레이저 조사 형 광열 열 분석을 이용한 구조 가열에 의한 지층 결함 국산화

이 방법의 전반적인 목적은 구조화된 가열과 고해상도 열화상을 비파괴 및 비접촉 방식으로 사용하여 강철 시편 표면에 수직으로 배향된 표면 하 결함을 찾는 것입니다. 이 방법은 열화상 분야의 핵심적인 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 결함이 검출되기 위해 얼마나 작아야 하며 얼마나 깊게 위치해야 하는가 하는 점입니다.

이 기술의 주요 장점은 관찰 평면 내에서 전파되는 열파장을 생성할 수 있어, 수직 방향으로 배치된 결함에 매우 민감하다는 점입니다. 이 레이저 투사 광열 서모그래피 시스템은 벤치탑 브레드보드 위에 배치되어 있습니다. 이 시스템은 실험에 필요한 대부분의 준비 단계를 거친 상태입니다.

빔 경로의 시작 부분에는 레이저 광원이 있습니다. 이 레이저 파이버는 레이저 파이버 마운트에 의해 지지됩니다. 다음으로, 텔레스코프가 레이저의 빔 직경을 빔 라인의 후속 단계에 적절한 크기로 감소시킵니다.

빔 샘플러 뒤에는 500W 전력 측정기 헤드가 있어 레이저가 최대 출력으로 작동할 수 있도록 빔 에너지의 상당 부분을 흡수합니다. 빔 샘플러를 통과한 빔은 거울을 통해 프로젝터 개발 키트로 이동합니다. 이는 광 엔진과 렌즈를 제거한 분해된 상용 프로젝터입니다.

실험을 위해, 빔이 프로젝터로 들어갈 수 있도록 콜리메이트합니다. 프로젝터를 통과한 빔은 컴퓨터 제어 이동 스테이지에 장착된 시료와 만나게 됩니다. 이 설정을 완료하려면 프로젝터용 100 millimeter 초점 거리 렌즈를 준비하십시오.

이동 스테이지 바로 앞의 프로젝터 대물렌즈에 렌즈를 부착하십시오. 다음으로, LED 손전등을 프로젝터의 입력 광원으로 사용하십시오. 대물렌즈 앞에 흰색 종이를 배치하고, 종이 위에 이미지 평면의 위치를 나타내는 선명한 조명 직사각형이 나타날 때까지 종이를 이동시키십시오.

이 단계에서 실험에 사용할 시료를 준비합니다. 랩 잭(lab jack)이 장착된 선형 이동 스테이지 상의 빔 경로에 시료를 설치합니다. 랩 잭을 이용해 시료를 들어 올려 시료의 상단이 투영된 사각형의 상단과 일치하도록 맞춥니다.

결함이 이미지 평면의 조명 영역 내에 있는지 확인하십시오. 다음으로, 포스트 위에 금 거울을 배치하여 적외선 촬영을 준비하십시오. 거울은 산란된 빔을 카메라로 반사시킵니다.

프로젝터 근처의 포스트 홀더에 거울을 장착합니다. 거울은 시료의 상단 가장자리를 반사해야 하며, 시료 표면이 최대한 많이 보이도록 각도를 조절해야 합니다. 거울에서 반사된 빛은 삼각대에 장착된 적외선 카메라로 들어갑니다.

골드 미러를 통해 투사된 흰색 이미지가 보일 수 있도록 프로젝터 대물렌즈의 높이에 맞춰 위치시킵니다. 카메라가 컴퓨터로 제어되도록 설정하고 예열시킵니다. 카메라를 제어 소프트웨어에 연결한 후, 스틸 자를 준비합니다.

자 샘플 표면에 자를 대고 카메라의 초점을 수동으로 맞춥니다. 강철 자와의 온도 차이가 초점을 맞추는 데 도움이 됩니다. 가장 선명한 이미지가 나오도록 조정하십시오.

가장 중요한 단계 중 하나는 시료 표면에서 충분한 수평 해상도를 확보하는 것입니다. 이는 결핍선(line of depletion)이 명확하게 구분되어야 하기 때문에 중요합니다. 레이저 소프트웨어를 사용하여 레이저 전압을 10 volts로 설정하고 레이저를 작동시키십시오.

카메라 소프트웨어를 사용하여 프로젝터와 카메라 사이의 관계를 설정하십시오. 상단 옵션에서 Measure를 선택하십시오. Measure areas 툴바로 이동하여 십자형 툴(cross tool) 옵션을 선택하십시오.

레이저가 켜지면 열화상이 나타납니다. 도구를 사용하여 프레임의 모서리를 왼쪽 클릭하여 표시한 다음 좌표를 기록하십시오. 카메라 제어 소프트웨어를 실험에 맞게 설정해야 합니다.

먼저 카메라 패널로 전환하십시오. 거기서 Remote 버튼을 클릭하여 원격 제어 패널을 엽니다. 드롭다운 메뉴에서 Process-IO 옵션을 선택하십시오.

또한, Sync In 옵션과 Gate 옵션을 클릭하십시오. 그 다음 메뉴를 닫으십시오. Acquisitions 파라미터 탭에서 Acquisition 메뉴를 엽니다.

드롭다운 메뉴에서 External Sync를 선택하십시오. Folder 필드에 파일 및 폴더 이름을 입력하십시오. 그런 다음, Count 필드로 이동하여 이전에 계산한 프레임 수를 입력하고 Acquisition 메뉴를 닫으십시오.

Record를 선택하여 카메라 데이터 수집을 시작하십시오. 이 시점에서 실험 제어 소프트웨어로 이동하십시오. Activate를 클릭하여 모션 컨트롤러를 활성화하십시오.

다음으로, 스캔 범위에 결함 부위가 포함되도록 시작 및 종료 위치를 mm 단위로 편집하십시오. 그 후 mm/s 단위로 속도를 입력하십시오. 측정 시작(Start Measurement)을 클릭하십시오.

Choose Area Color 필드를 왼쪽 클릭하십시오. 색상 대화 상자에서 패턴 영역에 사용할 색상을 선택하십시오. 그리기 도구 모음으로 이동하여 사각형 도구를 선택하십시오.

이미지 영역으로 이동하여 툴을 사용하여 이전에 찾은 프로젝터 픽셀 도메인과 일치하는 사각형을 생성하십시오. 이어서 define Area를 클릭하십시오. 대화 상자에서 투사 패턴 속성을 설정할 수 있습니다.

신호 유형(Signal Type) 드롭다운 메뉴에서 사인파(Sine Wave)를 선택하십시오. 사인파를 정의하려면 위상 이동(Phase Shift) 필드를 0도로 설정하십시오. 또한, 주파수(Frequency)를 hertz 단위로 설정하십시오.

Amplitude를 최대로 설정하십시오. 다음으로, Voltage 필드에서 레이저 전압을 V 단위로 입력하십시오. Pictures per period 필드에는 이전에 계산된 값을 입력하십시오.

다음(Next)을 클릭하십시오. 이와 유사한 단계로 180도 위상차를 갖는 다른 색상의 두 번째 직사각형을 생성하십시오. 미리보기 슬라이더를 사용하여 이미지 시퀀스를 미리 확인하십시오.

그 다음 Start 버튼을 눌러 실험을 시작합니다. 이동 스테이지가 샘플을 선택한 범위 내에서 천천히 이동시켜, 투사된 진동 구조 조명에 서로 다른 영역이 노출되도록 합니다. 이 실험의 총 이동 시간은 200초입니다.

시료가 이동함에 따라 열 적외선 카메라가 40 Hz의 속도로 열 영상을 획득합니다. 이 열 영상 시퀀스는 조명에 의해 생성된 열파장 필드의 예를 제공합니다. 모든 프레임의 획득이 완료되면 실험을 종료하십시오.

필요한 후처리를 수행하려면 후처리 소프트웨어에 데이터 프레임을 로드하십시오. 데이터 변환이 완료되면 이전에 찾은 투영점 좌표를 입력하십시오. Transform을 클릭하여 데이터를 프로젝터 픽셀 도메인으로 변환하십시오.

온도 정보를 추출하려면 두 지점의 좌표를 입력하여 고갈선을 정의하십시오. 실험 중 시료의 시작 위치에서의 속도 매개변수를 입력하십시오. 또한 적외선 카메라의 FrameRate와 패턴의 사인파 Frequency를 입력하십시오.

마지막으로 데이터 후처리 파라미터가 정확한지 확인하십시오. 준비가 되면 Evaluate를 클릭하십시오. 균열 위치가 강조된 필드에 표시됩니다.

이 데이터는 약 1/4 mm 깊이에 결함이 있는 테스트 샘플에서 수집되었습니다. 샘플은 초당 0.05 mm의 속도로 이동되었습니다. 검은색 곡선은 상단 가로축을 따라 시간에 따른 온도 변화를 나타냅니다.

시간은 또한 하단 축을 따른 위치로 변환될 수 있습니다. 빨간색 실선 곡선은 비진동성 온도 증가에 대한 피팅 결과입니다. 빨간색 점선은 결함의 위치를 나타냅니다.

추가적인 후처리를 거친 동일한 데이터입니다. 파란색 곡선은 힐베르트 곡선이며 결함이 최소화된 상태입니다. 이 데이터는 스캔 속도를 0.1 millimeters per second로 두 배 높인 후 수집되었습니다.

첫 번째 측정과 비교했을 때, 신장량은 동일하지만 발진 주파수는 감소했습니다. 샘플이 새로운 위치로 이동되었으며, 이는 측정 결과에 반영되었음에 유의하십시오. 표면에서 1mm 아래에 결함이 있는 상태로 프로토콜을 사용할 경우, 위치 결정은 가능하지만 불확실성이 더 커질 수 있습니다. 두 그래프 모두 0.1 millimeters per second의 스캔 속도로 수집된 데이터를 사용하였습니다.

이 기술의 개발 이후, 비파괴 검사 분야의 연구자들은 구조광 조명의 활용 방안을 탐구할 수 있는 길을 열게 되었습니다. 이 절차를 통해 다른 유형의 결함을 찾기 위해 더 다양하고 복잡한 조명 패턴을 사용할 수 있습니다. 지금까지는 강철에 대해서만 테스트가 이루어졌으나, 가해지는 열 응력이 낮기 때문에 특히 플라스틱, 복합 재료 및 기타 매우 민감한 재료에 대해 본 방법의 활용 가능성이 매우 높습니다.

현재 실험 설정의 병목 현상은 공간 광 변조기의 열 응력 제한입니다. 따라서 측정 시간은 2~3분을 초과하지 않도록 주의해야 합니다. 지금까지는 두 개의 적분 열원만이 생성되었습니다.

하지만 원칙적으로 이 설정을 사용하면 최대 100만 개의 열원을 생성하고 제어할 수 있으며, 이는 임의의 정규 파동 성형이라는 또 다른 분야를 가능하게 합니다. 이 영상을 시청한 후에는 레이저 투사 광열 서모그래피를 사용하여 표면 하 결함을 찾는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 4등급 고출력 적외선 레이저를 사용하는 것은 매우 위험할 수 있으며, 레이저 보호 고글 착용과 같은 예방 조치를 항상 취해야 한다는 점을 잊지 마십시오.