WO2019132123A1 - 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치 및 방법 - Google Patents

테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치 및 방법 Download PDF

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WO2019132123A1
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terahertz
composite structure
scanner
inspection
terahertz beam
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PCT/KR2018/003728
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강래형
한대현
강명철
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전북대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for inspecting defects and film thicknesses of a composite structure having a three-dimensional structure using a non-destructive non-contact method using a terahertz wave.
  • Nondestructive inspection is very important and essential as a technological field which is actively used throughout the industry, and various researches and developments are actively performed. For example, in the case of laser ultrasonic technology, ultrasonic waves due to local thermal expansion occur when a laser beam is irradiated on the surface of a test specimen, thereby performing a nondestructive inspection. These techniques are widely used for non-destructive testing of general planar structures.
  • the surface is painted, and the necessity of measuring the thickness of the coating film and acquiring information about the defect of the internal structure is gradually increasing. Therefore, the technique of measuring the shape of the outer surface of the object to be inspected, Techniques for measuring shapes and internal shapes are also being developed in a variety of ways. For example, imaging such a single-layer structure using X-rays to visualize internal defects in a structure, detecting an object in a box, detecting internal defects, and the like.
  • the precondition for the measurement of such objects is that it should be possible to fully measure non-contact non-destructive methods and, if possible, inspect in such a way as to ensure the safety of the inspector.
  • the non-destructive non-contact inspection technique is to analyze and visualize signals obtained by transmitting various kinds of waves through the object, and inspection techniques using X-rays, ultrasonic waves, electro-magnetic waves, infrared rays, have.
  • inspection techniques using X-rays, ultrasonic waves, electro-magnetic waves, infrared rays have.
  • the ultrasound transmitted through the object is irradiated with ultraviolet rays, and the reflected and reflected energy varies depending on the type of the object to be transmitted and the type of defect, Can be obtained.
  • Terahertz wave generally refers to an electromagnetic wave having a frequency of 0.1-10 THz located between infrared and radio waves.
  • Tera-Hertz waves can penetrate non-polar materials such as ceramics, plastic, and semiconductors that are difficult to transmit visible light and near-infrared rays, and thus can be applied to non-contact, non-destructive transmission imaging .
  • a perspective image obtained using ultrasound and X-ray as described can only acquire a two-dimensional (perspective) image of the X and Y planes of a three-dimensional object.
  • data obtained by varying the angle of the projection image of the X-ray, reconstructing the images, and using a difference in optical agreement with computed tomography (CT) Optical coherence tomography (OCT), etc. have been commercialized and used.
  • CT computed tomography
  • OCT optical coherence tomography
  • Ultrasonic tomography method has been attempted to obtain ultrasound on the surface of a structure to obtain a reflected signal of the signal proceeding in the depth direction, reconstruct it, and obtain a tomographic image.
  • depth-based tomography information-based imaging technology using terahertz has excellent permeability to various materials other than metal, and is harmless to human body unlike X-ray, has high spatial resolution compared to ultrasound, It is possible to realize a three-dimensional shape by deepening the penetration depth.
  • a three-dimensional image using a terahertz is a reflection geometry type, and a time-averaged time-of-flight (TOF) using a time difference between a reflected THz wave radiated from an emitter and reflected back from the surface of the object to be inspected, Of-Flight) technique can be used to obtain depth direction information.
  • TOF time-averaged time-of-flight
  • Of-Flight Of-Flight
  • the three-dimensional shape information can be obtained by analyzing the signal of the terahertz wave reflected from the surface to be inspected.
  • the curvature is extremely large, the signal is difficult to collect depending on the incident angle. There is a need to improve this problem.
  • the present invention provides a terahertz wave-based composite structure non-destructive contactless inspection method capable of more accurately and effectively detecting tomographic information of a composite structure using a three- Apparatus, and method.
  • a method for measuring a three-dimensional shape of a composite structure comprising the steps of collecting three-dimensional shape information of the composite structure, irradiating a pulsed THz beam with the three- A terahertz scanner for detecting an image; A multi-joint robot for mounting the terahertz scanner and three-dimensionally moving the terahertz scanner based on an inspection path; And calculating the inspection path of the articulated robot based on the three-dimensional shape information of the composite structure, and detecting and visualizing film thickness and internal defects of the composite structure based on the terahertz beam detected through the terahertz scanner Non-destructive contactless inspection apparatus based on a terahertz wave.
  • the terahertz scanner comprises: a terahertz beam generator for emitting the terahertz beam; A terahertz beam detector for detecting the incident terahertz beam after being reflected from the composite structure; A beam splitter for transmitting the terahertz beam emitted by the generation unit, and transmitting the terahertz beam reflected by the composite structure to the detection unit; And a three-dimensional camera for obtaining three-dimensional shape information of the composite structure.
  • the detector includes at least two beam detectors and is configured to simultaneously receive a terahertz beam reflected at the surface of the composite structure through the at least two beam detectors and a terahertz beam reflected after transmitting the composite structure .
  • control unit is configured to determine a first time of incidence of the terahertz beam reflected at the surface of the composite structure, a second time of incidence of the terahertz beam reflected at the coating of the composite structure, a second incidence time of the terahertz beam reflected at the defect location of the composite structure
  • a third incidence time and a fourth incidence time of the terahertz beam reflected from the bottom surface of the composite structure are calculated and then a coating film thickness is calculated based on a time difference between the first incidence time and the second incidence time, Calculating a defect position based on a time difference between the first incidence time and the third incidence time, and calculating a bottom thickness based on a time difference between the first incidence time and the fourth incidence time.
  • the controller may calculate X, Y, and Z values for maintaining the focal length of the terahertz scanner constant for the composite structure based on the three-dimensional shape information of the composite structure, And calculates the inspection path composed of Rx, Ry and Rz values for keeping the incidence direction of the beam constant.
  • the articulated robot includes a robot arm having the terahertz scanner attached thereto; And a robot controller for moving the robot arm in six axes according to X, Y, Z, Rx, Ry, and Rz values of the inspection path provided by the control unit.
  • the apparatus further comprises a laser generation unit for generating a pumping laser having a pulse width of femtoseconds and providing the pumping laser to the generation unit.
  • the apparatus further includes a delay unit for delaying the pumping laser by a predetermined time and providing the pumping laser to the detection unit so that the detection unit can detect a terahertz beam having a period.
  • a non-destructive contactless inspection apparatus comprising a multi-joint robot for supporting three-dimensional movement and a terahertz scanner attached to the multi-joint robot,
  • a non-destructive non-contact inspection method for a composite structure comprising: calculating an inspection path based on three-dimensional shape information of a composite structure; A step of irradiating a pulsed terahertz beam to the composite structure through the terahertz scanner while moving the terahertz scanner along the inspection path through the articulated robot and then detecting a terahertz beam reflected from the composite structure ; And detecting and visualizing coating thicknesses and internal defects of the composite structure based on the terahertz beam detected through the terahertz scanner.
  • the present invention also provides a non-destructive non-contact inspection method for a composite structure based on a terahertz wave.
  • the noncontact inspection apparatus and method of the present invention can obtain a three-dimensional image of an object to be inspected by using a pulse-type terahertz wave, apply a three-dimensional camera and a articulated robot to protect a three- The thickness of the coating film and the defects of the internal structure are acquired, thereby solving the problems inherent in the existing nondestructive inspection technology.
  • a pulse-type terahertz wave which can cause damage of living tissue
  • stability of object is secured and stability is greatly improved.
  • Hertz waves can efficiently transmit or reflect, enabling deeper depth information to be detected, and the spatial resolution is much better and the thickness of the coding layer can be detected with a thin film thickness.
  • the present invention it is possible to inspect three-dimensional shape inspection, internal defect inspection and visualization using a robotic arm and a three-dimensional camera and to check the thickness of a coating applied to protect the structure.
  • the present invention obtains information in the depth direction in a reflection-type manner using a pulsed spatially-terahertz beam, which is achieved by a transmission-type three-dimensional image acquisition method using a terahertz beam, There is no need to acquire a transmission image at a large number of angles in comparison, so that there is a great effect that the scanning time can be increased quickly.
  • the present invention can change the beam irradiation position and angle on a two-dimensional plane by changing the irradiation angle and direction of the pulsed wave terahertz beam while fixing the object.
  • the beam irradiation position change range and the surface curvature of the inspection object are not constant, the signal of the reflected terahertz beam can be efficiently measured, and the constraint problem of the inspection object can be solved.
  • the scanning method using the pulsed spatula Hertz beam and the articulated robot arm of the present invention has the effect of detecting the shape of the structure which is not movable, the surface inclination is not constant, and the internal defect can be visualized.
  • a terahertz scanner can be miniaturized by using a beam splitter based on a movable terahertz scanner by combining a laser generator, a terahertz generator, and a detector using an optical fiber cable, have.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a terahertz wave based composite non-destructive contactless inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a beam splitter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining a three-dimensional movement of a robot arm according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining a non-destructive noncontact inspection method of a composite structure based on a terahertz wave according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining a non-destructive noncontact inspection principle of a composite structure based on a terahertz wave according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a composite structure to which a non-destructive non-contact inspection method for a composite structure based on a terahertz wave according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 7 is a view showing terahertz wave data in a time domain obtained in the non-destructive noncontact inspection of the composite structure of FIG. 6.
  • FIG. 8 is a view showing a non-destructive noncontact inspection image of the composite structure of FIG.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a terahertz wave based composite non-destructive contactless inspection apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the non-destructive noncontact inspection apparatus of the present invention collects three-dimensional shape information of a three-dimensional composite structure, irradiates a pulsed terahertz beam with a three-dimensional composite structure T,
  • a multi-joint robot 20 for mounting a terahertz scanner 10 for detecting a terahertz beam reflected from a terahertz scanner 10, a three-dimensional robot 20 for three-dimensionally moving a terahertz scanner on the basis of an inspection path, (T) based on the terahertz beam detected through the terahertz scanner (10), based on the three-dimensional shape information of the three-dimensional composite structure (T)
  • a control unit 30 for detecting a coating thickness, an internal defect, a bottom surface depth, and the like.
  • the terahertz scanner 10 includes a terahertz beam generator 11 that emits a terahertz beam, a terahertz beam generator 11 that detects a terahertz beam reflected from the three-dimensional composite structure T,
  • the terahertz beam emitted from the hertz beam detecting unit 12 and the terahertz beam generating unit 110 is transmitted through the terahertz beam detecting unit 12 and the terahertz beam reflected from the three- A splitter 13, and a three-dimensional camera 14 for collecting three-dimensional shape information of the three-dimensional composite structure T, and the like.
  • the terahertz beam generator 11 of the present invention can use the principle of a photoconductive antenna.
  • a laser having a femtosecond pulse width is irradiated between electrodes formed on the semiconductor surface inside the terahertz beam generating portion 11, electrons and holes generated by the laser light are generated.
  • the voltage is biased at both electrodes, the pair of electrons and holes accelerates to the electric field, and generates a THz wave proportional to the time derivative of the current generated while moving to both electrodes.
  • a terahertz wave can be generated by using a light rectification method and a semiconductor surface electric field.
  • the terahertz beam detecting unit 12 performs a reverse process of the terahertz beam generating unit 11 to detect the terahertz beam. More specifically, when a laser light source having a femtosecond pulse width is irradiated between both ends of an electrode formed on a semiconductor surface of a detector, photocarriers are formed. At this time, when a terahertz wave enters the detection unit 12, As the optical carrier is accelerated by the electric field of the Hertz wave, a minute current proportional to the pulse amplitude of the terahertz wave is generated and flows to both electrodes.
  • the terahertz beam detecting unit 12 may include only one beam detecting unit. However, the terahertz beam detecting unit 12 may include at least two beam detecting units, if necessary, and may reflect at least two beam detecting units on the surface of the three- Terahertz beam and a terahertz beam that is reflected after transmission through the three-dimensional composite structure (T).
  • T three-dimensional composite structure
  • the terahertz beam emitted from the terahertz beam generator 110 is transmitted through the beam splitter 13, and the terahertz beam reflected from the three-dimensional composite structure T is transmitted through the terahertz beam detector 12
  • a second optical path P2 for allowing the terahertz beam reflected by the focusing lens L to be transmitted to the terahertz beam detecting part 12.
  • the three-dimensional camera can be implemented with a TOF (Time of Flight) camera, a stereo camera, etc., which can acquire and provide the surface information (or depth information) of the three-dimensional composite structure T.
  • TOF Time of Flight
  • stereo camera etc.
  • the articulated robot 20 includes a robot arm 21 to which the terahertz scanner 10 is attached and a robot arm 21 which is movable in X, Y and Z planes, Rx, Ry And a robot controller 22 for three-dimensionally moving along the Rz rotation axis.
  • the robot arm 21 of the present invention has a structure that can be freely driven in the directions of X, Y, Z, Rx, Ry, and Rz as shown in FIG. 3.
  • the terahertz beam generator 110 of the terahertz scanner 10 The terahertz beam detecting unit 12, the beam splitter 13, and the three-dimensional camera 14 must be secured at the same time.
  • the control unit 30 includes a data preprocessing unit for amplifying the photocurrent output from the terahertz beam detecting unit 12 to increase the signal to noise ratio and then converting the amplified photocurrent into an analog signal in the form of a voltage value 31), a data collecting unit 32 for converting an analog signal of the data preprocessing unit 31 into a digital signal, and a control unit 32 for determining, based on the three-dimensional shape information of the three-dimensional composite material T obtained by the three- After the inspection path of the articulated robot 20 (in particular, the attached robot arm 21) is calculated, the terahertz scanner 10 reads the digital signal of the data acquisition unit 32 acquired while moving along the inspection path And a processor 33 for detecting and visualizing film thicknesses and internal defects of the three-dimensional composite structure T based on the three-dimensional composite structure T and the like.
  • a data preprocessing unit for amplifying the photocurrent output from the terahertz beam detecting unit 12 to increase the signal to noise ratio and then converting the amplified
  • the non-destructive noncontact inspection apparatus of the present invention includes a laser generating unit 40 for repeatedly generating a pumping laser beam having a femtosecond pulse width and providing it to the terahertz beam generating unit 11 and the delaying unit 50 of the terahertz scanner 10 ).
  • the pumping laser has a repetition rate with a pulse width of femtosecond.
  • it may have a wavelength of 1560 nm and a variation width of ⁇ 20 nm depending on the surrounding environment, and the pulse width of the laser should be smaller than 90 fs to generate a pulsed terahertz beam.
  • two lasers having the same performance are branched into two and oscillated or oscillated in one.
  • the pumping laser generated by the laser generator 40 is delayed by a predetermined time to be supplied to the terahertz beam detector 12 so that the terahertz beam detector 12 can detect the terahertz beam having one period
  • a delay unit 50 This can be realized by a driving unit of a linear, rotary, and tilting type.
  • the optical fiber is connected between the laser generating unit 40 and the terahertz beam generating unit 11, between the laser generating unit 40 and the delay unit 50, between the delay unit 50 and the terahertz beam detecting unit 12, So that the laser can be transmitted through the optical fiber. That is, in the present invention, a terahertz scanner is combined with a laser generator, a terahertz generator, and a detector using an optical fiber cable, and a beam splitter is applied based on a movable terahertz scanner, thereby making it possible to downsize the terahertz scanner.
  • FIG. 4 is a view for explaining a non-destructive noncontact inspection method of a composite structure based on a terahertz wave according to an embodiment of the present invention.
  • the controller 30 rotates the 3D camera 14 by 360 degrees about the 3D composite structure T through the articulated robot 20, and the 3D camera 14 rotates the 3D composite structure T) of the three-dimensional composite structure T is obtained and edited to construct three-dimensional shape information of the three-dimensional composite material structure T (S1).
  • the normal vector is extracted from the three-dimensional shape information so that the incident angle of the terahertz beam is the same regardless of the curvature of the three-dimensional composite material T and the terahertz scanner 10 is extracted from the three- (Step S2).
  • the inspection path of the present invention can be composed of X, Y, Z, Rx, Ry, and Rz values, and the X, Y, Z values can be used to keep the focal distance of the terahertz scanner constant for the three- Rx, Ry, and Rz values may be values for keeping the incidence direction of the terahertz beam irradiated on the three-dimensional composite structure constant.
  • the terahertz scanner 10 After the terahertz scanner 10 is positioned at the starting point of the inspection path through the articulated robot 20 in step S3 and the terahertz beam generator 11 of the terahertz scanner 10 receives the terahertz beam 3 Dimensional composite structure T and then reflected by the surface of the three-dimensional composite structure T through the terahertz beam detection unit 12 and the terahertz beam transmitted through the three-dimensional composite structure T And the terahertz beam which is reflected after being incident is detected (S4).
  • the terahertz beam transmitted through the medium is continuously propagated through the medium.
  • the terahertz beam Some parts can not go on and reflect again.
  • the present invention is based on the assumption that the time difference between the terahertz beam reflected from the surface of the three-dimensional composite structure T and the terahertz beam reflected after passing through the composite structure, and the transmission velocity V of the terahertz beam Or defective location of the defect.
  • the multi-joint robot 20 After confirming that the current inspection position is the end point of the inspection path (S6), if the current inspection position is not the end point of the inspection path, the multi-joint robot 20 is position-controlled based on the inspection path and the terahertz scanner 10 is next inspected Position (S7), and steps S4 to S6 are repeatedly performed.
  • the inner joint position and the coating film thickness calculation result are displayed on the three-dimensional shape information so that the user can visually confirm the result.
  • the depth information of the object to be inspected can be calculated at a specific position while the terahertz beam moves in the X and Y planes.
  • the X-, Y-, and Z- The three-dimensional shape of the object can be calculated.
  • the tomographic information of the object can be reconstructed completely by acquiring the tomographic information values (internal defect position, film thickness, depth, etc.) corresponding to the x, y, and z coordinates.
  • FIG. 6 illustrates a composite structure to which a non-destructive noncontact inspection method based on a terahertz wave is applied according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 illustrates a terahertz wave data obtained in non-destructive contactless inspection of a composite structure
  • 8 is a diagram showing a non-destructive contactless inspection image of a composite structure.
  • the composite structure shown in FIG. 6 is a glass fiber reinforced polymer (GFRP) specimen, and a dark gray portion of a rectangle is a Teflon film. Is a portion where a Teflon film is inserted between a glass fiber layer and a layer to form a release layer and a black square shape is also a structure in which a Teflon film is inserted between a glass fiber layer and a layer to form a release layer .
  • GFRP glass fiber reinforced polymer
  • the GFRP specimen was stacked with four sheets of plain weave fibers having a width of 150 mm, a length of 150 mm, a thickness of 0.8 mm and a thickness of 0.2 mm.
  • the glass fiber layer from the surface to the bottom surface of the GFRP specimen is referred to as a first layer to a fourth layer, a rectangular, T and square peeling between the first layer and the second layer, H and quadrangular delamination between the third and fourth layers, and a rectangular, Z and square delamination between the third and fourth layers.
  • rectangular and square strips were made between the first and second layers and between the third and fourth layers.
  • the length of the pulse signal measured by transmission reflection of the terahertz wave GFRP specimen was measured at the same point of 80 ps at every point of x, y and moving in 0.5 mm increments.
  • the terahertz waves radiated from the GFRP specimen are reflected by the surface of the GFRP specimen and the first to fourth glass fiber layers, respectively, and have different time delay values as shown in FIG.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a reconstruction of a three-dimensional tomographic image in which a terahertz wave data obtained in the time domain is signal-processed and the depth and direction of the defect are identified by varying the depth direction as a result of the visualization of the X and Y planes.

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Abstract

본 발명은 3차원 움직임이 가능한 다관절 로봇을 이용하여 복합재 구조물의 단층 정보를 보다 정확하고 효과적으로 검출할 수 있도록 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치 및 방법에 관한 것으로, 이는 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 수집하고, 펄스형 테라헤르츠 빔을 3차원 복합재 구조물로 조사한 후 상기 복합재 구조물로부터 반사되는 테라헤르츠 빔을 검출하는 테라헤르츠 스캐너; 상기 테라헤르츠 스캐너를 장착하고, 검사 경로 기반으로 상기 테라헤르츠 스캐너를 3차원적으로 위치 이동시키는 다관절 로봇; 및 상기 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 기반으로 상기 다관절 로봇의 검사 경로를 산출하며, 상기 테라헤르츠 스캐너를 통해 검출된 테라헤르츠 빔을 기반으로 상기 복합재 구조물의 도막 두께 및 내부 결함을 검출 및 시각화하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치 및 방법
본 발명은 테라헤르츠파를 이용하여 3차원 구조를 가지는 복합재 구조물의 결함 및 도막 두께를 비파괴 비접촉 방식으로 검사할 수 있도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
비파괴 검사는 산업계 전반에서 활발하게 이용되는 기술 분야로 매우 중요하고 필수적인 것으로서, 다양한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 일례로 레이저 초음파 기술의 경우, 검사시편 표면에 레이저를 조사할 때 국부적인 열팽창에 의한 초음파가 발생하여 비파괴 검사를 수행하게 된다. 이러한 기술은 일반적인 평면 구조물의 비파괴 검사를 위해 상용화되어 널리 사용되고 있다.
한편, 구조물의 부식을 방지하기 위해 표면에 페인팅을 하게 되는데 도막 두께의 측정과 내부 구조물의 결함에 대한 정보 습득의 필요성이 점차 증가하고 있어 검사대상의 외면의 형상을 측정하는 기술과 표면의 3차원 형상과 내부 형상을 측정하는 기술도 다양한 방식으로 개발되고 있다. 예를 들어, 구조물의 내부 결함의 가시화를 위해 X-선을 이용한 단층 구조를 영상화하여 검출하거나, 상자 안에 들어 있는 물체를 투시하거나, 내부의 결함을 검출하는 등과 같은 기술이 바로 그것이다. 이러한 대상물의 측정에 있어서 전제되어야 하는 것은 완전히 비접촉 비파괴 방식의 측정이 가능해야하고 더불어 검사자의 안전을 확보할 수 있는 방식으로 검사가 가능하면 더욱 좋다.
비파괴 비접촉 검사 기법은 다양한 종류의 웨이브를 이용하여 대상을 투과하여 얻어지는 신호를 획득하여 분석 또는 가시화를 하는 것으로서, X선, 초음파, Electro-magnetic파, 적외선 등을 이용한 검사 기법이 대표기술이 될 수 있다. 예를 들어 초음파를 이용한 비파괴 검사의 경우 초음파를 대상물에 조사하여 투과되어 나온 초음파는 투과되는 대상과 결함의 종류에 따라 흡수 반사되는 에너지가 달라져서 이를 이용하여 3차원 대상물에 대한 2차원 투영 또는 반사 영상을 얻을 수 있다.
테라헤르츠파는 일반적으로 적외선과 전파 사이에 위치하는 0.1-10테라헤르츠의 진동수를 갖는 전자기파를 의미한다. 테라헤르츠파는 가시광과 근적외선이 투과하기 힘든 세라믹, 플라스틱, 반도체와 같은 비분극성 물질을 잘 투과하는 성질을 가지고 있어 산업현장에서 다양한 제품의 내부를 볼 수 있는 비접촉, 비파괴 투과 이미징 기법으로 응용이 가능하다. 대표적인 예로 공항 검색대에서 여행객의 물건 또는 몸속에 숨겨진 무기류나 반입금지 물품이 존재하는지를 검사할 수 있다. 또한 X선과 달리 이온화가 발생하지 않아 생체 조직이나 DNA를 손상시킬 위험성이 적어 생물학적인 안전성이 보장된다.
한편, 기술한 바와 같인 초음파, X선을 이용하여 얻어진 투시 영상은 3차원 물체에 대한 X, Y 평면에 대한 2차원(투시) 영상만 획득할 수 있다. 3차원 물체에 대한 깊이정보 영상을 얻기 위해 X선의 투영 영상 각도를 다양하게 하여 데이터를 취득하고 이 영상들을 재구성하여 내부 단층 정보를 보여주는 CT(Computed Tomography, 컴퓨터 단층 영상)과 광학적인 일치도 차이를 이용한 OCT(Optical Cohernece Tomography, 광간섭 단층 영상) 등의 기술이 상용화되어 사용되고 있다. 초음파를 이용한 단층 촬영 방법은 구조물 표면에서 초음파를 발생하여 깊이방향으로 진행하는 신호의 반사 신호를 얻고 이를 재구성 하여 단층 영상을 얻는 방법도 시도되고 있다.
하지만, 일반적으로 CT 촬영 시에는 피폭의 문제로 안전성 확보가 어렵고 검사할 수 있는 시편의 크기 제약이 있고 각도를 달리하여 2차원 투시 영상을 얻어야 해서 검사하는데 소요되는 시간과 데이터를 처리하는데 소요되는 시간이 많이 요구된다. OCT의 경우 고해상도의 단층 정보를 얻을 수 있지만 단층 영상을 얻을 수 있는 깊이가 수 mm에 불과하여 망막과 같은 의학 분야에 제한적으로 사용되고 있는 한계가 있다. 또한 초음파의 복합재 구조물에서 감쇠가 심하고 x-y 평면에서 동일한 위치에 다층 결함이 있는 경우 정확한 깊이정보를 얻기 어려운 단점을 가지고 있다.
복합재료를 이용한 구조물의 사용량이 전 산업 분야에서 급속도로 증가하고 있는 상황에서 구조물은 안전하게 사용하기 위한 3차원 형상의 단층정보 기반 비파괴 검사 기술의 필요성이 높아지고 있으나, 기술한 바와 같이 현재까지 개발 및 사용되는 기술의 경우 사용하는 대상과 목적에 따라 한계를 보이고 있다. 이처럼 다양한 산업에서 사용되는 복합구조물 뿐만 아니라 반도체, 세라믹 등 부가가치가 높은 산업에서의 적용이 가능한 3차원 형상의 구조물 단층 영상 촬영 기반 영상 가시화 기술이 해결해야 할 과제는 검사 대상의 크기, 형상, 재질의 제한을 줄여 범용으로 사용 가능해야 하고 가장 중요한 점은 안전하고 높은 해상도를 갖는 3차원 형상의 구조물을 검사할 수 있는 기술이다.
위에 기술한 다양한 기술 중에서 테라헤르츠를 이용하여 깊이방향 단층정보 기반 영상화 기술의 경우, 금속을 제외한 다양한 재질에 대한 투과성이 우수하고, X선과 달리 인체에 무해하고 초음파에 비해 공간분해능이 높으며, OCT에 비해 투과 깊이가 깊어 3차원 형상을 구현할 수 있다.
테라헤르츠를 이용하여 3차원 영상은 반사형(Reflection geometry type) 방식을 사용하는데, 이미터(Emitter)에서 방사된 테라헤르츠파가 검사 대상의 표면에서 반사하여 되돌아오는 시간 차이를 이용한 TOF(Time-Of-Flight) 기법을 이용하여 깊이방향 정보를 획득할 수 있다. 이때 테라헤르츠파는 검사 대상의 표면에서 반사와 투과가 동시에 발생하고 구조물 내부로 투과된 테라헤르츠파가 결함 또는 매질이 변하는 경계면에서 반사, 투과가 반복적으로 발생하여 단층 정보를 획득할 수 있어 검사 대상 내부의 단층정보를 구현할 수 있다.
종래의 기술은 검사 대상 표면에서 반사되는 테라헤르츠파의 신호를 분석하여 3차원 형상 정보를 얻을 수 있지만, 극단적으로 곡률이 큰 경우 입사각도에 따라 신호 수집이 어려운 단점을 가지고 있고, 검사 시편의 크기의 제약이 발생하여 이 문제를 개선해야 할 필요성이 요구되고 있다.
이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 3차원 움직임이 가능한 다관절 로봇을 이용하여 복합재 구조물의 단층 정보를 보다 정확하고 효과적으로 검출할 수 있도록 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 수집하고, 펄스형 테라헤르츠 빔을 3차원 복합재 구조물로 조사한 후 상기 복합재 구조물로부터 반사되는 테라헤르츠 빔을 검출하는 테라헤르츠 스캐너; 상기 테라헤르츠 스캐너를 장착하고, 검사 경로 기반으로 상기 테라헤르츠 스캐너를 3차원적으로 위치 이동시키는 다관절 로봇; 및 상기 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 기반으로 상기 다관절 로봇의 검사 경로를 산출하며, 상기 테라헤르츠 스캐너를 통해 검출된 테라헤르츠 빔을 기반으로 상기 복합재 구조물의 도막 두께 및 내부 결함을 검출 및 시각화하는 제어부를 포함하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치를 포함한다.
상기 테라헤르츠 스캐너는 상기 테라헤르츠 빔을 방사하는 테라헤르츠 빔 발생부; 상기 복합재 구조물로부터 반사된 후 입사되는 테라헤르츠 빔을 검출하는 테라헤르츠 빔 검출부; 상기 발생부가 방사하는 테라헤르츠 빔은 투과시키되, 상기 복합재 구조물에 의해 반사된 테라헤르츠 빔은 상기 검출부로 전달하는 빔 스플리터; 및 상기 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 획득하는 3차원 카메라를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 검출부는 적어도 두 개의 빔 검출부를 구비하고, 상기 적어도 두 개의 빔 검출부를 통해 상기 복합재 구조물의 표면에서 반사되는 테라헤르츠 빔과, 상기 복합재 구조물을 투과한 후 반사되는 테라헤르츠 빔을 동시 수신하는 것을 특징으로 한다.
상기 제어부는 상기 복합재 구조물의 표면에서 반사된 테라헤르츠 빔의 제1 입사 시간, 상기 복합재 구조물의 도막에서 반사된 테라헤르츠 빔의 제2 입사 시간, 상기 복합재 구조물의 결함 위치에서 반사된 테라헤르츠 빔의 제3 입사 시간, 및 상기 복합재 구조물의 바닥면에서 반사된 테라헤르츠 빔의 제4 입사 시간을 계측한 후, 상기 제1 입사 시간과 상기 제2 입사 시간의 시간차를 기반으로 도막 두께를 산출하고, 상기 제1 입사 시간과 상기 제3 입사 시간의 시간차를 기반으로 결함 위치를 산출하고, 상기 제1 입사 시간과 상기 제4 입사 시간의 시간차를 기반으로 바닥면 두께를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제어부는 상기 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 기반으로, 상기 복합재 구조물에 대한 상기 테라헤르츠 스캐너의 초점 거리를 일정하게 유지하기 위한 X,Y,Z 값과 상기 복합재 구조물에 조사되는 상기 테라헤르츠 빔의 입사 방향을 일정하게 유지하기 위한 Rx,Ry,Rz값으로 구성되는 상기 검사 경로를 산출하는 것을 특징으로 한다.
상기 다관절 로봇은 상기 테라헤르츠 스캐너가 부착된 로봇 팔; 및 상기 제어부가 제공하는 상기 검사 경로의 X,Y,Z,Rx,Ry,Rz값에 따라 상기 로봇 팔을 6축 이동시키는 것을 로봇 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 장치는 펨토초 펄스폭을 갖는 펌핑 레이저를 발생하여 상기 발생부에 제공하는 레이저 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 장치는 상기 펌핑 레이저를 기 설정시간 지연시켜 상기 검출부에 제공하여, 상기 검출부가 한 주기를 갖는 테라헤르츠 빔을 검출할 수 있도록 하는 지연부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 3차원 움직임을 지원하는 다관절 로봇 및 상기 다관절 로봇에 부착된 테라헤르츠 스캐너를 구비하는 비파괴 비접촉 검사 장치의 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 방법에 있어서, 복합재 구조물의 3차원 형상 정보에 기반하여 검사 경로를 산출하는 단계; 상기 다관절 로봇을 통해 상기 테라헤르츠 스캐너를 상기 검사 경로에 따라 위치 이동시키면서, 상기 테라헤르츠 스캐너를 통해 펄스형 테라헤르츠 빔을 복합재 구조물로 조사한 후 상기 복합재 구조물로부터 반사되는 테라헤르츠 빔을 검출하는 단계; 및 상기 테라헤르츠 스캐너를 통해 검출된 테라헤르츠 빔을 기반으로 상기 복합재 구조물의 도막 두께 및 내부 결함을 검출 및 시각화하는 단계를 포함하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 방법을 제공한다.
본 발명의 비접촉 검사 장치 및 방법은 펄스형 테라헤르츠파를 이용하여 검사 대상물에 대한 3차원 영상을 획득하도록 하고, 3차원 카메라와 다관절 로봇을 적용하여 굴곡진 구조물의 3차원 형상과 이를 보호하는 도막의 두께 검출 그리고 내부 구조물의 결함을 획득하도록 함으로써 기존의 비파괴 검사 기술이 가지고 있는 문제점을 원천적으로 해결하는 효과가 있다. 즉, 생체 조직의 손상을 유발할 수 있는 X선 기술과 비교할 때 대상물에 대한 안전성이 확보되어 안정성을 크게 향상시켰고, 복합재 재료에서 감쇠가 심한 초음파 신호를 이용한 기술과 비교할 때 다층 결함이 발생 하여도 테라헤르츠 파가 효율적으로 투과 또는 반사를 일으켜 더 깊은 깊이 정보를 탐지할 수 있고, 공간분해능이 훨씬 좋아 박막 두께의 코딩층 두께 검출도 가능한 장점이 있다.
무엇보다도 본 발명에 의하면 표면 굴곡이 심한 형상의 검사대상도 로봇팔과 3차원 카메라를 이용하여 3차원 형상 검사 및 내부 결함 검사 및 가시화가 가능하고 구조물을 보호하기 위해 적용된 도막의 두께를 동시에 검사가 가능하도록 하는 큰 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 펄스파 테라헤르츠 빔을 이용하여 반사형 방식으로 깊이 방향의 정보를 획득하는데, 이는 종래의 CT 기술 또는 이와 유사한 방식인 테라헤르츠 빔을 이용한 투과형 3차원 영상 획득 방식과 비교할 때 수많은 각도에서의 투과 영상을 획득할 필요가 없다는 점에서 스캔 시간을 빠르게 할 수 있는 큰 효과가 있다.
또한 종래의 테라헤르츠 빔을 이용한 반사형 방식에서도 3차원 영상 획득 시 대상물을 2차원적으로 이동시켜가면서 2차원 평면상의 복수 지점에 대한 깊이 방향 정보를 획득하고 이를 종합하는 방식을 사용하였는데, 종래의 방식은 대상물을 물리적으로 이동시키는 과정에서 속도 및 검사 대상의 범위를 향상시키는데 한계가 있었다. 그러나 본 발명은 대상물을 고정한 채로 펄스파 테라헤르츠 빔의 조사 각도와 방향을 바꿈으로써 2차원 평면상에서의 빔 조사 위치 및 각도 변경이 가능하다. 이에 따라 빔 조사 위치 변경 범위 및 검사 대상의 표면 굴곡이 일정하지 않더라도 반사되어 오는 테라헤르츠빔의 신호를 효율적으로 계측할 수 있어, 검사 대상의 제약 문제를 해결할 수 있다.
또한 종래의 대상물의 물리적인 이동 동작으로 인한 정밀도 저하의 문제점도 해결할 수 있고, 궁극적으로는 다관절 로봇과 3차원 카메라를 사용하여 종래에 비해 광역 검사가 가능하고 높은 정밀도를 갖는 펄스파 테라헤르츠 빔을 이용한 3차원 구조물의 도막 두께와 내부 구조물의 결함 검사가 동시에 가능한 기술을 실현할 수 있는 커다란 효과가 있는 것이다.
또한, 종래의 방식으로는 대상물을 물리적으로 이동시키면서 측정을 하거나 갈바노미터 스캐너와 f-θ 렌즈를 이용하여 한 변이 100 mm 이하의 한정적인 부분에서만 대상물을 고정하여 검사가 가능하여 실 구조물 검사가 어려웠던 반면, 본 발명의 펄스파 테라헤르츠 빔과 다관절 로봇팔을 이용한 스캔 방식은 움직일 수 없고 표면기울기가 일정하지 않은 구조물의 형상을 탐지하고 내부 결함을 가시화 할 수 있게 하는 효과가 있다.
더불어 본 발명에서는 광섬유케이블을 이용하여 레이저 발생기와 테라헤르츠 발생기, 검출기를 결합하여 이동 가능한 테라헤르츠 스캐너를 기반으로 빔 스플리터를 적용하여 테라헤르츠 스캐너를 소형화가 가능하여 장비의 자동화 및 소형화에 유리한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 스플리터를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 팔의 3차원 움직임을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 방법이 적용될 복합재 구조물을 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 복합재 구조물의 비파괴 비접촉 검사시 획득되는 시간영역에서의 테라헤르츠파 데이터를 도시한 도면이다.
도 8은 도 6의 복합재 구조물의 비파괴 비접촉 검사 영상을 도시한 도면이다.
본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 비파괴 비접촉 검사 장치는 3차원 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 수집하고, 펄스형 테라헤르츠 빔을 3차원 복합재 구조물(T)로 조사한 후 3차원 복합재 구조물(T)로부터 반사되는 테라헤르츠 빔을 검출하는 테라헤르츠 스캐너(10), 테라헤르츠 스캐너(10)를 장착하고, 검사 경로 기반으로 테라헤르츠 스캐너를 3차원적으로 위치 이동시키는 다관절 로봇(20), 및 3차원 복합재 구조물(T)의 3차원 형상 정보를 기반으로 다관절 로봇(20)의 검사 경로를 산출하며, 테라헤르츠 스캐너(10)를 통해 검출된 테라헤르츠 빔을 기반으로 3차원 복합재 구조물(T)의 도막 두께, 내부 결함, 바닥면 깊이 등을 검출하는 제어부(30) 등을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 테라헤르츠 스캐너(10)는 테라헤르츠 빔을 방사하는 테라헤르츠 빔 발생부(11), 3차원 복합재 구조물(T)로부터 반사되는 테라헤르츠 빔을 검출하여 광 전류를 생성 및 출력하는 테라헤르츠 빔 검출부(12), 테라헤르츠 빔 발생부(110)에서 방사한 테라헤르츠 빔은 투과시키되, 3차원 복합재 구조물(T)로부터 반사되는 테라헤르츠 빔은 테라헤르츠 빔 검출부(12)로 반사시키는 빔 스플리터(13), 및 3차원 복합재 구조물(T)의 3차원 형상 정보를 수집하는 3차원 카메라(14) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 테라헤르츠 빔 발생부(11)는 광전도 안테나의 원리를 사용할 수 있다. 펨토초 펄스폭을 갖는 레이저가 테라헤르츠 빔 발생부(11) 내부의 반도체 표면에 제작되어 있는 전극 사이에 조사되면 레이저 광에 의해 발생한 전자와 정공쌍이 발생한다. 이때 양 전극에 전압을 바이어스하면 전자와 정공쌍이 전기장으로 가속, 과도 하면서 양 전극으로 이동하면서 발생하는 전류의 시간 미분에 비례하는 테라헤르츠파를 발생시킨다. 이 외에도 광 정류법, 그리고 반도체 표면전계를 이용하여 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다.
테라헤르츠 빔 검출부(12)는 테라헤르츠 빔 발생부(11)의 역 과정을 수행하면서 테라헤르츠 빔을 검출하게 된다. 좀 더 상세히 기술하면, 펨토초 펄스폭을 갖는 레이저 광원이 검출기 내부 반도체 표면에 제작된 전극 양단 사이에 조사되면 광 운반자(photocarriers)가 만들어 지는데, 이때 테라헤르츠파가 검출부(12)에 들어오게 되면 테라헤르츠파의 전기장에 의해 광 운반자가 가속되면서 테라헤르츠파의 펄스 진폭에 비례하는 미세 전류가 발생하여 양단 전극으로 흐르게 된다.
이와 같은 테라헤르츠 빔 검출부(12)는 하나의 빔 검출부만을 구비할 수 있으나, 필요한 경우 적어도 두 개의 빔 검출부를 구비하고, 적어도 두 개의 빔 검출부를 통해 3차원 복합재 구조물(T)의 표면에서 반사되는 테라헤르츠 빔과, 3차원 복합재 구조물(T)을 투과한 후 반사되는 테라헤르츠 빔을 동시 수신할 수도 있도록 한다.
빔 스플리터(13)는 도 2에서와 같이, 테라헤르츠 빔 발생부(110)에서 방사한 테라헤르츠 빔은 투과시키되, 3차원 복합재 구조물(T)로부터 반사되는 테라헤르츠 빔은 테라헤르츠 빔 검출부(12)로 반사시키는 렌즈(L) 이외에, 테라헤르츠 빔 발생부(110)에서 방사한 테라헤르츠 빔이 집속 렌즈(L)를 거쳐 3차원 복합재 구조물(T)에 전달되도록 하는 제1 광경로(P1), 집속 렌즈(L)에 의해 반사된 테라헤르츠 빔이 테라헤르츠 빔 검출부(12)에 전달되도록 하는 제2 광경로(P2)를 구비하는 형태로 구현될 수 있다.
3차원 카메라는 TOF(Time of Flight) 카메라, 스테레오 카메라 등으로 구현될 수 있으며, 이는 3차원 복합재 구조물(T)의 곡면 정보(또는 깊이 정보)를 획득 및 제공할 수 있다.
다관절 로봇(20)은 테라헤르츠 스캐너(10)가 부착되는 로봇 팔(21), 및 제어부(30)가 제공하는 검사 경로에 따라 로봇 팔(21)을 X,Y,Z 평면, Rx,Ry,Rz 회전축에 따라 3차원 이동시키는 것을 로봇 제어부(22) 등을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명의 로봇 팔(21)은 도 3에서 같이 X, Y, Z, Rx, Ry, Rz 방향으로 자유롭게 구동 가능한 구조를 가지며, 테라헤르츠 스캐너(10)의 테라헤르츠 빔 발생부(110), 테라헤르츠 빔 검출부(12), 빔 스플리터(13), 및 3차원 카메라(14)가 동시 탑재 가능한 페이로드(Payload)를 확보해야 한다.
제어부(30)는 테라헤르츠 빔 검출부(12)로부터 출력되는 광 전류를 증폭하여 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 높인 후, 증폭된 광 전류를 전압값 형태의 아날로그 신호로 변환하는 데이터 전처리부(31), 데이터 전처리부(31)의 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 데이터 수집부(32), 3차원 카메라(14)에 의해 획득된 3차원 복합재 구조물(T)의 3차원 형상 정보를 기반으로 다관절 로봇(20)(특히, 부착된 로봇 팔(21))의 검사 경로를 산출한 후, 테라헤르츠 스캐너(10)가 해당 검사 경로에 따라 이동하면서 획득한 데이터 수집부(32)의 디지털 신호를 기반으로 3차원 복합재 구조물(T)의 도막 두께 및 내부 결함을 검출 및 가시화하는 프로세서(33) 등을 포함할 수 있다.
더하여, 본 발명의 비파괴 비접촉 검사 장치는 펨토초 펄스폭을 갖는 펌핑 레이저를 반복 발생하여 테라헤르츠 스캐너(10)의 테라헤르츠 빔 발생부(11) 및 지연부(50)에 제공하는 레이저 발생부(40)를 더 포함할 수 있다. 이때, 펌핑 레이저는 펨토초 펄스폭을 갖는 반복률을 가지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 1560 nm의 파장을 갖고 주변 환경에 따라 ± 20 nm의 변동 폭을 가질 수 있으며, 펄스형 테라헤르츠 빔을 발생하기 위해 레이저의 펄스폭은 90 fs 보다 작아야 한다. 또한 테라헤르츠 빔 발생부(11)와 테라헤르츠 빔 검출부(12)를 구동시키기 위해 동일한 성능을 갖는 레이저가 2개로 분기되어 발진되거나, 1개로 발진되는 경우 레이저 발생장치를 2대 사용해야 된다.
또한, 레이저 발생부(40)에 의해 발생된 펌핑 레이저를 기 설정시간 지연시켜 테라헤르츠 빔 검출부(12)에 제공하여, 테라헤르츠 빔 검출부(12)가 한 주기를 갖는 테라헤르츠 빔을 검출하도록 하는 지연부(50)를 더 포함할 수 있다. 이는 선형, 회전, 틸팅 타입의 구동부로 구현될 수 있다. 또한 80ps 혹은 그 이상 이하의 시간 지연 폭을 갖도록 설정이 가능해야 되고, 설정된 시간만큼 광을 지연시킨 후 트리거 신호를 발생시켜야 한다.
그리고 레이저 발생부(40)와 테라헤르츠 빔 발생부(11)간, 레이저 발생부(40)와 지연부(50)간, 지연부(50)와 테라헤르츠 빔 검출부(12)간을 광섬유로 연결함으로써, 광섬유를 통해 레이저가 전달될 수 있도록 한다. 즉, 본 발명에서는 광섬유케이블을 이용하여 레이저 발생기와 테라헤르츠 발생기, 검출기를 결합하여 이동 가능한 테라헤르츠 스캐너를 기반으로 빔 스플리터를 적용하여 테라헤르츠 스캐너를 소형화가 가능하도록 한다.
뿐 만 아니라, 비파괴 비접촉 검사 장치(특히, 레이저 발생부(40), 지연부(50), 검출부(12), 데이터 전처리부(31) 등)의 구동 전원을 공급 및 제어하는 전원 공급부(60)를 더 포함할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 제어부(30)는 다관절 로봇(20)을 통해 3차원 복합재 구조물(T)을 중심으로 하여 3차원 카메라(14)를 360도 회전시키고, 3차원 카메라(14)는 3차원 복합재 구조물(T)의 곡면 정보를 획득 및 편집하여 3차원 복합재 구조물(T)의 3차원 형상 정보를 구성한다(S1).
그리고 3차원 형상 정보에서 노멀벡터(Normal Vector)를 추출하여 3차원 복합재 구조물(T)의 굴곡에 관계없이 테라헤르츠 빔의 입사 각도가 동일하고 3차원 복합재 구조물(T)으로부터 테라헤르츠 스캐너(10)가 일정한 거리를 유지할 수 있도록 하는 검사 경로를 산출한다(S2).
본 발명의 검사 경로는 X,Y,Z,Rx,Ry,Rz 값으로 구성될 수 있으며, X,Y,Z값은 3차원 복합재 구조물(T)에 대한 테라헤르츠 스캐너의 초점 거리를 일정하게 유지하기 위한 값을, Rx,Ry,Rz값은 3차원 복합재 구조물에 조사되는 테라헤르츠 빔의 입사 방향을 일정하게 유지하기 위한 값일 수 있다.
그리고 다관절 로봇(20)을 통해 테라헤르츠 스캐너(10)를 검사 경로의 시작점에 위치시킨 후(S3), 테라헤르츠 스캐너(10)의 테라헤르츠 빔 발생부(11)를 통해 테라헤르츠 빔을 3차원 복합재 구조물(T)에 방사한 후, 테라헤르츠 빔 검출부(12)를 통해 3차원 복합재 구조물(T)의 표면에 의해 반사되어 입사되는 테라헤르츠 빔과, 3차원 복합재 구조물(T)을 투과한 후 반사되어 입사되는 테라헤르츠 빔을 검출하도록 한다(S4).
그리고 3차원 복합재 구조물(T)의 표면에서 반사된 테라헤르츠 빔의 입사 시간(T1), 3차원 복합재 구조물(T)의 도막에서 반사된 테라헤르츠 빔의 입사 시간(T2), 3차원 복합재 구조물(T)의 결함 위치에서 반사된 빔의 입사 시간(T3), 3차원 복합재 구조물(T)의 바닥면에서 반사된 빔의 입사 시간(T4)을 계측한 후, "T2-T1=△T1"를 기반으로 도막 두께를, "T3-T1=△T12"를 기반으로 결함 위치를, "T4-T1=△T12"를 기반으로 바닥면 깊이 각각을 산출하도록 한다(S5).
참고로, 검사 대상을 이루고 있는 매질이 균일하면, 도 5에서와 같이 검사 대상을 투과한 테라헤르츠 빔은 매질을 통해 계속하여 진행하나, 매질의 종류가 변화하거나 결함이 존재하면 테라헤리츠 빔의 일부가 계속 진행하지 못하고 다시 반사되는 현상이 발생한다.
이에 본 발명은 3차원 복합재 구조물(T)의 표면에서 반사되는 테라헤르츠 빔과, 복합재 구조물을 투과한 후 반사되는 테라헤르츠 빔간의 입사 시간차, 그리고 테라헤르츠 빔의 전송 속도(V) 각각 매질의 두께 또는 결함 위치 등을 손쉽게 파악할 수 있도록 한다.
현재 검사 위치가 검사 경로의 종료점인지 확인한 후(S6), 현재 검사 위치가 검사 경로의 종료점이 아니면 검사 경로를 기반으로 다관절 로봇(20)을 위치 제어하여, 테라헤르츠 스캐너(10)를 다음 검사 위치로 이동시킨 후(S7), 다시 단계 S4 내지 단계 S6을 반복 수행하도록 한다.
반면, 현재 검사 위치가 검사 경로의 종료점이면, 3차원 형상 정보상에 내부 결합 위치 및 도막 두게 산출 결과를 표시함으로써, 사용자가 이를 육안으로 확인하도록 한다.
이와 같이, 본 발명은 테라헤르츠 빔이 X, Y 평면을 이동하면서 특정 위치에서 검사 대상의 깊이 정보를 계산할 수 있으며, 상술한 바와 같이 다관절 로봇을 구동하는 X, Y, Z 좌표 값을 통해 검사 대상의 3차원 형상을 산출할 수 있다. 그리고 x, y, z 좌표에 해당하는 단층 정보 값(내부 결함 위치, 도막 두께, 바닥면 깊이 등)을 획득하여 대상물의 단층 정보를 완전하게 재구성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 방법이 적용될 복합재 구조물을, 도 7은 복합재 구조물의 비파괴 비접촉 검사시 획득되는 시간영역에서의 테라헤르츠파 데이터를, 도 8은 복합재 구조물의 비파괴 비접촉 검사 영상을 도시한 도면이다.
도 6의 복합재 구조물은 GFRP(glass fiber reinforced polymer, 유리 섬유 강화 폴리머) 시편으로, 직사각형의 어두운 회색 부분은 테프론 필름을 삽입하여 시편을 제작 후 제거하여 제작한 다층 박리를 모사하였고, 검은색 T H Z 글씨의 밝은 부분은 테프론 필름을 유리섬유의 층과 층 사이에 삽입하여 박리 층을 제작한 부분이고, 검정색 정사각형 모양 역시 테프론 필름을 유리섬유의 층과 층 사이에 삽입하여 박리 층을 제작한 구조를 가진다.
보다 구체적으로는, GFRP 시편은 가로 150 mm, 세로 150 mm, 두께 0.8 mm이며 0.2 mm의 두께를 갖는 평직 유리 섬유를 4장 적층하였다. 테라헤르츠 빔을 이용한 깊이 정보를 계측하기 위해 GFRP 시편의 표면으로부터 바닥면까지의 유리섬유 층을 1층부터 4층이라고 한다면, 1층과 2층 사이에 직사각형, T, 정사각형의 박리가, 2층과 3층 사이에 직사각형, H, 정사각형 모양의 박리가, 3층과 4층 사이에 직사각형, Z, 정사각형 모양의 박리가 모사되었다. 그리고 다층 결함을 모사하기 위해 1층과 2층 그리고 3층과 4층 사이에 직사각형, 정사각형 모양의 박리를 제작하였다.
테라헤르츠파가 제작된 GFRP 시편을 투과 반사하여 계측된 펄스 신호의 길이는 x, y 모든 지점에서 80 ps로 동일하고 0.5 mm 단위로 이동하면서 계측되었다.
그 결과, GFRP 시편에 방사된 테라헤르츠파는 GFRP 시편의 표면, 유리섬유 1층 내지 4층 각각에 의해 반사되며, 도 7에서와 같이 서로 상이한 시간 지연값을 가지게 됨을 알 수 있다.
도 8는 시간영역에서 얻어진 테라헤르츠파 데이터를 신호 처리하여 X, Y 평면의 가시화 결과로 깊이 방향을 달리하여 결함의 크기, 깊이방향의 위치를 확인할 수 있는 3차원 단층 영상을 재구성할 수 있었다.
도 8의 영상은 시간영역에서 계측된 테라헤르츠파 데이터를 고속 퓨리에 변환 과정을 거쳐 주파수영역으로 신호처리 한 데이터를 신호 이용하여 X, Y 평면의 가시화 결과로, 이를 참고하면 가시화 영상의 주파수를 달리하여 낮은 주파수에서는 비교적 큰 결함을 효과적으로 검출할 수 있고, 높은 주파수로 갈수록 섬유의 방향까지 가시화를 할 수 있는 수준의 작은 결함을 효과적으로 가시화 할 수 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 장치를 통해 펄스형 테라헤르츠파 빔 스캔을 이용한 3차원 검사 시편의 3차원 단층 영상 가시화가 가능함이 실험적으로 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 수집하고, 펄스형 테라헤르츠 빔을 3차원 복합재 구조물로 조사한 후 상기 복합재 구조물로부터 반사되는 테라헤르츠 빔을 검출하는 테라헤르츠 스캐너;
    상기 테라헤르츠 스캐너를 장착하고, 검사 경로 기반으로 상기 테라헤르츠 스캐너를 3차원적으로 위치 이동시키는 다관절 로봇; 및
    상기 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 기반으로 상기 다관절 로봇의 검사 경로를 산출하며, 상기 테라헤르츠 스캐너를 통해 검출된 테라헤르츠 빔을 기반으로 상기 복합재 구조물의 도막 두께 및 내부 결함을 검출 및 시각화하는 제어부를 포함하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테라헤르츠 스캐너는
    상기 테라헤르츠 빔을 방사하는 테라헤르츠 빔 발생부;
    상기 복합재 구조물로부터 반사된 후 입사되는 테라헤르츠 빔을 검출하는 테라헤르츠 빔 검출부;
    상기 발생부가 방사하는 테라헤르츠 빔은 투과시키되, 상기 복합재 구조물에 의해 반사된 테라헤르츠 빔은 상기 검출부로 전달하는 빔 스플리터; 및
    상기 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 획득하는 3차원 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 검출부는
    적어도 두 개의 빔 검출부를 구비하고, 상기 적어도 두 개의 빔 검출부를 통해 상기 복합재 구조물의 표면에서 반사되는 테라헤르츠 빔과, 상기 복합재 구조물을 투과한 후 반사되는 테라헤르츠 빔을 동시 수신하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복합재 구조물의 표면에서 반사된 테라헤르츠 빔의 제1 입사 시간, 상기 복합재 구조물의 도막에서 반사된 테라헤르츠 빔의 제2 입사 시간, 상기 복합재 구조물의 결함 위치에서 반사된 테라헤르츠 빔의 제3 입사 시간, 및 상기 복합재 구조물의 바닥면에서 반사된 테라헤르츠 빔의 제4 입사 시간을 계측한 후, 상기 제1 입사 시간과 상기 제2 입사 시간의 시간차를 기반으로 도막 두께를 산출하고, 상기 제1 입사 시간과 상기 제3 입사 시간의 시간차를 기반으로 결함 위치를 산출하고, 상기 제1 입사 시간과 상기 제4 입사 시간의 시간차를 기반으로 바닥면 두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 복합재 구조물의 3차원 형상 정보를 기반으로, 상기 복합재 구조물에 대한 상기 테라헤르츠 스캐너의 초점 거리를 일정하게 유지하기 위한 X,Y,Z 값과 상기 복합재 구조물에 조사되는 상기 테라헤르츠 빔의 입사 방향을 일정하게 유지하기 위한 Rx,Ry,Rz값으로 구성되는 상기 검사 경로를 산출하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다관절 로봇은
    상기 테라헤르츠 스캐너가 부착된 로봇 팔; 및
    상기 제어부가 제공하는 상기 검사 경로의 X,Y,Z,Rx,Ry,Rz값에 따라 상기 로봇 팔을 6축 이동시키는 것을 로봇 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    펨토초 펄스폭을 갖는 펌핑 레이저를 발생하여 상기 발생부에 제공하는 레이저 발생부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펌핑 레이저를 기 설정시간 지연시켜 상기 검출부에 제공하여, 상기 검출부가 한 주기를 갖는 테라헤르츠 빔을 검출할 수 있도록 하는 지연부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 장치.
  9. 3차원 움직임을 지원하는 다관절 로봇 및 상기 다관절 로봇에 부착된 테라헤르츠 스캐너를 구비하는 비파괴 비접촉 검사 장치의 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 방법에 있어서,
    복합재 구조물의 3차원 형상 정보에 기반하여 검사 경로를 산출하는 단계;
    상기 다관절 로봇을 통해 상기 테라헤르츠 스캐너를 상기 검사 경로에 따라 위치 이동시키면서, 상기 테라헤르츠 스캐너를 통해 펄스형 테라헤르츠 빔을 복합재 구조물로 조사한 후 상기 복합재 구조물로부터 반사되는 테라헤르츠 빔을 검출하는 단계; 및
    상기 테라헤르츠 스캐너를 통해 검출된 테라헤르츠 빔을 기반으로 상기 복합재 구조물의 도막 두께 및 내부 결함을 검출 및 시각화하는 단계를 포함하는 테라헤르츠파 기반의 복합재 구조물 비파괴 비접촉 검사 방법.
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