WO2023175710A1 - 観察装置 - Google Patents

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infrared rays
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守 水沼
翔太 大木
真悟 峯田
昌幸 津田
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日本電信電話株式会社
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/48Thermography; Techniques using wholly visual means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the present invention relates to an observation device for observing the state of a coating film applied to a steel building structure.
  • infrared thermography is sometimes used as a method for inspecting such peeling of a paint film.
  • lock-in thermography technology is used to non-destructively observe heat generation points (failure points) due to short circuits, leaks, etc. occurring inside electronic components, modules, semiconductor devices, etc. from outside the resin mold. It is being utilized.
  • Lock-in thermography is a technology that synchronizes the signal amplification of a heating current source and an infrared sensor (camera) that receives and observes to observe a heat generating area with high sensitivity (Non-Patent Document 1).
  • the above-mentioned technology for example, in the case of structures located underground, sunlight cannot be obtained and temperature changes are small, so the paint film may swell, peel, etc., and corrosion of the base (steel surface, etc.) may occur. It is not easy to identify early symptoms of deterioration. Further, even if the structure is placed on the ground, the above-mentioned technology cannot be applied if there is no sunlight. As described above, the above-mentioned technique has a problem in that it is not easy to discover problems with the coating, such as deterioration and wear of the coating film, when sunlight is not available.
  • the present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to make it possible to discover problems with the coating, such as deterioration and wear of the paint film, even when sunlight is not available. With the goal.
  • the observation device includes a light source that irradiates the surface of a target coating film with infrared rays, an infrared camera that captures a thermal image of a location irradiated with infrared rays, and a display unit that displays the thermal image captured by the infrared camera. Equipped with.
  • a thermal image of the area irradiated with infrared rays from a light source is taken with an infrared camera, so even when sunlight is not available, deterioration and wear of the paint film can be prevented. Paint problems can be detected.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of an observation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view showing a state in which the coating film 131 swells from the underlying steel plate 132 due to corrosion or the like.
  • FIG. 2B is a cross-sectional view showing a state in which the coating film 131 has peeled off from the underlying steel plate 132 due to corrosion or the like.
  • This observation device includes a light source 101 that irradiates (projects) infrared rays onto the surface of a coating film 131 to be observed, an infrared camera 102 that takes a thermal image (infrared image) of a location irradiated with infrared rays, and an infrared camera
  • the display unit 103 includes a display unit 103 that displays the thermal image captured by the unit 102 .
  • the light source 101 is supplied with a voltage at a set frequency from a power source 104.
  • the light source 101 is an infrared projector.
  • an infrared projector that combines an infrared lamp and an infrared lens that converges the progress of infrared rays.
  • the light source 101 can be composed of an infrared laser and a diffractive optical element for widening the irradiation distribution of the infrared laser light emitted from the infrared laser.
  • the diffractive optical element spreads spot-shaped infrared laser light emitted from an infrared laser into a line of a predetermined length in the process of transmitting or reflecting it.
  • infrared rays can be projected in a planar manner by displacing the diffractive optical element and scanning a beam of light spread linearly.
  • the diffractive optical element can be designed to form a two-dimensional light intensity distribution of the laser beam on the surface of the coating film 131, for example, a point, straight line, or concentric circle shape.
  • the infrared camera 102 is composed of, for example, a plurality of infrared sensors arranged two-dimensionally.
  • a highly sensitive infrared camera (commercially available) using an infrared sensor using a cooled type InSb (indium-antimony) as a detection element can be used.
  • the infrared rays (infrared light) emitted from the light source 101 are sequentially scanned all over so that no paint coating surface is left uninspected. Further, the infrared camera 102 sequentially captures images along the scan so that no observation is missed.
  • the thermal image captured by the infrared camera 102 and displayed on the display unit 103 shows the state (temperature distribution) of the infrared rays emitted from the object onto which the infrared rays are projected (for example, the coating of a building). It is visualized by superimposing it on the shape of the object.
  • this observation device includes an image processing circuit 105 that extracts a component that vibrates at the same frequency as the frequency of the power supply voltage supplied to the light source 101 from the thermal image taken by the infrared camera 102.
  • the image processing circuit 105 extracts a component that vibrates at the same frequency as the above frequency from the thermal image taken by the infrared camera 102.
  • a clearer thermal image can be obtained by amplifying the extracted components (lock-in amplification).
  • the image processing circuit 105 described above includes a CPU (Central Processing Unit) and a main storage device, and the CPU operates (executes the program) according to a program loaded in the main storage device. , the functions described above can be realized.
  • the above program is a program for the CPU to execute the above-described image processing method.
  • the thermal image obtained in this way is displayed on the display section 103.
  • the light source 101 irradiates the surface of the coating film 131 with infrared rays, it is possible to detect coating problems such as deterioration and wear of the coating film even when sunlight is not available. It becomes like this.
  • the infrared rays to be irradiated should have an intensity lower than that of a laser used in a laser processing machine or the like, and should be weak enough not to have a major effect on the coating film.
  • thermography outline of lock-in amplification.
  • Thermal image analysis using infrared rays is a technology that uses an infrared camera to detect infrared rays emitted from an object and visualizes it by superimposing it on the shape of the object as temperature.
  • lock-in is performed by multiplying the signal to be measured (observed infrared rays) sin ( ⁇ t + ⁇ ) by the reference signal sin ( ⁇ t + ⁇ ) of the frequency of the power supply voltage supplied to the light source 101, and calculating A multiplier output signal having DC and double frequency (2 ⁇ t) components of (2 ⁇ t+ ⁇ + ⁇ )/2 is obtained.
  • this multiplier output signal only the DC component is passed through a low-pass filter (LPF) with a high Q factor to remove the noise component, and only the weak photoelectric conversion signal synchronized with the reference signal (lock-in signal) is passed.
  • a thermal image can be obtained by amplifying (Reference 1).
  • BPF narrowband bandpass filter
  • the cutoff frequency of the LPF is Even if it goes awry, as long as direct current can pass through, it won't have a big effect on the imaging results.
  • narrowband LPF is easier to implement, and the band can be made as narrow as desired. Since lock-in amplification is advantageous in amplifying weak signals buried in noise, it is possible to detect with high sensitivity weak thermal radiation generated from blistering or peeling of paint films located remotely high above the ground. It is.
  • an infrared camera captures a thermal image of a location where infrared rays are irradiated (projected) from a light source. Paint problems such as deterioration and wear can be discovered.

Abstract

観察対象の塗膜(131)の表面に赤外線を照射(投光)する光源(101)と、赤外線が照射された箇所の熱画像(赤外画像)を撮像する赤外線カメラ(102)と、赤外線カメラ(102)が撮像した熱画像を表示する表示部(103)とを備える。赤外線カメラ(102)で撮像して表示部(103)に表示される熱画像は、赤外線が投光されている物体(例えば建造物の塗膜)から放射される赤外線の状態(温度分布)が。物体の形状に重ね合わせて可視化されたものとなる。

Description

観察装置
 本発明は、鉄鋼製の建築構造物に塗布された塗膜の状態を観察する観察装置に関する。
 各種鉄鋼製の建築構造物は、敷設した後に長期に渡って使用されることから、防食性の確保が重要であり、各種の樹脂塗料が塗り重ねられ、鋼鉄表面が保護されている状態が一般的である。しかし、塗装時の下地処理方法や塗り方の問題などで、基材と塗膜との結合が弱くなり、塗装の剥離が発生する問題がある。塗料技術の改善による劣化の緩和はあるが、結合が弱くなった塗膜下の腐食などによって、塗膜に膨れ、剥がれなどが生じることは避けがたい。塗膜の劣化、消耗が進み、さらに劣化が進行して腐食が鋼素地にいたると、塗膜の膨れ、剥がれなどが発生する。この箇所は、錆落とし(素地調整)を実施した上で、新たに塗装などの補修を施す必要が生じる。この塗膜の初期劣化を、早期に発見・検知するための取り組みがなされている。
 ところで、このような塗膜の剥離を検査する方法として、赤外線サーモグラフィが利用されることがある。電子回路部品の故障診断分野でも、電子部品やモジュール、半導体デバイスなどの内部で生じたショート、リークなどに伴う発熱箇所(故障箇所)を、樹脂モールド外側から非破壊で観察するロックインサーモグラフィ技術が活用されている。ロックインサーモグラフィは、加熱する電流源と受信観察する赤外線センサ(カメラ)の信号増幅の同期をとって高感度に発熱箇所を観察する技術である(非特許文献1)。
 このロックインサーモグラフィの技術は、わずかな発熱部位を高感度で観察することが可能であることから、大型構造物の塗膜剥離やコンクリートひび割れ、内部欠陥の発見などにも利用が検討されている。熱源として、日射や気温変化を利用したパッシブ法の有効性も確認されている(非特許文献2)。
吉井 一郎 著、「特集/パワーエレクトロニクス パワーデバイスと実装の故障解析へのロックインサーモグラフィの応用」、エレクトロニクス実装学会誌、Vol. 17、No. 6、479-483頁、2014年。 佐藤 太輔 著、「パッシブロックイン赤外線サーモグラフィ法による剥離検出限界の向上」、土木学会第63回年次学術講演会、5-163、325-326頁、平成20年。
 しかしながら、上述した技術では、例えば、地下に配置されている構造物の場合、日照が得られず、また、気温変化が少ないため、塗膜の膨れ、剥がれなど、下地(鉄鋼表面など)の腐食劣化の初期症状を確認することが容易ではない。また、地上に配置されている構造物であっても、日照がない場合、上述した技術を適用することができない。このように、上述した技術では、日照が得られない場合、塗膜の劣化、消耗などの塗装の問題を発見することが容易ではないという問題があった。
 本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、日照が得られない場合であっても、塗膜の劣化、消耗などの塗装の問題が発見できるようにすることを目的とする。
 本発明に係る観察装置は、対象の塗膜の表面に赤外線を照射する光源と、赤外線が照射された箇所の熱画像を撮像する赤外線カメラと、赤外線カメラが撮像した熱画像を表示する表示部とを備える。
 以上説明したように、本発明によれば、光源より赤外線が照射された箇所の熱画像を赤外線カメラで撮像するので、日照が得られない場合であっても、塗膜の劣化、消耗などの塗装の問題が発見できる。
図1は、本発明の実施の形態に係る観察装置の構成を示す構成図である。 図2Aは、塗膜131が下地の鋼板132から腐食などを原因として膨れている状態を示す断面図である。 図2Bは、塗膜131が下地の鋼板132から腐食などを原因として剥がれている状態を示す断面図である。
 以下、本発明の実施の形態に係る観察装置について図1を参照して説明する。この観察装置は、観察対象の塗膜131の表面に赤外線を照射(投光)する光源101と、赤外線が照射された箇所の熱画像(赤外画像)を撮像する赤外線カメラ102と、赤外線カメラ102が撮像した熱画像を表示する表示部103とを備える。また、光源101には、電源104から、設定された周波数の電圧が供給される。
 光源101は、赤外線投光器である。例えば、赤外線ランプと赤外線の進行を収束する赤外線レンズを組み合わせた赤外線投光器を用いることができる。また、光源101は、赤外線レーザと、赤外線レーザから出射される赤外線レーザ光の照射分布を、より広くするための回折光学素子とから構成することができる。回折光学素子は、例えば、赤外線レーザから出射されるスポット状の赤外線レーザ光を、透過または反射する過程で所定の長さの線状に広げる。この場合、例えば、回折光学素子を変位させて線状に広げた光線束を走査することで、赤外線を面状に投光することができる。回折光学素子は、塗膜131の表面における2次元のレーザ光の光強度分布、例えば点、直線、同心円状を形成するように設計することができる。
 赤外線カメラ102は、例えば、2次元配列された複数の赤外線センサから構成されている。例えば、冷却型InSb(インジウム-アンチモン)などを検出素子とした赤外線センサによる高感度な赤外線カメラ(市販されている)を用いることができる。
 光源101から投光される赤外線(赤外光)は、検査漏れとなる塗料被膜表面が生じないようにくまなく、逐次走査する。また、赤外線カメラ102は、その走査に沿って、観察漏れが生じないように逐次撮像する。
 赤外線カメラ102で撮像して表示部103に表示される熱画像は、赤外線が投光されている物体(例えば建造物の塗膜)から放射される赤外線の状態(温度分布)が。物体の形状に重ね合わせて可視化されたものとなる。
 また、この観察装置は、赤外線カメラ102が撮像した熱画像より、光源101に供給される電源電圧の周波数と同じ周期で振動する成分を取り出す画像処理回路105を備える。画像処理回路105により、赤外線カメラ102が撮像した熱画像より、上記周波数と同じ周期で振動する成分が取り出される。取り出された成分を増幅する(ロックイン増幅)ことでより鮮明な熱画像を得ることができる。
 なお、上述した画像処理回路105は、CPU(Central Processing Unit;中央演算処理装置)と主記憶装置とを備え、主記憶装置に展開されたプログラムによりCPUが動作する(プログラムを実行する)ことで、上述した機能が実現されるものすることができる。上記プログラムは、上述した画像処理の方法をCPUが実行するためのプログラムである。
 このようにして得られた熱画像が、表示部103に表示される。表示される熱画像を観察することで、塗膜131の表面における塗膜の膨れ、剥がれなどの劣化、消耗などついて、検知することができる。
 上述した実施の形態によれば、光源101により、塗膜131の表面に赤外線を照射するので、日照が得られない場合であっても、塗膜の劣化、消耗などの塗装の問題が発見できるようになる。
 塗装被膜(塗膜131)が下地(鋼板132)から腐食などを原因として膨れ(図2A)、剥がれ(図2B)の症状がある部分では、赤外線が照射されると、照射された部分は、照射されていない周囲より高温になる。なお、照射(投光)する赤外線は、レーザ加工機などに用いられるレーザの強度より小さいもとし、塗膜に大きな影響を与えない程度に微弱なものを使用する。
 一方、下地(鉄鋼など)に密着している塗装被膜(塗膜)部分は、赤外線を照射しても、熱伝導により温度上昇が抑制される。したがって、剥がれなどの症状のある部分とない部分とでは、赤外線を照射したときの温度に差が発生する。この温度差は、熱画像に示される。例えば、熱画像において、この部分(部位)は、赤く表示され、その他の部位と区別される。この状態を観察することで、塗膜の膨れや剥がれがある箇所が特定でき、下地に腐食が進行している箇所が特定できる。
 ここで、ロックインサーモグラフィ技術(ロックイン増幅の概要)について簡単に説明する。赤外線による熱画像解析(赤外線サーモグラフィ)は、赤外線カメラを用いて、物体から放射される赤外線を検知し、温度として物体の形状に重ね合わせて可視化する技術である。
 まず、ロックインは、被測定信号(観察赤外線)sin(ωt+α)に、光源101に供給される電源電圧の周波数の参照信号sin(ωt+β)を掛け算し、cos(β-α)/2-cos(2ωt+α+β)/2 という直流と、倍周波(2ωt)の成分を持つ掛け算器出力信号を得る。この掛け算器出力信号のうち、直流成分のみを高いQファクタを持つローパスフィルタ(LPF)を通して雑音成分を除去し、参照信号(ロックイン信号)に同期した微弱な光電変換信号のみを通過させ、これを増幅することで、熱画像を得ることができる(参考文献1)。
 なお、狭帯域バンドパスフィルタ(BPF)は、中心周波数と信号周波数がずれると測定誤差が発生、最悪の場合は信号自体も除去してしまうが、ロックイン増幅では、LPFのカットオフ周波数が多少狂っても、直流さえ通過できれば、撮像結果に大きな影響がでない。BPFと比べて狭帯域LPFは実現が容易で、いくらでも狭帯域化が可能である。ロックイン増幅は、雑音に埋もれた微弱な信号の増幅に有利であるため、地上高所の遠隔にある塗膜の膨れ、剥がれから発生される微弱な熱輻射を高感度で検出することが可能である。
 以上に説明したように、本発明によれば、光源より赤外線が照射(投光)された箇所の熱画像を赤外線カメラで撮像するので、日照が得られない場合であっても、塗膜の劣化、消耗などの塗装の問題が発見できるようになる。
 なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
[参考文献1]株式会社NF回路設計ブロック「雑音に埋もれた信号の測定 ~ロックインアンプを用いた微小信号の測定 ロックインアンプの原理(1)」、[令和4年3月8日検索]、http://www.nfcorp.co.jp/techinfo/keisoku/noise/li_genri1.html。
 101…光源、102…赤外線カメラ、103…表示部、104…電源、105…画像処理回路、131…塗膜。

Claims (4)

  1.  対象の塗膜の表面に赤外線を照射する光源と、
     前記赤外線が照射された箇所の熱画像を撮像する赤外線カメラと、
     前記赤外線カメラが撮像した熱画像を表示する表示部と
     を備える観察装置。
  2.  請求項1記載の観察装置において、
     前記光源は、赤外線投光器であることを特徴とする観察装置。
  3.  請求項1記載の観察装置において、
     前記光源は、赤外線レーザと、前記赤外線レーザから出射される赤外線レーザ光の照射分布をより広くするための回折光学素子とから構成されていることを特徴とする観察装置。
  4.  請求項1~3のいずれか1項に記載の観察装置において、
     前記光源の電源は、設定された周波数の電源電圧を前記光源に供給し、
     前記赤外線カメラが撮像した熱画像より、前記周波数と同じ周期で振動する成分を取り出す画像処理回路をさらに備える
     ことを特徴とする観察装置。
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