[논문]능동 적외선열화상 기법을 이용한 이면결함 검출에서의 측정 불확도

정윤재; 김원태; 최원재

doi:10.7779/jksnt.2015.35.5.341

능동 적외선열화상 기법을 이용한 이면결함 검출에서의 측정 불확도
Measurement Uncertainty on Subsurface Defects Detection Using Active Infrared Thermographic Technique 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.35 no.5, 2015년, pp.341 - 348

정윤재 (공주대학교 대학원 기계공 학과) , 김원태 (공주대학교 공과대학 기계자동차공학부) , 최원재 (한국표준과학연구원 안전측정센터)

초록
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능동적 열화상 기법은 재료의 수동적 열적결함에 있어 기존의 적외선 열화상 기법에 비해 우수한 결함 검출능력을 보이는 것으로 알려져 있다. 적외선 비파괴 검사는 지금까지 다양한 검출 기법에 대한 발전이 이루어졌으나 신뢰성에는 다소 의문이 있다. 따라서 본 논문에서는 위상잠금 열화상기법을 적용하여 각각 다른 결함의 크기와 깊이의 인공결함을 갖는 SM45C 시험편을 가지고 제안된 기법을 검증하고, 불확도를 평가하여 위상잠금 열화상 기법을 이용한 결함의 크기측정에 대한 신뢰성을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Active infrared thermography methods have been known to possess good fault detection capabilities for the detection of defects in materials compared to the conventional passive thermal infrared imaging techniques. However, the reliability of the technique has been under scrutiny. This paper proposes the lock-in thermography technique for the detection and estimation of artificial subsurface defect size and depth with uncertainty measurement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 여러 산업분야에서 사용되고 있는 SM45C의 이면결함에 대하여 위상잠금 열화상 기법을 이용한 결함의 크기 측정에 있어서 측정 결과의 신뢰성을 증대하기 위해 불확도 요인을 분석하고 이에 따른 불확도 평가 결과를 비교분석 하였다.
본 연구에서는 위상잠금 열화상을 이용하여 SM45C 이면결함 크기를 측정하는데 있어 발생하는 측정 불확도를 평가하였다. 측정 불확도를 평가함으로서 결함의 크기 측정에서 발생 가능한 오류를 최소화 할 수 있을 것으로 사료된다.

제안 방법

먼저 필터링 기능을 이용하여 결함 엣지들을 영상 보정한 후 경계점 추출 기능을 이용하여 경계점을 추출하였다. 경계점을 따라 수직한 라인을 만들어 calibration 기능을 이용하여 경계점 간의 화소수를 측정하여 결함 크기를 계산하였다. 결함의 크기(mm) D는 다음과 같이 나타낸다.
획득한 온도데이터를 가지고 Matlab 프로그램을 이용하여 위의 이론에서 명시한 이론을 따라 데이터 및 영상처리를 하여 위상이미지(phase image)와 진폭이미지(amplitude image)를 생성하였다. 그 후에 결과가 좋은 이미지를 가지고 검출된 결함의 크기 측정에 대한 측정 불확도를 계산하였다.
실제 측정 단위로 변환할 수 있도록 실제 단위에서 픽셀 5 단위의 매핑은 공간 보정과정을 통해 이루어진다. 먼저 필터링 기능을 이용하여 결함 엣지들을 영상 보정한 후 경계점 추출 기능을 이용하여 경계점을 추출하였다. 경계점을 따라 수직한 라인을 만들어 calibration 기능을 이용하여 경계점 간의 화소수를 측정하여 결함 크기를 계산하였다.
3은 실제 SM45C 시험편의 형상을 보여준다. 본 연구에서 사용하기 위해 제작한 시험편은 그림에 보이는 것과 같이 후면에 가공하였으며, 다양한 결함에 대한 측정 결과를 얻기 위해서 이면결함의 깊이와 크기를 규칙성 없이 임의로 제작하였다. 시험편의 표면은 흑색 방사페인트로 얇게 도포하여 방사율을 0.
8은 결함 크기를 측정하기 위해 라인 프로파일을 만든 것을 보여준다. 본 연구에서는 가장 검출이 잘된 A2, A3, B3, C3, D1, D3 6개의 결함 검출 결과를 가지고 불확도 측정을 하였다. 결함 크기 측정에는 보다 나은 결과를 보여준 진폭이미지를 사용했으며 70 mHz 결과를 이용했다.
본 연구에서는, 위상잠금 적외선열화상 기법으로 촬영 후, 데이터 및 이미지 프로세싱을 하여 열 영상의 결함 크기 측정에 관한 각각의 입력량에 대하여 10회씩 측정하여 불확도를 계산하였다.
측정 불확도를 평가함으로서 결함의 크기 측정에서 발생 가능한 오류를 최소화 할 수 있을 것으로 사료된다. 하지만, 본 연구에서는 가장 검출이 잘된 결함 하나만을 가지고 불확도 평가를 수행하였다. 향후, 이미지 프로세싱 기법 연구와 같이 수행한다면 광-적외선 기법에 대한 신뢰성을 더 향상 시킬 수 있을 것으로 사료된다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 적외선 카메라는 FLIR사의 SC645(640×240 pixel resolution, 7.5 ~ 13 μm sensitivity) 제품을 사용 하였으며, 함수 발생기로 할로겐램프의 주파수를 조절하여 시험편에 열원을 가해주고 적외선 검출소자로부터 온도데이터를 획득하여 PC에 저장하였다.
본 연구에서는 30, 50, 70, 100, 120, 150 mHz 주파수를 적용하여 온도데이터를 획득하였다. 획득한 온도데이터를 가지고 Matlab 프로그램을 이용하여 위의 이론에서 명시한 이론을 따라 데이터 및 영상처리를 하여 위상이미지(phase image)와 진폭이미지(amplitude image)를 생성하였다.

데이터처리

일반적으로 결함의 크기 측정을 위해서는 먼저 시험편의 실제 길이를 구하고, 단위 화소에 대응하는 시험편의 길이의 비를 결함이 차지하는 화수에 곱하여 결함의 크기를 계산하는 방법을 사용한다. 이를 위해 Labview 프로그램의 vision assistant 툴을 사용했다. 기본적으로 이 툴은 측정값을 픽셀 단위로 변환해준다.
본 연구에서는 30, 50, 70, 100, 120, 150 mHz 주파수를 적용하여 온도데이터를 획득하였다. 획득한 온도데이터를 가지고 Matlab 프로그램을 이용하여 위의 이론에서 명시한 이론을 따라 데이터 및 영상처리를 하여 위상이미지(phase image)와 진폭이미지(amplitude image)를 생성하였다. 그 후에 결과가 좋은 이미지를 가지고 검출된 결함의 크기 측정에 대한 측정 불확도를 계산하였다.

이론/모형

위상잠금 적외선열화상 기법은 열을 자극원으로 하여 대상체에 입사하고, 이때 대상체의 응답신호를 처리하여 위상, 진폭 등의 변화를 구하는 방법이다[20]. 본 연구에서는 결함 검출을 위해 자극원을 광으로 하는 위상잠금 광-적외선 열화상 기법으로 수행하였다. Fig.
본 연구에서는, 적외선 카메라로 측정 후, Matlab 소프트웨어를 이용하여 위의 식(1)~(9)을 따라 데이터 및 이미지 프로세싱을 하여 열영상을 생성했다.

성능/효과

6은 위상이미지 결과를 보여준다. 결과를 살펴보면 100 mHz일 때 가장 검출능이 좋았다. 물론 30 mHz 결과도 결함이 많이 검출된 것을 알 수 있지만 전체적으로 노이즈가 많았으며, ∅6 mm이하 및 깊이 8 mm이상인 결함들은 명확하게 보이지 않거나 아예 검출이 되지 않았다.
7은 진폭이미지 결과를 보여준다. 결과를 살펴보면 70 mHz일 때 결함검출능이 가장 좋았으며, 위상이미지에 비해 전체적으로 노이즈가 상당히 적은걸 알 수 있다. 위상이미지 또한 ∅6 mm이하 및 깊이 8 mm이상인 결함들은 명확하게 보이지 않거나 아예 검출이 되지 않았다.
9는 광-적외선 열화상 장치로 SM45C의 Φ20, Φ14 결함검출능을 평가하기 위한 인증기준물(CRM)에 명시되어 있는 확장 불확도 결과값과 비교한 결과값이다[21]. 기존에 행해졌던 실험장치 및 구성과 다소 차이가 있었지만 불확도값은 거의 차이가 없는 것을 알 수 있었다.
또한, 지금까지의 적외선열화상 검사는 광범위한 구역의 이상 유무를 판정하는 시스템으로 산업 전반에 활용하여 왔지만, 최근 적외선열화상을 이용한 비파괴검사 방법이 넓은 면적의 이상 유무의 판정만이 아닌 좀 더 좁은 구역에서 정밀한 비파괴검사 기술로 확대 응용되고 있다[8,9]. 적외선열화상 기술의 결함 검출능은 위상잠금(lock-in) 기법을 적용하면서 현저하게 향상되었다. 위상잠금을 사용하여 위상변화를 추출함으로서 적은 샘플링에서도 표면의 미세한 변화를 감지할 수 있으며, 불균일한 표면방사율의 영향을 적게 받게 된다[10-12].

후속연구

본 연구에서는 위상잠금 열화상을 이용하여 SM45C 이면결함 크기를 측정하는데 있어 발생하는 측정 불확도를 평가하였다. 측정 불확도를 평가함으로서 결함의 크기 측정에서 발생 가능한 오류를 최소화 할 수 있을 것으로 사료된다. 하지만, 본 연구에서는 가장 검출이 잘된 결함 하나만을 가지고 불확도 평가를 수행하였다.
하지만, 본 연구에서는 가장 검출이 잘된 결함 하나만을 가지고 불확도 평가를 수행하였다. 향후, 이미지 프로세싱 기법 연구와 같이 수행한다면 광-적외선 기법에 대한 신뢰성을 더 향상 시킬 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	적외선열화상의 장점?	적외선열화상(infrared thermography) 기술은 의료, 발전, 전력, 항공, 건설, 기계, 복합재료 분야등 다양한 산업분야에서의 비파괴검사에 적용되고 있으며, 그 활용범위가 점차 늘어가는 추세이다[1-4]. 적외선열화상은 기존의 비파괴검사보다 넓은 검사부위를 비접촉식으로 빠르고 시각적으로 이미지를 통하여 결과물을 얻을 수 있다는 점에서 장점이 있으며, 다양한 분야로 확대가 진행중이다[5-7]. 또한, 지금까지의 적외선열화상 검사는 광범위한 구역의 이상 유무를 판정하는 시스템으로 산업 전반에 활용하여 왔지만, 최근 적외선열화상을 이용한 비파괴검사 방법이 넓은 면적의 이상 유무의 판정만이 아닌 좀 더 좁은 구역에서 정밀한 비파괴검사 기술로 확대 응용되고 있다[8,9].
	적외선열화상의 사용분야?	적외선열화상(infrared thermography) 기술은 의료, 발전, 전력, 항공, 건설, 기계, 복합재료 분야등 다양한 산업분야에서의 비파괴검사에 적용되고 있으며, 그 활용범위가 점차 늘어가는 추세이다[1-4]. 적외선열화상은 기존의 비파괴검사보다 넓은 검사부위를 비접촉식으로 빠르고 시각적으로 이미지를 통하여 결과물을 얻을 수 있다는 점에서 장점이 있으며, 다양한 분야로 확대가 진행중이다[5-7].
	적외선열화상 검사 결과로부터 측정된 결함의 크기 및 형상은 무엇에 의거하여 제안된 개념인가	따라서 측정 불확도는 이러한 의심으로부터 측정량의 값을 정확하게 알 수 없다는 사실을 의거하여 제안된 개념이다[16]. 즉, 측정 결과에 대해 계통효과를 완전하게 보정할 수 없으며, 반복 측정 과정에 있어서 우연효과가 있기 때문에 항상 측정 결과는 추정치에 불가하게 된다[17].

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표제어: PCR

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