp 형식의 그레이 스케일(gray scales)로 저장될 수 있다. 각 개별 영상은 100 x 100 픽셀(pixels)의 크기로 줄일 수 있다. 마지막 단계 는 적응 카메라 설정으로 대체 될 수 있다.
시간이 지남에 따라, 반점의 위치 및 밝기는 국부적으로 유도된 열 전파 동안 표면의 확장 필드(expansion fields)의 변화에 ??따라 달라진다. 표면 상태 및 따라서 특정 반점 영상은 샘플에서 확장 필드 εi,j(t,R)(t - 시간, R 측정 위치 및 i,j 각각의 좌표 축 x,y)의 함수이다. 이는 온도 T(t, R)를 가지는 열 팽창의 방정식(1) 및 기계적 응력 σi,j (t, R)을 가지는 탄성법을 통해 차례로 연결된다:
여기서 Si,j,k,l 는 상수(탄성 계수(elastic constants)의 역수)이며, TO 는 주변 온도이다. 국부적으로 유도된 열량(heat amount)은 열 확산 방정식에 따라 시간 및 공간에서 샘플을 거쳐 분포된다.
반점 영상의 강도로부터 경도에 적합한 정보를 얻기 위해, 반점 확산율(speckle diffusivity) "K"가 사용된다.
여기서 I = I(t,x,y,z)는 시간의 함수로 반점의 강도이며, x, y, z 는 측정된 위치에서 측정 좌표이다. 2 차원 CCD 카메라 또는 광 검출기의 어레이 배열을 사용하여 사진을 찍을 때, z 좌표는 원칙적으로 생략된다. 그러나, 원하는 또는 필요한 경우 3차원은 평가에 고려되는 카메라 또는 어레이 배열의 정의된 움직임에 의해 검출 될 수 있다.
시간 변화 I(t)가 팽창 ε=εi,j(t,R)에 의해 주어지기 때문에, 다음과 같이 방정식(3)에 의해 유도될 수 있다 :
여기서 예를 들어,
반점 강도 유도 지수의 사용은
유도에서 발생하는 조건의 특정 영향이 차단 되는 큰 장점을 가지고, 예를 들어 이것은 레이저 방사선의 강도와 같은 위치와 상관 없는 환산 계수(scale factor)이다.
마찬가지로 발생하는 조건
은 이차 식(quadratic expression)이 선형 이론(훅의 법칙(Hook's Law))의 프레임워크(framework) 내에 ei,j(t,R) 에서 고려되어야 할 필요가 없기 때문에 무시될 수 있다.
방정식(3) 유도 대신에, 반점 속도 Vx(방정식(6))는 또한 고려될 수 있다.
반점 확산율 K의 양은 경도 결정에 이용된다. 방정식(3)에 따라 반점 확산률 K의 양 값은 결과로 얻어진다. 기계적 매개변수 및 또한 온도 전도도(temperature conductivity)를 가지는 매개 변수 K의 직접적인 상관 관계가 발견될 수 있다. 온도 전도도는 반점 확산률 K에서 유닛(units)의 전환에 의해 ㎡/s에서 추가적으로 계산될 수 있다. 이것에 대한 필요조건은 Z 방향에서 반점의 변화가 고려 되는 것이다. 검사 물질에 대한 교정은 특정 경도 값을 가지는 반점 확산률 K의 측정 값에 연결하기 위해 필요하다. 이러한 목적을 위해 같은 물질의 샘플 에서 기계적 경도는 예를 들어 비커스(Vickers), 로크웰(Rockwell) 또는 브리넬(Brinell)과 같은 다른 기정된 측정 방법을 사용하여 측정된다. 그 후, 반점 확산률 매개변수 K 및 따라서 대응하는 회귀 직선(regression straight line)의 교정 함수는 동일 샘플에서 결정된다.
도 6은 예로서 이러한 시험 결과를 보여준다. 이는 명확히 반점 확산율 K의 양이 경도 증가로 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이러한 목적을 위해, 다른 탄소 부분을 가지는 철-탄소 합금(Fe-C alloys)은 검사된다. 티타늄 합금 및 니켈 합금의 경도 값은 구형 롤링(rolling) 및 샌드블래스팅(sandblasting )에 의한 표면 경화로 검사 샘플에서 나타난다. 회귀 직선(regression straight line)은 대조 샘플보다 미리 기계적으로 측정된 경도 값 HV2 및 실행된 경도 측정 후에 반점에서 결정된 반점 확산률 K 값의 도움으로 결정되는 물질로 두 합금 및 검사된 각 강철(steel)로 계산된다. 회귀 직선(regression straight line)의 매개 변수는 각 검사된 강철 및 합금에 대한 각각의 다이어그램으로 도 7에 추가된다. 검사된 강철 구조의 경도 및 니켈 합금 및 티타늄 합금의 표면 경도는 반점 확산률 K 및 회귀 매개 변수에서 재 계산에 의해 결정된다. 도 7은 경도 측정(원형) 및 교정(파선(dashed line))으로부터 계산된 경도의 실험값의 상관 관계를 나타낸다.
또한 다공성의 결정은 도 1에 나타낸 순서도에 따라 일어난다.
구성 요소 또는 검사될 샘플의 표면 조사(irradiation)는 경도 측정 아날로그로 이뤄진다. 조사 표면 영역의 크기는 각각의 물질 또는 복합 물질에 적용될 수 있다. 조사 표면은 거친 구조 물질보다 더 클 수 있고, 작은 입자 또는 기공을 가지는 섬유 표면 보다 큰 입자 또는 기공을 가진다.
또한, 열 활성화는 경도의 결정에서 미리 설명된 대로 실행될 수 있다.
결과는 경도 측정 아날로그로 나타낸다. 이러한 측면으로, 재료의 다공성에 대한 반점 확산률 K 양의 교정이 발생한다. 재료의 다른 다공성의 정량 분석(quantitative evaluation)은 다른 측정 방법을 사용하여 결정된 다공성에 대한 반점 확산률 K에서 계산된 값의 교정에 의해 가능하다. 이것에 대한 적절한 방법은 예를 들어:
- 기하학적 샘플의 볼륨(volume) 및 무게의 기하학적 결정.
이러한 방식으로 결정된 밀도 r로, 관계
는 절대적인 고밀도 물질(dense material)의 밀도로 r0 에서 다공성 F 를 결정하기 위해 사용될 수 있다.
-"아르키메데스의 원리(Archimedes' principle)"를 따른 결정.
-영상 평가에 의한 금속 조직학적 횡단도(metallographic cross-sections)를 사용여 다공성, 특히 폐당공성(closed porosity)의 결정.
반점 확산률 K의 양을 가지는 다공성 교정에 대한 예는 도 8에 나타낸다. 반점 확산률 K의 값은 다공성의 증가로 감소한다. 본 발명에 따른 방법은 다른 다공성을 가지는 발포 알루미늄(aluminum foam) 구조 및 2 구리 섬유 구조에서 이러한 예로 실행된다.
또한 구성요소/샘플의 표면에서 가변 기계적 응력은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 또한 도 1의 순서도(flowchart)는 이러한 목적을 위한 방법의 실행 순서를 보여준다. 경도 결정 및 다공성 결정 달리, 열 활성화(thermal activation)는 또한 여기서 열 활성화와 결합하여 사용할 수 있는 후자 또는 기계적 활성화로 대체 될 수 있다. 기계 응력 결정에 대한 측정 절차는 활성화(activation)/여기(excitation)의 유형에 따라 다를 수 있다. 이러한 측면에서, 힘은 조사 표면 영역의 간격에 따라 구성요소 또는 샘플 에서 작동 할 수 있다. 이는 항상 검출을 위해 불충분한 기계적 응력 차이는 오직 열 활성화에 의해 달성될 수 있는 경우가 있다. 인장력(Tensile force)은 바람직하게 작동할 수 있다. 또한 이런 인장력 또는 압축력(compressive force)은 측정 작업(measurement task)에 따라 대안의 작동력(acting forces)으로 구성요소/샘플에서 일정하게 유지되거나 또한 맞물린다.
샘플 표면의 변화는 기계적인 힘 작용(부하(load)) 또는 온도 변화의 결과로 발생한다. 반점 확산률 K(t)은 시간에 따른 변화를 검출하는 방정식(4)에 따라 계산된다. 상수가 이제 시간 t까지 시작 시간에서 통합 되는 경우, 응력 △σ(t,R) = σ(t,R) - σ(to,R) = △σ(t) + δσ(t,R)에서 변화는 방법 △T(t,R) = T(t,R) - T(to,R) = △T(t) + δT(t,R)에서 가변 온도의 지식으로 계산되며, △σ(t) 및DT(t)는 측정 영역(엔지니어링 응력(engineering stresses)) 및 온도에 대하여 연관된 응력이다; 응력 및 온도의 변동은 δσ(t,R) 및 δT(t,R)로 검출된다. 필요한 결정 방정식의 유도는
방정식 (4)에서 먼저 얻어지고, 방정식(4)를 따라 값 C는 응력 및 온도의 국부 변동을 포함하며,
(
-평균 시간 값)의 시간 변동 부분이 고려된다.
평가 기준 C는 시간 차 Dt = t-to를 곱한 상수로 대체할 수 있는 추가 평가를 위해 계속 가정될 수 있다. 결과로, 방정식(7)은 다음과 같이 요약될 수 있다.
여기서 E는 평균 E 모듈이며, a는 열 팽창의 평균 계수이다. 값 A, B 및 C는 먼저 알려지지 않으며, 적합한 방법으로 결정된다. 만약 하나가 방성식(8)의 알려진 온도 변화 
를 가지는 시간 의존형 반점 확산률 
에서 응력 변화 
를 결정하기를 원하는 경우, 적합한 형태로 전환된다 :
P1, P2 및 P3는 교정 시험(calibration trial)에 의해 결정될 수 있는 새로운 매개변수로 유도된다. 이러한 목적으로, 예를 들어 인장 또는 벤딩(bending) 시험에서 주어진 참조 응력 및 온도는 광학 측정 위치에서 필요로 한다.
교정의 결과는 도 9에서 나타난다. 기계적 응력 결정은 높은 강도 건설용 강철(construction steel) S355의 응력 검사 동안 실행된다.
또한 물질의 손상 또는 피로(fatigue)는 본 발명에 따른 방법의 실행으로 사용할 수 있는 측정 구조를 사용하여 추가적으로 결정될 수 있다. 변형 구조의 프랙탈 작용은 소성 변형(plastic deformation) 또는 반복 변형(cyclic strain)으로 발생하는 물질 손상을 평가하기 위해 사용될 수 있다. 변형 구조는 물질 표면에서 피로 동안 형성되며 예를 들어, 원자 현미경을 사용하여 측정될 수 있고, 형성되는 표면 지형(surface topographies)에서 "메조구조체"를 나타낸다.
또한 실행은 경도, 다공성 및 기계적 응력의 결정의 매우 큰 아날로그(analog)이다. 검출된 반점 확산률 K는 결정되지 않고 평가에서 고려되지 않는다.
열 팽창은 여기서 경도 결정 그러나 또한 기계적으로 기계적 응력의 결정에서 아날로그로 수행될 수 있다.
"메조구조체"는 피로의 시간 경과를 통해 다른 크기로 나타나는 확률 또는 불규칙 구조이다. 이 특성이 프랙탈(fractal) 분석의 대상이 되는 경우, 크기 작용은 특성화될 수 있으며 따라서 또한 물질의 손상 또는 피로 상태가 결정될 수 있다.
높이 Z(r)를 가지는 표면 지형(surface topographies)은 위치 함수이다. 위치 벡터(position vector)의 크기 r은 r = (x,y)이 측면 참조 단계인 r→λr을 따라 변화되는 경우, 변환은 자기 유사형 프랙탈 구조(self-similar fractal structures) Z(r)을 가지는 시스템에 대한 아래의 스케일 원리에 따라 구성된다:
매개 변수 λ는 임의의 크기 매개 변수이다. 부분 차원(fraction dimension) DF는 보통 매개 변수 H 대신 사용된다. 1 < DF < 2는 일차원 함수로 적용된다. 방정식(10)의 크기 작용은 전체 공간 또는 영구히 이상적인 또는 수학적 프랙탈(mathematical fractals)에 대한 규칙으로만 만족된다. 대조적으로 물리적 프랙탈은 제한된 영역에서만 크기 작용을 가지며, 그러나 상기 크기 작용은 "측정 영역"에서 구조를 특징화 하기 위해 사용될 수 있다. 상관 함수는 크기 작용에 대한 측정 매개 변수의 수학적 분석에 적합하다. 다른 상관 함수는 2차원 신호의 평가에 의해 사용될 수 있다.
조건 <...>는 이점에 대하여 고정된 값 τ에서 전체 측정 시간 t를 통한 평균이다. 지수 q는 예를 들어, 제한 값 형성 I/q →0으로 유도 단위의 임의 외란(disturbances)인 Z(t)에서 제거되는 다른 양을 허용한다. 프랙탈 작용의 경우, 방정식(11)에서 다음과 같다
방정식(12) 및 관계는
"프랙탈 차원-DF"의 크기를 결정하기 위해 사용된다. 물질의 손상 상태 또는 피로 상태는 결정 값 DF을 사용하여 결정될 수 있다.
방정식(14)를 따라 검출된 반점 강도의 통합된 강도 신호 IS는 프랙탈 분석(fractal analysis)으로 사용될 수 있다.
여기서 nmax는 어레이 배열에 의해 제시간에 순차적으로 검출된 비디오의 영상 개수이며, 시간 의존성을 나타낸다. Sn,i,j는 nth 영상에서 반점 강도 신호의 그레이 값(gray value)이고, 여기서 i 및 j는 반점 패턴(speckle patterns)에서 픽셀의 좌표이다. 
는 ith 및 jth 픽셀에서 반점 강도 신호의 그레이 값 시계열(time series)의 평균 값이다. 강도 신호 시계열의 통합은 프레임 가열(flame heating)에 공기 대류와 같은 간섭 신호를 표시하지 않는다.
으로 정의된 방정식(9)에 따라서 상관 함수 차 C는 데이터열 IS로 계산될 수 있고, 여기서 τ는 시간 오프셋(time offset)에 대응한다. 프랙탈 작용은 방정식(10)에 따라 기술되며, 프랙탈 차원은 방정식(11)에서 계산된다.
응력 사이클(stress cycle)(N)의 수에 따라 표시된 DF 값의 프로파일(profile) 은 샘플의 피로 상태를 평가한다. 도 10에서 스케치(sketch)는 증명에 대하여 제공된 응력 사이클 수의 증가를 가지는 상승하는 단형 작용(step-shaped behavior)을 보여준다.
상당한 성장 피로를 가지는 프랙탈 차원 DF의 안정기(plateaus)는 검사된 물질 변형 구조의 다른 크기 작용과 연관될 수 있다. 유사한 절차는 필수 구성 요소 의 지속적인 모니터링(monitoring) 다음에 있을 수 있다. DF는 규정된 시간 간격에서 같은 절차대로 결정된다. 손상 상태는 검사 동안 프랙탈 차원 DF의 크기로부터 결정된다.
본 발명에 따른 방법은 로버스트(robust), 다른 어플리케이션 목적으로 쉽게 시행될 수 있는 저렴한 광학 구조를 사용하여 비접촉 방식으로 수행될 수 있다. 달성 가능한 공간 해상도(spatial resolution)는 예를 들어, 매크로 범위(macro range) 내 및 최대 매크로 범위 레이저 빔의 초점의 크기인 조사 표면의 크기 다양화에 의해 좌우된다.
표면 거칠기의 영향 없이 발생한다. 이것은 적어도 무시할 수 있다. 이것은 또한 한계 요인과 기하학적 요소의 영향으로 적용된다.
불활성 기체 분위기 없이, 또는 진공 조건 없이 측정의 실행을 필요로 한다.
측정은 광학적 불투명 표면 및 비 이상적 반사 표면에서 수행될 수 있다.
광학적 투명 물질은 코팅으로 측정에 접근이 가능할 수 있다.
또한 측정은 온라인 기능에 따라서 2차 증가에서 증가된 온도로 실행될 수 있다. 사용할 수 있는 방사선원(Radiations sources)은 예를 들어, 전자기 방사선(electromagnetic radiation)의 가시광선 스펙트럼(the visible spectrum)에서 방출된 적용된 파장 또는 비교할만한 소스를 가지는 레이저이다.
단순한 CCD 카메라는 적당한 검출기와 어레이 배열(array arrangement)로 저렴하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 절차는 도 1의 순서도의 형태로 나타낸다.
도 2는 국소 열 및/또는 기계적 활성화를 가지는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 구조의 도식적 표현이다. 이러한 측면으로, 간섭 전자기 방사선(1) 조사는 45°각도에서 샘플(2) 표면의 조사 영역(2.1)으로 레이저 광원(laser source, 1.1)이 예로서 이동은 샘플(2)의 표면에서 발생한다. 광학 렌즈(optical lens, 1.2)는 조사 영역(2.1) 표면 크기의 빔 정형(beam shaping) 및 영향에 대하여 빔 경로에서 배열된다.
열 활성화는 조사 표면 영역(2.1)의 간격에서 발생한다. 이러한 측면에서, 샘플(2)의 물질은 가열되며, 열 전도도에 의하여 표면(2.2)에서 시작하는 표면 변화 및 이것은 또한 조사 표면 영역(2.1)에서 발생한다.
이러한 측면으로 조사 표면 영역(2.1)은 CCD 카메라의 부분적 또는 완전한 영상 이고, 광학 검출기(3)의 어레이 배열의 예로, 표면 위에 배열된다. 조사 표면(2.1)에서 반점에 의해 광학적으로 검출 가능한 강도를 가지는 영상의 검출은 시간 해상도 및 공간 해상도의 측면에 따라 발생한다. 따라서, 조사 표면 영역(2.1)에 의해 방출되는 전자기 방사선 각각의 강도, 즉 동시에 검출된 반점 패턴은 다른 위치에서 검풀되며, 평가는 같은 위치 좌표 강도 값을 가지는 각각의 같은 위치에서 나중에 검출된 측정 강도 값으로 실행될 수 있다.
CCD 카메라(3)는 이러한 측면으로 초당 적어도 10 프레임, 특히 초당 25 프레임의 영상 검출 속도를 가진다.
405 nm, 633 nm 및 1064 nm의 파장을 가지는 세 개의 다른 레이저 광원에 의해 방출되는 전자기 방사선 조사의 일반적인 반점 영상은 도 4에 나타낸다. 이러한 영상은 픽셀 주파수(pixel frequency) 25MHz; 초당 10프레임 속도, 노출 시간 50ms; 최적화 없이 영상 설정:과 동일한 카메라 설정을 가지는 빠른 CCD 카메라로 촬영된다.
극소 가열 하 샘플 표면의 열 활성화 동안 반점 패턴 변화의 도식적 표현은 도 5에서 볼 수 있다. 열 활성화는 표면(2.2)의 조사에 의해 실행된다. 633 nm의 파장을 가지는 방사선을 방출하는 헬륨-네온(He-Ne) 레이저는 조사 표면 영역(2.1)의 조사를 위해 사용된다. 조사 표면 영역은 CCD 카메라의 100 * 100 픽셀의 영역을 가진다.
조사 표면 영역에 의해 방출된 전자기 방사선의 검출은 픽셀 주파수(pixel frequency) 25MHz; 초당 5 프레임 속도, 노출 시간 50ms; 최적화 없는 영상 설정과 같은 설정을 가지는 CCD 카메라로 발생된다.
본 발명에 따라 결정된 반점 확산률 K에 의해 검사된 물질의 경도 의존성은 도 6에 나타낸 다이어그램을 사용하여 인식될 수 있다.
반점의 결과로 조사 표면 영역(2.1) 표면에 의해 방출된 전자기 방사선의 검출은 245 MHz의 픽셀 주파수, 초당 50프레임의 영상 검출 속도, 노출 10 ms 의 설정을 가지는 CCD 카메라를 사용하여 발생한다. 헬륨-네온 레이저는 조사 표면 영역(2.1)의 조사를 위해 사용되며, 레이저는 0.5 s의 시간을 통해 2W의 에너지에서 1064 nm의 파장을 가지는 전자기 방사선을 방출하며, 이것이 표면(2.2)으로 향하여서 열 활성화를 위해 사용된다.
이러한 상황은 간단한 건설용 강철 및 니켈 합금 및 티타늄 합금을 가지는 기계적으로 조정된 표면 레이저를 위해 재생된다. 이러한 측면에서, 그들은 비 합금 표면 경화 강철(non-alloyed case-hardened steel) 및 열처리 강철(heat-treatable steel) C35 및 C60 및 스프링 강철(spring steel) C75이다. 크롬(인코넬(INCONEL))을 포함하는 니켈 기반의 합금 및 티타늄 합금 Ti6 Al4 V 은 검사된다.
아날로그 경도, 도 8에 따른 다이어그램은 반점 확산율 K 및 다른 물질에 대한 다공성 사이의 관계를 보여준다. 이는 물질의 두 플레이트 및 구리 섬유 구조의 두 샘플(2) 사이의 발포 알루미늄(aluminum foam)(AlCuZn)의 샘플(2)로 이루어진다. 섬유 구조(1)는 물질 구리(Cu) 99.9로 형성되며, 섬유 구조(2)는 물질 구리-E(Cu-E)99.9로 형성된다. 또한 이들은 두 위상 사이에 배열된다. 측정은 위상 사이에서 실행된다.
플레임(flame)은 표면에서 도달된 80℃의 온도 까지 열 활성화를 위해 3s의 간격을 거처 표면(2.2)으로 이동한다.
광학 검출은 도 6에 대하여 이미 지명된 매개변수를 사용하여 실행된다.
도 9는 반점 확산율 K 및 기계적 응력의 의존도을 나타내기 위한 것이다. 이러한 측면으로, 기계적 활성화는 인장력을 가지며, 동시에 플레임을 가지는 열 활성화는 표면에 도달되는 180℃의 표면 온도 및 3s의 간격을 거처 표면(2.2)으로 이동된다. 이러한 측면으로 인장력은 평면 시편의 양쪽 끝에 맞물린다. 만들어진 기계적 응력의 크기는 따라서 x축 방향 값의 각 경우에 대응한다: 인장력은 기계에서 직접 설정된다.
매개변수는 조사 표면 영역(2.1)의 조사 및 도 6 및 도 8에 따른 예를 갖는 검출을 위하여 다시 선택된다. 검사된 샘플(2)은 높은 강도 건설용 강철 H52로부터 형성된다.
프랙탈 차원 DF에 의한 응력 사이클 N 수의 이론상 및 비 접촉식으로 결정가능한 의존도는 도 10에 나타낸다.
Claims (11)
- 반점 광도 측정법(speckle photometry)을 사용하여 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법으로서,
간섭 전자기 방사선(1)은 구성 요소 또는 샘플(2)의 표면 영역의 규정된 입사각으로 유도되며,
조사(irradiation)에 의해 조명된 표면 영역(2.1)은 광학 검출기(3)의 적어도 2차원의 어레이 배열(two-dimensional array arrangement)에 이미지화 되고,
열 및/또는 기계적 활성화는 조사 표면 영역 간격의 영역(2.2)으로 구성요소 또는 샘플(2)에서 수행되며;
조사의 결과로 표면에 의해 방출되는 반점 전자기 방사선(speckle electromagnetic radiation, 4)은 시간 해상도 및 공간 해상도를 가지는 어레이 배열(3)에 의해 검출되며, 반점 확산율(speckle diffusivity) K가 이로 인해 결정되고;
각각의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력은 결정된 반점 확산율 K 및 각각의 물질 또는 복합 물질에 대한 다른 측정 방법을 미리 사용하여 결정된 참조 값을 사용하여 결정되는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항에 있어서,
방사선의 결과로 표면에 의해 방출된 반점 전자기 방사선의 강도는 시간에 따라 적어도 두 점에서 결정되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
공간적 해상도 결정(spatially resolved determination)은 구성요소 또는 샘플(2)의 표면의 평면에서 적어도 2차원으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
열 전도도는 반점 확산율 K에서 결정되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
반점 확산율 K의 절대량이 결정되며, 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 결정을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
공간적 해상도 결정은 조사 표면 영역(2.1)에 대한 어레이 배역(4)의 규정된 이동으로 구성요소 또는 샘플(2)의 평면인 표면에서 적어도 3차원으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
다른 파장을 가지는 간섭 전자기 방사선(1)이 사용되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
경도, 다공성 및 기계적 응력의 결정은 반점 확산율 K 및 다른 측정 방법을 사용하여 결정된 참조 값에 대한 회귀(regression)로 결정되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
열 및/또는 기계적 활성화는 계속적으로 또는 펄스 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
전자기 방사선(1)은 구성요소 또는 샘플(2)의 표면에 대하여 45°± 20°의 입사각으로 조사 표면 영역에 유도되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법. - 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
전자기 방사선(1)은 평행화 방식(collimated manner)으로 구성요소 또는 샘플(2)의 표면에 유도되는 것을 특징으로 하는, 물질 또는 복합 물질의 경도, 다공성 및/또는 기계적 응력의 비접촉식, 비파괴 결정에 대한 방법.
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