[논문]용접 품질 검사를 위한 초음파 신호의 노이즈 제거 및 C-Scan 영상 형상화

김태규; 서종덕; 이동형; 강언욱; 권성근

doi:10.9717/kmms.2017.20.10.1662

용접 품질 검사를 위한 초음파 신호의 노이즈 제거 및 C-Scan 영상 형상화
Noise Reduction and C-Scan Image Shaping of Ultrasonic Signal for Welding Quality Inspection 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.20 no.10, 2017년, pp.1662 - 1670

김태규 (School of Electronics Engineering, Kyungpook National University) , 서종덕 (R&D Center, SHIN YOUNG Co., LTD) , 이동형 (Management Division, ZINSOFT Cooperation) , 강언욱 (R&D Center, GemTech) , 권성근 (Department of Electronics Engineering, KyungIl University)

Abstract ▼ AI-Helper

A-Scan NDT equipment is widely used in the industrial field because it is inexpensive and easy to carry but it is necessary to have a skilled inspection specialist who is trained to analyze the waveform of ultrasonic signal. Since the welding quality is judged subjectively by the specialist, there is a problem in the reliability of the quality. In the C-Scan NDT which overcomes the shortcomings of the A-Scan, welding part can be represented in the form of two dimensional image by combining one dimensional ultrasonic waveform so that the quality of welding can be grasped without the help of specialist. In order to develop C-Scan NDT, it is necessary to develop an array type two dimensional transducer and an algorithm to composing image by combining ultrasonic signals generated from a two dimensional transducer. In addition, the noise component must be minimized in the ultrasonic signal in order to display the quality of welding in the form of images. Therefore we propose a method to remove noise component from the ultrasonic wave and construct a two dimensional ultrasonic image.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 비파괴 검사 전문가의 도움 없이 용접의 품질을 영상으로 표현하기 위해서는 탐촉자에서 출력되는 초음파 신호에서 노이즈 성분이 최소화되어야 한다[9]. 따라서 본 논문에서는 탐촉자에서 생성된 초음파 신호에서 효과적으로 노이즈를 제거할 수 있는 방법과 배열 형태의 1차원 초음파 파형을 2차원 영상으로 구성하는 방법을 제안한다.

제안 방법

용접 품질 불량시편의 경우 이물질을 임의로 삽입하여 용접하여 양품과 불량품이 차이나도록 만들었다. 단일 초음파 트랜스듀서를 C-scan 방식과 유사한 2차원의 형태로 구성하여 Fig. 8과 같이 여러 형태의 용접 시편에 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 시편 내부에서 초음파 신호의 전파, 산란, 잡음에 대하여 전반적인 모델링하고, 이를 기반으로 Kalman filter를 통해 신호의 노이즈를 제거하였다. 또한 잡음 성분이 제거된 신호를 적절한 양자화를 통하여 C-scan 형태의 2차원 영상으로 표현하였다.
용접의 품질을 평가하기 위한 다양한 방법 중 비파괴 검사가 보편화 되고 있다. 본 논문에서는 시편 내부에서 초음파 신호의 전파, 산란, 잡음에 대하여 전반적인 모델링하고, 이를 기반으로 Kalman filter를 통해 신호의 노이즈를 제거하였다. 또한 잡음 성분이 제거된 신호를 적절한 양자화를 통하여 C-scan 형태의 2차원 영상으로 표현하였다.
본 논문은 2장에서 초음파 비파괴 검사의 동작 원리와 초음파 신호에 포함된 노이즈 성분을 제거하는 방법, 3장에서 제안한 초음파 신호의 노이즈 제거 방법 및 C-Scan 영상의 형상화 방법, 4장에서 제안한 노이즈 제거 방법 및 형상화 기법의 성능 평가를 위한 실험 결과로 각각 구성된다.
본 실험에서는 반사되어 수신된 트랜스듀서의 에코 신호를 MATLAB 프로그램으로 제작된 칼만 필터 함수를 이용하여 처리하였다. 시편에 표면에서 반사되어 생성된 초기 펄스 성분에 포함된 노이즈 성분 제거하고 추정값을 구하는 것은 본 논문에서 목표하는 용접품질과 무관하기 때문에 필터링후의 결과 신호가 실제 실험값과 다른 진폭을 가진다.
7에서와 같이 용접 품질에 매칭될 수 있도록 몇 단계로 양자화 한다면 A-Scan 에코 파형을 C-scan 영상으로 구성하는데 매우 효과적일 것이다. 제안한 방법에서는 에코 파형의 크기를 5 단계로 양자화함으로써 용접 품질을 5단계로 분류하고 이를 2차원 그레이 영상으로 변환하여 C-Scan 방식의 초음파 비파괴 검사 시스템을 구현할 수 있다.
제안한 초음파 신호 분석 알고리즘의 성능을 평가하기 위하여 자동차 구조용 강판 SAPH-400에 겹치기 저항 점용접 (lap resistance spot welding, LRSW)을 사용하여 실험을 하였다. 용접 품질 불량시편의 경우 이물질을 임의로 삽입하여 용접하여 양품과 불량품이 차이나도록 만들었다.

성능/효과

제안한 방법에 의해서 신뢰성 있는 검사 결과를 얻을 수 있고, 검사 전문가가 아닌 일반 사용자도 쉽게 용접의 품질을 파악할 수 있도록 한다. 실험 결과에서 신호에 포함된 노이즈 효과적으로 제거되고 신뢰성 있는 C-scan 영상을 획득함을 확인하였다. 본 논문에서 제안된 기술을 이용한다면 검사 전문가가 없더라도 영상을 통해 용접 품질을 평가하므로 시간 비용적인 면에서 산업 전반에 도움이 될 것이다.
제안한 방법에 의해서 신뢰성 있는 검사 결과를 얻을 수 있고, 검사 전문가가 아닌 일반 사용자도 쉽게 용접의 품질을 파악할 수 있도록 한다. 실험 결과에서 신호에 포함된 노이즈 효과적으로 제거되고 신뢰성 있는 C-scan 영상을 획득함을 확인하였다.

후속연구

실험 결과에서 신호에 포함된 노이즈 효과적으로 제거되고 신뢰성 있는 C-scan 영상을 획득함을 확인하였다. 본 논문에서 제안된 기술을 이용한다면 검사 전문가가 없더라도 영상을 통해 용접 품질을 평가하므로 시간 비용적인 면에서 산업 전반에 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적인 초음파 검사 장비의 구성은 무엇인가?	일반적인 초음파 검사 장비는 Fig. 1에서와 같이 펄스 생성기(pulse generator), 펄스 수신기(pulse receiver), 초음파 트랜스듀서(transducer), 및 디스플레이로 구성된다[10].
	초음파 비파괴 검사는 무엇인가?	초음파 비파괴 검사는 1∼15 MHz 대역의 초음파를 이용하여 물체 내부에 존재하는 결합의 위치, 물체의 두께, 및 금속의 표면 특성 등을 측정한다. 일반적인 초음파 검사 장비는 Fig.
	초음파 NDT 장비 측정 신호의 표현방법 3가지의 특징은 무엇인가?	이와 같은 초음파 NDT 장비는 측정 신호의 표현 방법에 따라 A-Scan, B-Scan, 및 C-Scan 방식으로 구분된다. A-Scan 방식에서는 측정된 초음파 신호를 시간과 진폭의 관계로 표현하고, B-Scan 방식에서는 수직 단면의 정보를 제공하며, C-Scan 방식에서는 다수의 A-Scan 측정 파형을 조합하여 2차원 영상으로 표현한다[4]-[6].

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
S.G. Kwon, D.H. Lee, and J.D. Seo, "Ultrasonic Echo Signal Anlaysis for Welding Inspection," Proceeding of International Science and Technology Conference, pp. 17-19, 2017.
M.A. Izquierdo, M.G. Hernandez, and J.J. Anaya, "Time-varying Prediction Filter for Structural Noise Reduction in Ultrasonic NDE," Ultrasonics, pp. e1001-e1005, 2006.
NDT Resource Center, https://www.nde-ed.org/index_flash.htm (accessed Aug., 16, 2017).
R.G. Brown and P.Y.C. Hwang, Introduction to Random Signals and Applied Kalman Filtering: with MATLAB Exercises and Solutions, Wiley and Sons, New Jersey, 1996.

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