광역 레이저 스캐닝 기법을 이용한 정상파 응답 영상화 기반 크랙 결함 탐지 :Crack detection based on full-field standing wave imaging using wide-area laser scanning

임성진

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임성진 (전남대학교, 전남대학교 대학원)

지도교수: 박규해

발행연도: 2020

저작권: 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수4

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

레이저 스캐닝 기반 다중 주파수 정상파 영상화 기법

임성진 , 전준영 , 박규해 외 2명 비파괴검사학회지 2020.04 학술저널

광역 레이저 스캐닝 기법을 이용한 정상파 응답 영상화 기반 크랙 결함 탐지

임성진 기계공학과 2020.01 학위논문

2019

레이저 스캐닝 기반 유도 초음파 및 정상파 응답 영상을 활용한 크랙 결함탐지 기법

임성진 , 전준영 , 박규해 외 2명 비파괴검사학회지 2019.12 학술저널

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플랜트, 대형 발전소 및 건축물, 선박, 항공기 등 다양한 분야에 평판 구조물은 활용되며, 평판 구조물의 효율적인 사용과 유지관리를 위해 초음파를 이용한 비파괴검사는 널리 사용되고 있다. 하지만 기존의 초음파를 이용한 비파괴검사의 경우, 대부분 접촉식 센서를 활용한다. 검사 대상 구조물이 거대하거나 원거리의 경우 원하는 지점을 측정하기 위한 센서 설치비용이 증가하며 다양하고 정확한 측정을 위해 다수의 센서를 설치하는 경우 센서, 케이블 및 센서 전원공급 등 어려움이 발생한다. 이와 같은 배경으로 비접촉 측정 장비를 이용한 비파괴검사에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 그 중에서 작업 공간의 제약이 없어 원거리 및 거대 구조물에서 신속한 검사가 가능하고 조밀한 측정 해상도를 갖는 레이저를 활용한 다양한 연구가 진행되고 있다.
레이저를 이용한 연구는 초음파의 생성부터 소멸까지의 영상을 얻는 유도 초음파 전파 영상화와 구조물의 정상파 응답 초음파 영상화를 사용하는 기법이 주로 사용되며, 획득한 영상을 이용하여 신호처리를 통해 결함을 가시화하는 연구가 활발히 진행되고 있고, 낮은 신호 대 잡음비(SNR)를 극복하기 위한 연구 또한 활발히 진행 중이다.
본 연구에서는 레이저 스캐닝 시스템 기반 초음파 영상 측정 기술을 활용하여 구조물의 크랙 결함을 가시화하는 연구를 수행하였다. 크랙 결함을 가시화하기 위해 정상파 응답 영상 초음파 영상화 기법을 활용하였고, 정상파 응답 영상 측정 기법은 높은 SNR을 가지고 동기화 과정이 필요하지 않아 매우 빠른 속도로 측정이 가능하다. 구조물에 부착된 압전소자가 단일 주파수로 정상파 신호를 생성하고, 이 때 발생되는 구조물의 정상파 응답 영상을 레이저 도플러 진동계와 거울 방향 조절 장치를 통해 측정하였다. 정상파 응답 영상은 주로 부식이나 Delamination 탐지에 주로 사용되었으나, 본 연구에서는 획득한 영상을 통해 크랙 결함에 의해 발생되는 정상파 영상의 변화 분석을 수행하여 각 초음파 영상화 기술의 특성을 반영한 크랙 결함 탐지 기법을 개발하였다. 실제 산업현장에서 알루미늄이나 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 등이 구조물에 쓰이며 검증을 위해 알루미늄 판재, 피로파괴 구조물 및 CFRP 구조물에서의 크랙 결함 가시화 실험을 수행하였다. 실험 결과를 토대로 본 연구에서 개발한 기법과 기존 기법과의 성능 비교를 통해 우수성을 검증하였고, 크랙 결함 가시화에 효과적임을 증명하였다.

Plate structures are widely used in various engineering fields including large power plants, buildings, ships and aircrafts. Non-destructive testing(NDT) using ultrasonic is widely used for efficient damage detection of structures. However, most conventional non-destructive testing is performed by contact sensors. If the structure is large or has a long distance from the data acquisition system, the installation cost of the sensor is increasing, and difficulties such as sensor, cable, and sensor power supply occur when installing multiple sensors for required measurements.
Therefore, a large amount of research efforts on non-destructive testing using non-contact sensing have been actively investigated. Among them, various studies are being carried out using lasers that can quickly inspect in long-distance and large structures and have dense measurement resolution. Studies using lasers are actively being conducted to visualize defects through signal processing using ultrasonic propagation imaging in both guided and standing wave fields.
This study describes a crack detection technique using full-field waveforms based on laser scanning. Ultrasonic imaging technique(standing waves) is used for crack detection. For the standing wave-based technique, the steady-state response was obtained from a laser doppler vibrometer and mirror tilting device using a single-fixed frequency excitation (>40kHz) by a mounted piezoelectric transducer. Signal processing based on two-dimensional wavelet filtering is used for crack detection and visualization. In addition, a directional band pass filtering technique and adjacent wave subtraction energy mapping technique is developed. Several experiments are performed on aluminum and composite plates to demonstrate the effectiveness of the proposed techniques. The results demonstrate that the proposed techniques are considerably effective in crack detection and visualization.

#레이저 스캐닝 #크랙 결함탐지 #비파괴검사 #초음파 영상화

제 1 장 서 론 1
1.1 서론 1
1.2 레이저를 이용한 비파괴검사 연구동향 3
1.2.1 레이저를 이용한 가진 기법 4
1.2.2 레이저를 이용한 측정 기법 6
1.2.3 정상파 가진 및 레이저 측정 7
1.3 레이저를 이용한 크랙 결함 탐지 연구동향 8
1.4 연구목적 9
1.5 연구공헌 10
1.6 논문의 구성 10
제 2 장 이론적 배경 12
2.1 Lamb wave (램 파) 12
2.2 레이저를 이용한 초음파 수신 15
2.2.1 도플러 효과 15
2.2.2 헤테로다인 간섭계 16
2.3 정상파 영상화 기법 18
2.3.1 정상파 초음파 응답 획득 18
2.3.2 정상파 초음파 기반 결함 탐지 기법 23
2.3.2.1 음향 파수 분광법 23
2.3.2.2 2차원 웨이블릿 변환 결함 탐지 기법 27
제 3 장 구조물의 크랙 결함 탐지 30
3.1 모드 분리 30
3.2 방향 별 필터 기반 크랙 결함 가시화 기법 32
3.3 인접 웨이브 에너지 감산 맵핑 기법 35
3.4 2차원 웨이블릿 필터링 기법 38
제 4 장 실험적 검증 42
4.1 레이저 스캐닝 시스템 구성 42
4.2 알루미늄 판재 크랙 결함 탐지 44
4.2.1 실험 setup 44
4.2.2 정상상태 응답 45
4.2.3 기법 적용 결과 46
4.3 CFRP 복합재 구조물 크랙 결함 탐지 47
4.3.1 실험 setup 47
4.3.2 정상상태 응답 48
4.3.3 기법 적용 결과 49
4.4 알루미늄 판재 각도 별 크랙 결함 탐지 50
4.4.1 실험 setup 50
4.4.2 정상상태 응답 51
4.4.3 기법 적용 결과 52
4.5 알루미늄 판재 hairline 크랙 결함 탐지 53
4.5.1 실험 setup 53
4.5.2 정상상태 응답 54
4.5.3 기법 적용 결과 55
제 5 장 결론 및 향후 계획 59
5.1 연구 결론 59
5.2 향후 계획 59
참고문헌 61
영문초록 67

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