Infrared (IR) thermography technique has great potential for noncontact, nondestructive, noninvasive, and instantaneous detection of a structural defect. In particular, thermal wavefield imaging with high temporal and spatial resolutions enables us to extract and evaluate even a micro-scale defect. This dissertation aims to develop and validate an advanced optic-based laser scanning thermography for real-time micro-defect evalua-tion. The detailed objectives are: (1) development and advancement of conventional optic-based laser scanning thermography, (2) development of reference-free micro-defect evaluation algorithm for real-time inspection, (3) experimental validations of the proposed techniques through lab-scale tests, and (4) applications to real struc-tures or components. These objectives offer the following uniqueness: (1) the proposed laser scanning thermog-raphy system facilitate real time defect evaluation owing to fast data acquisition and processing, (2) the new micro-defect evaluation algorithm can be applied for instantaneous and automated defect evaluation without any user’s intervention, and (3) the applicability of laser scanning thermography for subsurface defect detection investigated.
The optic-based laser scanning thermography system is developed by introducing three different laser scanning schemes: (1) single-spot laser scanning, (2) line laser scanning, and (3) multi-spot laser scanning. The proposed laser scanning system scans a laser beam onto a target structure surface and measures the correspond-ing thermal wave propagation using an IR camera. The presence of a surface and/or a subsurface micro-defect is revealed with the interfered propagation of the thermal energy, and this results in a localized temperature dif-ference. To extract and evaluate the micro-defect, a novel reference-free micro-defect evaluation algorithm is developed. First, a newly developed thermal image feature extraction method based on feature extracting filter is adopted for thermal wavefield data processing. Then, a binary image processing algorithm based on extreme value statistics is applied. In the case of surface defect evaluation, a noise removal process using Hough trans-form is implemented. The proposed algorithm diagnoses micro-defects using only current-state data, making it possible to avoid false alarms caused by operational and environmental variations. The proposed reference-free micro-defect evaluation algorithm is able to provide instantaneous and automated diagnostic results to users, making it suitable for real-time inspection. The proposed laser scanning thermography system and reference-free micro-defect evaluation algorithm are validated through lab-scale tests. Validation tests are performed on three different types of specimens such as a semiconductor chip with surface micro-crack, a steel plate with fa-tigue crack, and a CFRP plate with subsurface delamination. The feasibility of the proposed system and algo-rithm is also investigated by detecting interface cracks in a composite piezoelectric material and a GFRP com-posite wind turbine blade.
최근들어 토목, 기계, 전자 및 항공 등의 다양한 산업분야에서 구조물의 안정성 및 신뢰성을 확보하고자 하는 수요가 급증하면서, 비파괴 검사 기술 개발 연구에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 논문에서는 접촉식 센서 기반의 비파괴 검사 기술이 가지는 한계점을 극복하고, 기존의 열화상 기술이 가지는 단점을 해결할 수 있는 광학 기반의 레이저 스캐닝 열화상 기법을 개발하고 실험실 단위의 실험을 통해 검증하였다. 광학 기반의 레이저 스캐닝 열화상 기법을 위해 세가지 방식의 스캐닝 기법을 도입하였다: (1) 단일 레이저 빔 스캐닝, (2) 선형 레이저 빔 스캐닝, (3) 다중 레이저 빔 스캐닝. 레이저 스캐닝 열화상 시스템은 대상물 표면에 레이저를 스캐닝하고, 대상물 표면의 열적 변화를 열화상 카메라로 계측한다. 대상물에 존재하는 결함은 표면의 열적 변화 양상을 변화시켜 국부적 온도 차를 유발하게 된다. 따라서 대상물 표면을 따라 전도되는 열적 특성 변화 및 대상물의 내부로 확산되는 열적 특성 변화를 가시화하고, 이러한 특성 변화를 열화상 신호로부터 추출하여 미세 결함 평가에 활용하였다. 제안된 결함 평가 알고리즘은 열화상 영상으로부터 특성화 이미지를 추출해 냄으로써 결함에 대한 1차 정보를 뽑아내는 과정을 포함하고 있다. 그리고 통계적 분석을 통해 계산된 임계치 값을 기준으로 이진화 처리를 거쳐 결함 정보를 가시화 함과 동시에 노이즈 성분을 효율적으로 제거하였다. 표면 결함 검출을 위해서는 추가적으로 허프 변환을 활용한 노이즈 제거 과정을 도입하였다. 해당 알고리즘은 무기저 결함 평가가 가능하며, 오보율을 줄이고 자동 평가가 가능하다. 또한 즉각적이고 자동화된 검사가 가능하다. 개발된 시스템과 신호/영상 처리 알고리즘의 성능은 반도체 칩의 미세 균열, 스틸의 피로 균열 및 복합재의 내부 결함 평가를 통해 검증하였다. 특히 기존의 레이저 스캐닝 열화상 시스템은 내부 결함 평가에 적용된 바가 없었지만, 본 연구에서는 다중 레이저 빔을 활용하여 복합재의 내부 결함 평가가 가능함을 검증하였다. 또한 본 시스템의 실 구조물 적용성 평가를 위해 복합 압전 소자 및 풍력발전기 블레이드 결함 평가가 가능함을 검증하였다. 특히 기존의 레이저 스캐닝 열화상 시스템은 내부 결함 평가에 적용된 바가 없었지만, 본 연구에서는 다중 레이저 빔을 활용하여 복합재의 내부 결함 평가각 가능함을 검증하였다. 따라서 본 논문을 통해 수행된 연구의 장점 및 독창성은 다음과 같이 요약할 수 있다. (1) 완전한 비접촉식 비파괴식, 비방해식의 레이저 스캐닝 열화상 시스템 개발, (2) 단순한 구조물부터 복잡한 구조물에까지 적용 가능한 무기저 미세 결함 평가 알고리즘 개발, (3) 레이저 스캐닝 열화상 시스템을 이용한 내부 결함 검출 가능성 검증, (4) 다중 레이저 빔 스캐닝을 도입한 실시간 결함 평가 가능성 검증. 하지만 실제 ㄱ조물에 안정적으로 적용이 가능하며 신뢰도 높은 결과를 제공하기 위해서는 여전히 극복해야 할 기술적 한계가 남아있으며, 향후 해당 분야의 거듭된 연구와 발전을 통해 다양한 분야에서 미세 결함 평가에 활용될 것으로 기대된다.
