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KR20200045757A - 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치 및 방법 - Google Patents

초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치 및 방법 Download PDF

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KR20200045757A
KR20200045757A KR1020180126658A KR20180126658A KR20200045757A KR 20200045757 A KR20200045757 A KR 20200045757A KR 1020180126658 A KR1020180126658 A KR 1020180126658A KR 20180126658 A KR20180126658 A KR 20180126658A KR 20200045757 A KR20200045757 A KR 20200045757A
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South Korea
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shape
unit
ultrasonic
heat treatment
metal material
Prior art date
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권성근
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경일대학교산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 다양한 형상 표면의 열처리 상태를 신속하고 용이하게 검사할 수 있는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 금속재료의 표면에 복수의 초음파 신호를 방사하고 방사된 초음파 신호에 대한 복수의 1차원 에코 신호를 수신하는 복수의 초음파 프로브를 가지는 신호 검출부와, 수신된 복수의 1차원 에코신호를 이용하여 2차원 또는 3차원 초음파 영상을 구성하는 영상 구성부를 구비하는 제어부와, 복수의 초음파 프로브가 배열되어 변형가능하게 플렉시블한 플레이트로 된 형상 변형부와, 형상 변형부의 형상을 변형시키는 구동부와, 금속재료의 표면형상에 따라 형상 변형부의 형상을 변형시키도록 금속재료의 표면형상을 센싱하는 형상 센싱부와, 금속재료의 표면을 스캐닝하도록 형상 변형부와 형상 센싱부를 이송시키는 이송부를 포함하는 검사장치와, 이를 이용한 검사방법이다.
본 발명에 의하면, 복수의 프로브가 배치된 형상변형부를 금속재료의 표면 형상에 따라 변형시키면서 다양한 형상 표면의 열처리 상태를 신속하고 용이하게 검사할 수 있다는 효과가 있다.

Description

초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치 및 방법{Inspection Device and Method of Heat Treatment Status by using Ultrasonic}
본 발명은 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다양한 형상 표면의 열처리 상태를 신속하고 용이하게 검사할 수 있는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치 및 방법에 관한 것이다.
열처리란 재료에 가열, 냉각 등의 조작을 적당한 속도로 하여 그 재료의 특성을 개량하는 조작으로 온도에 의해서 존재하는 상(相)의 종류나 배합을 변화시키는 것으로, 금속의 잔류응력을 감소하거나 내부 조직을 변화시켜 필요한 기계적인 성질을 얻는 것을 말하며 동일 재료도 열처리에 따라 그 적응성은 광범위하게 변할 수 있다.
열처리법은 강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 뒤, 마르텐사이트 조직으로 변화시키기 위해 급냉시키는 열처리 방법인 담금질(Quenching), 담금질한 조직을 안정한 조직으로 변화시키고 잔류응력을 감소시켜, 필요로 하는 성질과 상태를 얻기 위한 뜨임(Tempering), 재료를 일정 온도까지 일정 시간 가열을 유지한 후 서서히 냉각시키면, 변태로 인해 최초의 결정 입자가 붕괴되고 새롭게 미세한 결정입자가 조성되어 내부 응력이 제거될 뿐만 아니라 재료를 연화되도록 하는 풀림(Annealing), 및 결정 조직을 미세화하고 냉간 가공이나 단조 등으로 인한 내부 응력을 제거하며 결정 조직이나 기계적 성질과 물리적 성질을 표준화시키는 불림(Normalizing)등이 있다.
상기와 같은 열처리를 통하여 모든 상업기계, 구조물, 모든 소성가공, 성형가동, 형상물 등에 적용하여 그 성질에 적합하도록 변화시킬 수 있게 된다.
열처리의 목적은 경도나 항장력을 확대, 조직 연화 및 기계가동에 적합한 재료 제작, 조직 미세화로 방향성을 작게 하고 편석이 작고 균일한 상태로 변환, 중간 풀림 열처리를 통하여 냉간가공 영향 제거, 변형방지 및 응력제거, 조직의 안정화, 내식성 개선, 자성의 향상, 표면 경화를 통하여 기계적 성질을 향상시키는 것이다.
그러나, 열처리 과정을 동일하게 한 금속일지라도 다양한 변수들로 인하여 금속의 기계적 상태 및 물리적 성질이 변할 수 있으므로, 금속재료를 사용하기 전에는 기계적 상태 및 물리적 성질이 적합한지를 측정할 필요가 있다.
현재에는 열처리 상태를 측정하는 방법으로는 샘플링 파괴검사가 있으나, 이는 금속재료를 손상시키는 문제가 있다.
이에 따라, 비선형 초음파 기법을 사용하여 금속재료의 종류와 열처리법의 종류에 따른 금속재료의 열처리 상태를 측정하는 기술이 한국공개특허 제2012-0139216호, 비선형 음향효과에 의한 고온 재료의 파괴인성 열화도 평가(비파괴검사학회, 2000.10. Vol.20. No.5 논문) 등으로 개시되어 있다.
한국공개특허 제2012-0139216호는 초음파를 이용한 열처리 상태 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 금속재료의 종류 및 열처리법의 종류를 입력하는 입력부, 톤버스트(TONE BURST) 웨이브 형태의 초음파를 발생시켜, 금속재료의 표면에 전파시키는 초음파 송신부, 금속재료의 표면에 전파된 표면파 신호를 수신하는 표면파 수신부, 및 표면파 수신부를 통해 수신한 표면파 신호와 초음파 주파수를 이용하여 비선형 파라미터 값을 계산하고, 계산된 비선형 파리미터 값이 메모리에 저장된 금속재료와 열처리법에 해당되는 비선형 파라미터 값의 범위에 포함되는 지를 판단하는 프로세서를 포함하는 초음파를 이용한 열처리 상태 측정 및 방법에 관한 것이다.
비파괴검사학회의 2000.10. Vol.20. No.5 논문은 비선형 음향효과에 의한 고온 재료의 파괴인성 열화도 평가에 관한 것으로서, 고온 장시간 사용재의 열화로 인한 파괴 인성의 저하를 초음파 방법으로 평가하기 위해 Cr-Mo-V강을 실험실에서 인공 열화처리하여 열화로 인한 손상 기구를 규명하고, 열화도에 따른 초음파 파라미터의 변화를 체계적으로 관찰하고, 초음파 파라미터로서는 속도, 감쇠와 비선형 음향 파라미터를 사용한 평가방법이다. 이 평가방법에서 비선형 파라미터를 구하기 위한 방법으로는 파워스펙트럼 해석의 단점을 보완하기 위해 3차의 자기 상관함수에 대한 2차원 퓨리에 변환으로 정의한 바이스펙트럼 해석을 수행하였다.
한국공개특허 제2012-0139216호(공개일 : 2012.12.27.)
비선형 음향효과에 의한 고온 재료의 파괴인성 열화도 평가(비파괴검사학회, 2000.10. Vol.20. No.5 논문)
본 발명은 복수의 프로브가 배치된 형상 변형부를 금속재료의 표면 형상에 따라 변형시키면서 다양한 형상 표면의 열처리 상태를 신속하고 용이하게 검사할 수 있는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치는 금속재료의 표면에 복수의 초음파 신호를 방사하고 방사된 초음파 신호에 대한 복수의 1차원 에코 신호를 수신하는 복수의 초음파 프로브를 가지는 신호 검출부와, 수신된 복수의 1차원 에코신호를 이용하여 2차원 또는 3차원 초음파 영상을 구성하는 영상 구성부를 구비하는 제어부와, 복수의 초음파 프로브가 배열되어 변형가능하게 플렉시블한 플레이트로 된 형상 변형부와, 형상 변형부의 형상을 변형시키는 구동부와, 금속재료의 표면형상에 따라 형상 변형부의 형상을 변형시키도록 금속재료의 표면형상을 센싱하는 형상 센싱부와, 금속재료의 표면을 스캐닝하도록 형상 변형부와 형상 센싱부를 이송시키는 이송부를 포함한다.
구동부는 형상 변형부의 형상을 변형시키는 복수의 매개부재를 구비한다.
이송부는 금속재료의 표면에 따라 형상 변형부와 형상 센싱부를 회전시키는 회전기구를 포함한다.
매개부재는 길이조절봉으로서 길이가 증감됨에 따라 형상변형부의 플레이트를 변형시킨다.
신호 검출부의 각 초음파 프로브는 복수의 1차원 에코 신호를 수신하는 배열 원소와, 상기 복수의 1차원 에코 신호의 포커스를 조절하기 위한 지연 소자를 포함한다.
영상 구성부는 영상 구성부는 형상 변형부를 이동하면서 초음파 프로브를 통해 복수의 1차원 에코 신호를 수신하여, 수신된 복수의 1차원 에코 신호를 이용하여 배열 원소들의 위치에 따른 수평 동기 및 수직 동기 신호를 예측하여 2차원 또는 3차원 초음파 영상을 구성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 검사방법은, 형상 센싱부를 통해 금속재료의 표면형상을 센싱하는 단계와, 센싱된 표면형상에 따라 형상 변형부의 형상을 변형시키는 단계와, 형상 변형부에 배치된 초음파 프로브를 통해 금속재료의 표면에 복수의 초음파 신호를 방사하고 방사된 복수의 초음파 신호 대한 복수의 1차원 에코 신호를 수신하는 단계와, 형상 변형부를 이동하면서 초음파 프로브를 통해 수신된 복수의 1차원 에코 신호를 이용하여 2차원 또는 3차원 초음파 영상을 구성하는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 복수의 프로브가 배치된 형상변형부를 금속재료의 표면 형상에 따라 변형시키면서 다양한 형상 표면의 열처리 상태를 신속하고 용이하게 검사할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 도 1에서 신호 검출부와 형상 센싱부를 위주로 나타낸 개략 도면이다.
도 3은 도 2의 형상 변형부에서 초음파 프로브의 배치 평면도이다.
도 4는 도 2의 형상 변형부 신호 검출부 및 구동부를 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 2의 초음파 프로브의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치로 금속재료 표면의 열처리 상태를 검사하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 상태 검사를 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 초음파 영상에서 노이즈를 제거하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 초음파 영상에서 노이즈를 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 초음파 영상을 복수의 영역으로 구분하고 컬러링 하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 초음파 영상을 복수의 영역으로 구분하고 컬러링 하는 방법을 설명하기 위한 화면 예이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파을 이용한 열처리 상태 검사장치의 일부를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치의 일부를 나타낸 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 도 1에서 신호 검출부와 형상 센싱부를 위주로 나타낸 개략 도면이다. 이하에서 본 발명의 실시예는 1차원 에코신호를 이용하여 2차원 초음파 영상을 구성하는 영상 구성부를 구비하는 제어부를 예로 들어 설명한다. 3차원으로 초음파 영상을 구성할 수 있음은 물론이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치(100)는 신호 검출부(110), 제어부(120), 형상 변형부(130), 구동부(140), 형상 센싱부(150), 이송부(160), 조작부(170) 및 표시부(180)을 포함한다.
신호 검출부(110)는 금속재료의 표면(S1)에 복수의 초음파 신호를 방사하고 방사된 복수의 초음파 신호 대한 복수의 1차원 에코 신호를 수신한다. 신호 검출부(110)는 위상 배열(Phased array) 방식으로 구성된 복수의 초음파 프로브로 구현될 수 있으며, 복수의 초음파 프로브(111)는 형상 변형부(130)에 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 배열된다. 이러한 초음파 프로브(111)는 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 배열 원소(array element, 111a) 및 지연 소자(delay device, 111b)를 포함할 수 있다. 배열 원소(111a)는 에코 신호를 수신하여, 지연 소자(111b)에 제공한다. 그러면, 지연 소자(111b)는 검사 대상에 대한 포커스를 조절한다. 이와 같이, 에코 신호가 포커스가 조절된 신호는 제어부(120)의 후술하는 영상 구성부(121)에 제공될 수 있다. 결국, 신호 검출부(110)는 검사 대상에 대해 초음파 프로브를 이동하면서 복수의 초음파 신호를 방사하고, 방사된 초음파 신호 각각에 대한 에코 신호를 수신하여, 이를 영상 구성부(121)에 제공한다.
제어부(120)는 영상 구성부(121)와 노이즈 제거부(122)와 영상 처리부(123)을 포함한다.
영상 구성부(121)는 기본적으로, 수신된 복수의 1차원의 초음파 에코 신호를 이용하여 2차원 영상을 구성하기 위한 것이다. 이를 위하여, 영상 구성부(121)는 초음파 프로브를 이동하면서 측정된 복수의 1차원 에코 신호를 수신하여, 수신된 복수의 1차원 에코 신호를 이용하여 배열 원소들의 위치에 따른 수평 동기(horizontal sync.) 및 수직 동기(vetical sync.) 신호를 예측하여 2차원(2D) 초음파 영상 신호를 구성한다.
노이즈 제거부(122)는 2차원 초음파 영상에서 노이즈 성분을 제거하기 위한 것이다. 노이즈 제거부(122)는 2차원 초음파 영상의 노이즈 성분을 모델링하고, 모델링된 노이즈 성분을 제거한다.
본 발명의 실시예에 따르면 노이즈 성분 모델링은 스펙클 노이즈 모델 혹은 Lospas 노이즈 모델에 따라 모델링될 수 있다.
스펙클 노이즈 모델은 다음의 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 노이즈 이미지이며,
Figure pat00003
는 알려지지 않는 노이즈 없는 이미지이다. 또한,
Figure pat00004
는 상승성 노이즈(multiplicative noise)이며,
Figure pat00005
는 상가성 노이즈(additive noise)이다.
Lospas 노이즈 모델은 다음의 수학식 2와 같다.
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
는 노이즈 이미지이며,
Figure pat00008
는 알려지지 않는 노이즈 없는 이미지이다. 또한,
Figure pat00009
는 상승성 노이즈이다.
노이즈 제거부(122)는 상가성 노이즈 제거를 위하여, 상가성 노이즈 제거 필터를 구비할 수 있다. 상가성 노이즈 제거 필터는 위너 필터(Wiener Filter)를 이용할 수 있다. 위너 필터는 최소 자승 오차에 기준에 따라 설계되는 것이 바람직하다. 이에 따른, 위너 필터의 설계 조건은 다음의 수학식 3과 같다.
Figure pat00010
(
Figure pat00011
: undegraded image)
노이즈 제거부(122)는 기본적으로, 웨이블릿 변환 영역에서 다해상도 영상의 밴드별 2D GARCH-GG 모델에 따라 설계된 MAP 예측기로부터 상승적 노이즈를 제거한다. 보다 상세히 설명하면, 노이즈 제거부(122)는 상승성 노이즈 제거를 위하여, 2차원 초음파 영상을 로그 변환 및 웨이블릿 변환(wavelet transform)한다. 그런 다음, 노이즈 제거부(122)는 이러한 웨이블릿 변환 영역에서 2차원 초음파 영상을 2D GARCH-GG(generalized autoregressive conditional heteroscedastic-generalized Gaussian) 모델에 따라 모델링한다. 이어서, MAP(maximum a posteriori) 예측기를 통해 상승성 노이즈를 제거한다. 다음으로, 노이즈 제거부(122)는 웨이블릿 역변환(inverse wavelet transform) 및 지수 변환을 통해 2차원 초음파 영상으로 변환한다.
영상 처리부(123)는 노이즈가 제거된 2차원 초음파 영상을 그대로 나타내면 형태의 구분이 용이하지 않기 때문에 노이즈가 제거된 2차원 초음파 영상에서 패턴의 영역을 구분하여, 구분된 각 영역을 직관적으로 인식할 수 있도록 컬러링을 수행한다.
이를 위하여, 영상 처리부(123)는 먼저, 노이즈가 제거된 2차원 초음파 영상에 대해 양자화를 수행한다. 일 실시예에 따르면, 이러한 양자화는 0~255까지의 레벨을 5개의 레벨로 간소화 시켜 수행될 수 있다. 그런 다음, 영상 처리부(123)는 실제로는 같은 영역으로 표현되어야 하지만 양자화에 의해 다른 영역으로 표시된 부분, 혹은 다른 영역으로 표시되어야 하는데 같은 영역으로 표시된 부분을 후처리(침식 및 팽창)를 통해 교정한다.
영상 처리부(123)는 각 영역에 따른 패턴을 통해 구분한다. 이러한 구분은 사전에 미리 알고 있는 초음파 영상의 정형화된 패턴으로부터 형태를 인식함으로서 이루어 질 수 있다. 그런 다음, 영상 처리부(123)는 각 영역에 대해 서로 다른 컬러로 컬러링을 수행한다. 영상 처리부(123)는 컬러링된 2차원 초음파 영상을 표시부(180)에 제공한다.
형상 변형부(130)는 복수의 초음파 프로브(111)가 배열되어 변형가능하게 플렉시블한 플레이트로 되어 있다.
구동부(140)는 형상 변형부(130)의 형상을 변형시키는 부분으로서, 복수의 매개부재(141)에 의해 당기고 밀게 됨에 따라 형상 변형부(130)의 형상을 변형시킨다. 매개부재(141)는 길이조절봉으로서 길이가 증감됨에 따라 형상 변형부(130)의 플레이트를 변형시킨다. 매개부재(141)는 실린더 기구의 로드로 될 수 있다.
형상 센싱부(150)는 검사하고자 하는 금속재료의 표면(S1) 형상에 따라 형상 변형부(130)의 형상을 변형시키도록 금속재료의 표면형상을 센싱하는 부분으로서, 형상 변형부(130)의 앞에 위치하여 초음파에 의해 그 형상을 검사하기 전에 표면형상을 센싱한다. 형상 센싱부(150)는 카메라 등의 촬영수단이 사용될 수 있다.
이송부(160)는 검사하고자 하는 금속재료의 표면을 스캐닝하도록 형상 변형부(130)와 형상 센싱부(150)를 이송시키는 부분으로서, 레일 등을 타고 이송하게 되어 있다.
조작부(170)는 제어부(120)를 조작하기 위한 입력신호를 입력시키거나 구동부를 구동하는 각종 스위치 등이 될 수 있으며, 검사의 입력 데이터를 입력시키는 부분이다.
표시부(180)는 컬러링된 2차원 초음파 영상을 화면으로 출력한다. 이러한 표시부(180)는 각 종의 디스플레이 장치가 될 수 있다. 예컨대, 표시부(180)는 액정표시장치(LCD, Liquid Crystal Display), 유기 발광 다이오드(OLED, Organic Light Emitting Diodes), 능동형 유기 발광 다이오드(AMOLED, Active Matrix Organic Light Emitting Diodes) 등으로 형성될 수 있지만, 이러한 것들로 한정하는 것은 아니다. 사용자는 화면으로 출력된 컬러링된 2차원의 초음파 영상을 통해 보다 정확한 비파괴 검사를 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치로 금속재료 표면의 열처리 상태를 검사하는 원리를 설명하는 도면이다. 도 6에 도시한 바와 같이 두께 T의 금속재료(M)에 일정 깊이(d)로 열처리가 되었을 경우에 금속재료의 표면에서 반사된 신호를 수신하는 경우(U1)와, 열처리 깊이(d)까지 들어가서 반사되는 신호를 수신하는 경우(U2)와, 금속재료의 바닥까지 들어가서 반사된 신호를 수신하는 경우(U)의 시간 차이가 발생하므로, 이 시간 차이의 데이터로 영상 등으로 처리하여 열처리부의 균일도 등을 검사할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열처리 상태 검사를 위한 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 열처리 상태 검사 장치(100)는 S210 단계에서 검사 진행방향의 앞에 위치한 형상 센싱부(150)을 통해 금속재료의 표면 형상을 센싱하고 데이터를 저장한다. S220 단계에서 저장된 데이터의 표면형상에 따라 형상 변형부(130)의 형상을 변형시킨다.
그리고, S230 단계에서 금속 재료의 표면에 복수의 초음파 신호를 방사하여, 복수의 초음파 신호에 대한 복수의 1차원 에코 신호를 수신한다. 즉, 열처리 상태 검사 장치(100)는 형상 변형부(130)와 형상 센싱부(150)을 센싱 영역만큼 한 번에 이송시키면서 금속 재료의 표면에 복수의 초음파 신호를 방사하고, 방사된 초음파 신호 각각에 대한 에코 신호를 수신한다.
그런 다음, 열처리 상태 검사 장치(100)는 S240 단계에서 복수의 1차원 에코 신호로부터 2차원(2D) 초음파 영상을 구성한다. 즉, 열처리 상태 검사 장치(100)는 측정된 복수의 에코 신호에서 배열 원소(array element)들의 위치에 따른 수평 동기(horizontal sync.) 및 수직 동기(vertical sync.)신호를 예측하여 2차원(2D) 초음파 영상을 구성한다.
열처리 상태 검사 장치(100)는 S250 단계에서 2차원 초음파 영상의 노이즈 성분을 모델링하고, 모델링된 노이즈 성분을 제거한다. 이러한 노이즈 제거는 열처리 상태 검사 장치(100)의 노이즈 제거부(122)를 통해 수행될 수 있다.
그런 다음, 열처리 상태 검사 장치(100)는 S260 단계에서 노이즈가 제거된 2차원 초음파 영상을 그대로 나타내면 형태의 구분이 용이하지 않기 때문에 노이즈가 제거된 2차원 초음파 영상에서 형태에 따라 영역을 구분하고, 구분된 각 영역을 직관적으로 인식할 수 있도록 컬러링을 수행한다.
이어서, 열처리 상태 검사 장치(100)는 S270 단계에서 각 영역이 구분되도록 컬러링된 2차원 초음파 영상을 화면으로 출력한다.
도 8는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 초음파 영상에서 노이즈를 제거하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 초음파 영상에서 노이즈를 제거하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 도 7의 S250 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 것이다.
도 8를 참조하면, 열처리 상태 검사 장치(100)의 노이즈 제거부(122)는 S310 단계에서 영상 구성부(121)로부터 노이즈가 포함된 2차원 초음파 영상을 수신한다. 도 9의 도면 부호 (a)의 화면은 노이즈가 포함된 2차원 초음파 영상을 보인다.
노이즈 제거부(122)는 S320 단계에서 2차원 초음파 영상에서 노이즈 성분을 모델링한다. 도 8에서 노이즈 성분을 모델링하기 위한 모델은 스펙클 노이즈 모델(Speckle Noise Model)이라고 가정한다. 스펙클 노이즈 모델은 앞서 설명된 바와 같이 수학식 1과 같다. 수학식 1에 따르면,
Figure pat00012
는 상승성 노이즈 (multiplicative noise)이며,
Figure pat00013
는 상가성 노이즈(additive noise)이다.
다음으로, 노이즈 제거부(122)는 S330 단계에서 상가성 노이즈 제거 필터를 이용하여 상가성 노이즈를 제거한다. 상가성 노이즈 제거 필터는 위너 필터(Wiener Filter)를 이용할 수 있다. 위너 필터는 최소 자승 오차에 기준에 따라 설계되는 것이 바람직하다. 이에 따른, 위너 필터의 설계 조건은 앞서 설명된 바와 같은 수학식 3과 같다.
그런 다음, 노이즈 제거부(122)는 S340 단계에서 2차원 초음파 영상을 로그 변환 및 웨이블릿 변환(wavelet transform)한다.
이와 같이, 2차원 초음파 영상이 웨이블릿 변환 영역으로 변환되면, 노이즈 제거부(122)는 S350 단계에서 상승성 노이즈를 제거한다. 이때, 노이즈 제거부(122)는 웨이블릿 변환 영역에서 2차원 초음파 영상을 2D GARCH-GG(generalized autoregressive conditional heteroscedastic-generalized Gaussian) 모델에 따라 모델링하고, MAP(maximum a posteriori) 예측기를 통해 상승성 노이즈를 제거할 수 있다. 도 9의 도면 부호 (b) 및 (c) 웨이블릿 계수에 대한 2D GARCH-GG 모델을 보인다.
이어서, 노이즈 제거부(122)는 S360 단계에서 웨이블릿 역변환(inverse wavelet transform) 및 지수 변환을 통해 노이즈가 제거된 2차원 초음파 영상을 제공한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 2차원 초음파 영상을 복수의 영역으로 구분하고 컬러링 하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이며, 도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 2차원 초음파 영상을 복수의 영역으로 구분하고 컬러링 하는 방법을 설명하기 위한 화면 예이다.
여기서, 도 10은 도 7의 S260 단계를 보다 상세하게 설명하기 위한 것이다.
도 10을 참조하면, 영상 처리부(123)는 S410 단계에서 노이즈가 제거된 2차원 초음파 영상을 노이즈 제거부(122)로부터 수신한다. 그러면, 영상 처리부(123)는 S420 단계에서 노이즈가 제거된 2차원 초음파 영상을 양자화한다. 예컨대, 영상 처리부(123)는 0~255까지의 레벨을 5개의 레벨로 간소화 시켜 양자화를 수행할 수 있다.
그런 다음, 영상 처리부(123)는 S430 및 S440 단계에서 후처리를 수행한다. 여기서, 후처리는 실제로는 같은 영역으로 표현되어야 하지만 양자화에 의해 다른 영역으로 표시된 부분, 혹은 다른 영역으로 표시되어야 하는데 같은 영역으로 표시된 부분을 교정하는 프로세스를 의미한다. 예컨대, 영상 처리부(123)는 S430 단계에서 침식(Dilation) 처리를 수행하고, S440 단계에서 팽창(Erosion) 처리를 수행할 수 있다. 도 11의 도면 부호 (b)는 침식 처리의 화면 예를 보인다. 또한, 도 11의 도면 부호 (c)는 팽창 처리의 화면 예를 보인다.
그런 다음, 영상 처리부(123)는 S450 단계에서 각 영역에 따른 패턴을 구분한다. 이러한 구분은 사전에 미리 알고 있는 초음파 영상의 정형화된 패턴으로부터 형태를 인식한다. 이어서, 영상 처리부(123)는 S460 단계에서 각 영역에 대해 서로 다른 컬러로 컬러링을 수행한다.
다음으로, 영상 처리부(123)는 S470 단계에서 컬러링된 2차원 초음파 영상을 표시부(180)에 제공한다.
컬러링된 2차원 초음파 영상의 화면 예를 도 11에 나타내었다. 도 11에 다양한 열처리 상태를 나타내는 다양한 패턴이 도시되어 있다. 도11과 같은 화면의 패턴을 보고 열처리 상태를 구분할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 1차원의 에코 신호를 2차원의 초음파 영상으로 구성하고, 이에 대해 컬러링을 수행하여 제공함으로써, 제공된 2차원의 초음파 영상을 통해 보다 정확한 열처리 상태 검사를 수행할 수 있으며, 복수의 프로브가 배치된 형상 변형부를 금속재료의 표면 형상에 따라 변형시키면서 다양한 형상 표면의 한 검사 영역씩 열처리 상태를 신속하고 용이하게 검사할 수 있다.
본 발명에 따른 열처리 상태 검사를 위한 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 판독 가능한 소프트웨어 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에 기록될 수 있다. 여기서, 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 예컨대 기록매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory), DVD(Digital Versatile Disk)와 같은 광 기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM, Random Access Memory), 플래시 메모리, SSD(Solid State Disk), HDD(Hard Disk Drive) 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함한다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 이러한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
한편, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파을 이용한 열처리 상태 검사장치의 일부를 나타낸 도면이다. 본 실시예는 파이프의 외면(S2)을 검사하기 위한 장치로서, 신호 검출부(510)와 형상변형부(530)와 구동부(540)가 이송부의 회전기구에 의해 파이프의 외면(S2)을 따라 회전하게 되어 있다. 파이프 외면은 원주방향으로 일정한 곡률로 되어 있으므로 형상변형부(530)를 파이프의 외경에 따라 변형시켜 한번 맞추어 회전이송하기만 하면 되므로 별도의 형상센싱부는 필요하지 않다.
그리고, 도 14은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파을 이용한 열처리 상태 검사장치의 일부를 나타낸 도면이다. 본 실시예는 파이프의 내면(S3)을 검사하기 위한 장치로서, 신호 검출부(610)와 형상변형부(630)와 구동부(640)가 이송부의 회전기구에 의해 파이프의 중심에서 회전하면서 검사하게 되어 있다. 이 경우에 파이프 내면은 원주방향으로 일정한 곡률로 되어 있으므로 형상변형부(630)을 파이프의 내경에 따라 변형시켜 한번 맞추어 회전시키기만 하면 되므로 별도의 형상센싱부는 필요하지 않다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 균등론에 따라 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100: 열처리 상태 장치 110: 신호 검출부
120: 제어부 121: 영상 구성부
122: 노이즈 제거부 123: 영상 처리부
130: 형상 변형부 140: 구동부
150: 형상 센싱부 160: 이송부
170: 조작부 180: 표시부

Claims (7)

  1. 금속재료의 표면에 복수의 초음파 신호를 방사하고 방사된 초음파 신호에 대한 복수의 1차원 에코 신호를 수신하는 복수의 초음파 프로브를 가지는 신호 검출부와,
    수신된 상기 복수의 1차원 에코신호를 이용하여 2차원 또는 3차원 초음파 영상을 구성하는 영상 구성부를 구비하는 제어부와,
    상기 복수의 초음파 프로브가 배열되어 변형가능하게 플렉시블한 플레이트로 된 형상 변형부와,
    상기 형상 변형부의 형상을 변형시키는 구동부와,
    금속재료의 표면형상에 따라 상기 형상 변형부의 형상을 변형시키도록 금속재료의 표면형상을 센싱하는 형상 센싱부와,
    금속재료의 표면을 스캐닝하도록 상기 형상 변형부와 상기 형상 센싱부를 이송시키는 이송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는 상기 형상 변형부의 형상을 변형시키는 복수의 매개부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이송부는 금속재료의 표면에 따라 상기 형상 변형부와 상기 형상 센싱부를 회전시키는 회전기구를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 매개부재는 길이조절봉으로서 길이가 증감됨에 따라 상기 형상 변형부의 플레이트를 변형시키는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 신호 검출부의 상기 각 초음파 프로브는 상기 복수의 1차원 에코 신호를 수신하는 배열 원소와, 상기 복수의 1차원 에코 신호의 포커스를 조절하기 위한 지연 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 영상 구성부는 상기 형상변형부를 이동하면서 상기 초음파 프로브를 통해 복수의 1차원 에코 신호를 수신하여, 수신된 복수의 1차원 에코 신호를 이용하여 배열 원소들의 위치에 따른 수평 동기 및 수직 동기 신호를 예측하여 2차원 또는 3차원 초음파 영상을 구성하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사장치.
  7. 형상 센싱부를 통해 금속재료의 표면형상을 센싱하는 단계와,
    센싱된 표면형상에 따라 상기 형상변형부의 형상을 변형시키는 단계와,
    상기 형상변형부에 배치된 초음파 프로브를 통해 금속재료의 표면에 복수의 초음파 신호를 방사하고 방사된 복수의 초음파 신호 대한 복수의 1차원 에코 신호를 수신하는 단계,
    상기 형상변형부를 이동하면서 상기 초음파 프로브를 통해 수신된 상기 복수의 1차원 에코 신호를 이용하여 2차원 또는 3차원 초음파 영상을 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 열처리 상태 검사방법.
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