JP5491692B2 - 負荷がかかっているサンプルにおける故障事象を位置特定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、検査技術に関し、より具体的には、サーモグラフィを使用した非破壊試験技術に関する。

複合構造が、航空宇宙の用途、およびその他の用途においてますます使用されている。様々な材料および製造技術が、用途に応じて使用されることが可能である。複合構造の利点には、重量が軽くなること、および強度が増すことが含まれる。しかし、複合材料は、層間剥離、マトリックス割れ、および繊維破断などの、いくつかの欠陥タイプを示すことが可能である。改良された複合構造を設計し、構造モデルを検証するため、故障事象のソース深度と実際の位置をともに特定することが望ましい。

ＩＲ（赤外線）サーモグラフィは、物体の材料欠陥および表面下損傷を検出し、定量化するための技術である。この技術は、物体の熱伝導の時間的測定に依拠して、物体における欠陥または割れに関する情報をもたらす。物体を通じて伝わる熱は、物体の材料の微細構造による影響を実質的に受けないので、この技術は、微細構造が課す可能性があるいずれの制約も免れている。さらに、サーモグラフィ解析は、試験される物体のサイズ、形状、または外形によって実質的に妨げられることがない。また、この技術は、既存の従来の非破壊試験技術より、１０倍乃至１００倍、高速に達せられることも可能である。

しかし、過渡的フラッシュ方法を利用し、Ｒｉｎｇｅｒｍａｃｈｅｒらの米国特許第６，３６７，９６９号で説明されるとおり、複合物における欠陥の位置を特定することができる既存の高度なサーモグラフィイメージング方法は、欠陥を、それらの欠陥が生じた後に位置特定し、このため、それらの欠陥を生じさせた事象の因果的連鎖を特定することはできない。因果的連鎖は、動的な負荷を受けている構造における故障のコンピュータモデルを検証するために、得ることが望ましい。さらに、事象の深さ、および横方向の位置の点で正確な位置を見出すとともに、事象の順序も見出すことが望ましい。
米国特許第６，３６７，９６９号公報 米国特許第５，７１１，６０３号公報 米国特許第６，３６７，９６８号公報 米国特許第６，３９４，６４６号公報 米国特許出願公開第２００２／０１４１６３２号

このため、前述した問題に対処する改良されたサーモグラフィ技術の必要性が、存在する。

一実施形態によれば、サンプルにおける故障事象を位置特定するためのシステムが、提供される。システムは、サンプルにおける故障事象に対応する音響エネルギーを検出するように構成された少なくとも１つのセンサを含む。また、システムは、サンプルにおける故障事象に対応する熱エネルギー放出を検出するように構成された赤外線カメラも含む。

本発明の別の実施形態によれば、サンプルにおける故障事象を検出する方法が、提供される。方法は、故障事象に対応する音響信号を記録することを含む。また、方法は、それらの音響信号に基づいて、ゼロ時間を特定することも含む。方法は、或る期間にわたってサンプルの、いくつかのサーマルイメージを記録することをさらに含む。また、方法は、それらの音響信号、およびそれらのサーマルイメージから、故障事象の深さを特定することも含む。

本発明の別の実施形態によれば、サンプルにおける故障事象を位置特定するためのマルチモーダルシステムが、提供される。システムは、サンプルにおける故障事象に対応する音響エネルギーを検出するように構成された少なくとも１つのセンサを含む。また、システムは、サンプルにおける故障事象に対応する熱エネルギー放出を検出するように構成された赤外線カメラも含む。システムは、サンプルの少なくとも一部分に放射線を照射するように構成されたＸ線源をさらに含む。また、システムは、サンプルの少なくとも一部分の少なくとも１つのＸ線イメージをキャプチャするように構成されたデジタルＸ線検出器も含む。

本発明の以上、およびその他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明を、添付の図面を参照して読むと、よりよく理解され、すべての図面で、同様の符号は、同様の部分を表す。

以下に詳細に説明するとおり、本発明の諸実施形態は、負荷のかかっているサンプルにおける故障事象を位置特定するためのシステム、およびそのような事象を位置特定するための方法を含む。本明細書で使用する、「位置」という用語は、サンプルの表面下の故障事象の位置を指す。「負荷」という用語は、負荷試験マシンに入れられた際に、試験されるサンプルが経験する応力を指す。本明細書で開示するシステムは、サンプルにおける故障事象の発生の初期時間を特定するために、赤外線イメージングとアコースティックエミッション感知の組み合わせを含む。

図１は、サンプル１２における故障事象を位置特定するためのシステム１０を示す図である。システム１０は、サンプル１２における故障事象に対応する熱エネルギー放出を検出するように構成された赤外線カメラ１４を含む。赤外線カメラの限定的ではない例には、センサの焦点面アレイが含まれる。赤外線カメラ１４は、カメラ制御エレクトロニクス１６によって操作されることが可能である。また、赤外線カメラ１４は、サーマルイメージデータをカメラ制御エレクトロニクス１６に出力するように構成されることも可能である。或る特定の実施形態では、赤外線カメラ１４は、フレームメモリ１８の中に記録される複数のフレーム内に熱エネルギー放出を記録する。限定的ではない実施例において、赤外線カメラ１４は、毎秒約５０フレーム乃至毎秒約２５０フレームの範囲内のフレームレートで動作するように構成される。システム１０は、サンプル１２における故障事象に対応する音響エネルギーを検出するように構成された少なくとも１つのセンサ２０を含む。図示する実施例では、システム１０は、２つのセンサを含む。或る特定の実施形態において、センサ２０は、サンプル１２の上面の上に乗せられることが可能である。センサ２０の限定的でない例が、トランスデューサである。センサ２０は、ゼロ時間事象を検出するように構成される。本明細書で使用する「ゼロ時間」という用語は、故障事象の発生に関する開始時間を指す。故障事象が、サンプル１２の深部で発生すると、故障事象は、音響エネルギーおよび熱エネルギーのパルスを放出する。音響エネルギーは、熱エネルギーが、サンプルの表面に向かって伝わる速度と比べて、実質的に無限の速度で伝わる。このため、音響エネルギーの検出が、故障事象のゼロ時間を定義する。

センサ２０は、検出された音響エネルギーに対応するデータをプロセッサ２２に出力する。また、プロセッサ２２は、カメラ制御エレクトロニクス１６およびフレームメモリ１８を制御して、フレームメモリ１８の中に格納される、サンプル１２の所定の数の連続するサーマルイメージフレームを獲得することも行う。一実施例では、プロセッサは、マイクロプロセッサである。プロセッサ２２は、サンプル１２の表面温度プロファイル、またはアコースティックエミッションプロファイルなどのデータをディスプレイモニタ２４に出力するように構成される。また、フレームメモリ１８が、サーマルイメージフレームをディスプレイモニタ２４に出力することもできる。或る特定の実施形態では、センサ２０と赤外線カメラ１４は、共通の時間基準で同期される。プロセッサ２２は、センサ２０によって検出されたアコースティックエミッション事象時間を、赤外線カメラ１４によって記録されたフレームのそれぞれのフレームと同期するように構成される。或る特定の実施形態では、サンプル１２は、サンプルの縦軸２６に対して約０度乃至１８０度の範囲内の角度に向けられた複数のプライを含む。サンプルの縦軸２６は、サンプル１２における応力の軸と呼ぶこともできる。

複合物に関する故障事象の例には、点事象、線事象、および面事象が含まれる。本明細書で使用する「点事象」とは、サンプル１２の或る特定の深さの単一の点における瞬間的なエネルギー放出を指す。点事象の限定的ではない例には、繊維の破断が含まれる。「線事象」という用語は、サンプル１２の或る特定の深さの線に沿った瞬間的なエネルギー放出を指す。線事象の限定的ではない例には、或る線に沿ったエポキシマトリックスの割れが含まれる。「面事象」という用語は、サンプル１２の或る特定の深さの面に沿った瞬間的なエネルギー放出を指す。面事象の限定的ではない例には、或る面におけるエポキシマトリックスの層間剥離が含まれる。

図２に示す本発明の別の例示される実施形態において、図１で参照されたサンプル１２における故障事象を位置特定するための例示的なシステム３０が、示される。システム３０は、Ｘ線源３２と、サンプル１２のＸ線イメージをキャプチャするように構成されたＸ線検出器３４とを含む。また、システム３０は、サンプル１２における故障事象に対応する熱エネルギー放出を検出するように構成された赤外線カメラ３６も含む。赤外線カメラ３６の限定的ではない例には、センサの焦点面アレイが含まれる。赤外線カメラ３６は、カメラ制御エレクトロニクス３８によって操作されることが可能である。また、赤外線カメラ３６は、サーマルイメージデータをカメラ制御エレクトロニクス３８に出力するように構成されることも可能である。或る特定の実施形態では、赤外線カメラ３６は、フレームメモリ４０の中に記録される複数のフレーム内に熱エネルギー放出を記録する。限定的ではない実施例において、赤外線カメラ３６は、毎秒約５０フレーム乃至毎秒約２５０フレームの範囲内のフレームレートで動作するように構成される。Ｘ線検出器３４は、熱エネルギー放出が記録される際、摺動して、赤外線カメラ３６の視界から外れるように構成される。システム３０は、サンプル１２における故障事象に対応する音響エネルギーを検出するように構成された少なくとも１つのセンサ４２をさらに含む。図示する実施例では、システム３０は、２つのセンサを含む。或る特定の実施形態では、センサ４２は、サンプル１２の上面の上に乗せられることが可能である。センサ４２の限定的ではない例には、トランスデューサが含まれる。センサ４２は、故障事象のゼロ時間を検出するように構成される。

センサ４２は、検出された音響エネルギーに対応するデータをプロセッサ４４に出力する。また、プロセッサ４４は、カメラ制御エレクトロニクス３８およびフレームメモリ４０を制御して、フレームメモリ４０の中に格納される、サンプル１２の所定の数の連続するサーマルイメージフレームを獲得することも行う。また、プロセッサ４４は、Ｘ線源３２の動作を制御することもできる。一実施例では、プロセッサは、マイクロプロセッサである。また、Ｘ線検出器３４も、サンプルのＸ線イメージなどのデータをプロセッサ４４に出力する。プロセッサ４４は、データをディスプレイモニタ４６に出力するように構成される。データのいくつかの限定的ではない例には、サンプル１２の表面温度プロファイル、アコースティックエミッションプロファイル、またはＸ線イメージが含まれる。また、フレームメモリ４０が、サーマルイメージフレームをディスプレイモニタ４６に出力することもできる。或る特定の実施形態では、センサ４２と赤外線カメラ３６は、共通の時間基準で同期される。プロセッサ４４は、センサ４２によって検出されたアコースティックエミッション事象時間を、赤外線カメラ３６によって記録されたフレームのそれぞれのフレームと同期するように構成される。また、プロセッサ４４は、Ｘ線イメージを、センサ４２を使用して獲得された複数の音響データと、赤外線カメラ３６を使用して獲得された複数のサーマルデータの少なくともいずれかと互いに関係付けるようにも構成される。或る特定の実施形態では、サンプル１２は、サンプル１２の、図１で参照された縦軸２６に対して約０度乃至１８０度の範囲内の角度に向けられた複数のプライを含む。サンプル１２の縦軸２６は、サンプル１２における応力の軸と呼ぶこともできる。故障事象のいくつかの限定的ではない例には、点事象、線事象、および面事象が含まれる。前述したとおり、点事象の一例は、繊維破断である。線事象の一例は、或る線に沿ったエポキシマトリックスの割れである。面事象の一例は、或る面におけるエポキシマトリックスの層間剥離である。

図３は、図１および図２で参照した例示的な複合サンプル１２を示す図である。或る特定の実施形態において、サンプル１２は、サンプル１２の、図１で参照した縦軸２６に沿った向きにされたプライの層５０を含む。層５０は、０度のプライと呼ぶこともできる。０度のプライは、サンプル１２の底面を形成する。縦軸２６に対して反時計方向に−４５度で、つまり、時計方向に１３５度に向けられた層５２が、０度のプライ５０の上に配置される。層５２は、−４５度のプライと呼ぶこともできる。さらに、縦軸２６に対して９０度の角度に向けられた層５４が、−４５度のプライ５２の上に配置される。層５４は、９０度のプライと呼ぶことができる。縦軸２６に対して４５度の角度に向けられた層５６が、９０度のプライ５４の上に配置されることが可能である。層５６は、４５度のプライと呼ぶことができる。

図４は、サンプルにおける故障事象の位置および深さを検出するための方法７０における例示的な段階を示す流れ図である。方法７０は、段階７２で、故障事象に対応する複数の音響信号を検出することを含む。或る特定の実施形態では、複数の音響信号を検出することは、リアルタイムで実行される。段階７４で、ゼロ時間が、それらの音響信号に基づいて特定される。ゼロ時間は、故障事象の発生の開始時間に対応する。熱エネルギーは、赤外線カメラを介してサンプルの表面で、或る時間遅れの後に検出される。段階７６で、サンプルの複数のサーマルイメージが、或る期間にわたって記録される。

限定的ではない実施例において、サーマルイメージは、サンプルの表面上の分解能領域のサーマルイメージを含む。記録された分解能領域は、ピクセルに対応する。或る特定の実施形態では、サーマルイメージを記録する段階７６は、それらのサーマルイメージの各イメージの中のピクセルの各ピクセルに関する個々のピクセル輝度を算出することから始まる複数の段階を含む。また、記録することは、各サーマルイメージに関する平均ピクセル輝度を算出することも含む。記録することは、個別のピクセルの輝度から平均ピクセル輝度を引いて、それらのサーマルイメージの各イメージのピクセルの各ピクセルに関するピクセルコントラストを得ることをさらに含む。表面温度−時間ピクセルコントラスト曲線が展開され、故障事象の深さがそのコントラスト曲線に基づいて算出される。或る実施例では、故障事象の深さを算出することは、コントラスト曲線における変曲点と、熱流特性時間との間の熱流関係式に基づく算出を含む。或る特定の実施形態では、音響信号を検出する段階７２と、サーマルイメージを記録する段階７６とは、同時に実行される。段階７８で、故障事象の位置および深さに対応する、サンプルの表面温度プロファイルやアコースティックエミッションプロファイルなどの信号が、生成されることが可能である。また、方法７０は、段階８０で、その生成された信号から、故障事象の深さおよび位置を算出することも含む。
［実施例］
以下の実施例は、単に例示的であり、請求される発明の範囲を何ら限定するものと解釈されてはならない。

図５は、図３で説明した複合サンプルにおいて或る期間にわたって記録された故障事象に対応する音響信号を表すグラフ９０である。Ｘ軸９２は、秒単位の時間を表す。Ｙ軸９４は、任意の単位の振幅を表す。ピーク９６のそれぞれは、それぞれ、７４．５秒付近、７６．５秒付近、および７７．２秒付近で変化する振幅を有する音響エネルギーのパルスの放出を示す。このため、それらのピークは、対応する測定時刻における新たな故障事象に対応する。

図６は、図３に示したサンプルの表面温度−時間プロファイルを表すグラフ１００である。Ｘ軸１０２は、秒単位の時間を表す。Ｙ軸１０４は、任意の単位の、サンプルの表面の温度を表す。線１０６は、サンプルにおける故障事象のゼロ時間に対応する５．５秒付近のアコースティックエミッションを表す。曲線１０８は、同時に測定された表面の熱応答を表す。故障事象は、５．５秒付近で発生し、６．１秒付近に生じる変曲点１１０で、赤外線カメラを介して表面で検出されることが可能であることを見て取ることができる。したがって、故障事象が、表面で検出される際に、１１２によって参照される、約０．６秒の時間遅れが存在する。故障事象の深さは、以下によって与えられる、ｔ_ｌａｇで表される時間遅れと、深さ「ｄ」との間の関係式から得ることができる。

ｔ_ｌａｇ＝Ｃ（ｄ^２／π^２α）
ただし、αは、サンプルの熱拡散率であり、Ｃは、それぞれ、点故障事象、線故障事象、および面故障事象に関して大きさが変化する定数である。

有益なことに、サンプルにおける故障事象を位置特定するための前述したシステムおよび方法は、故障事象の位置および深さを特定することができる。さらに、前述したＸ線検出器によってキャプチャされるＸ線イメージは、それぞれ、赤外線イメージングおよびアコースティックエミッション感知によって獲得される表面温度およびアコースティックエミッションプロファイルと互いに関係付けられて、サンプルにおける故障進展の完全な記述が提供されることが可能である。さらに、アコースティックエミッション感知は、故障事象がサンプルにおいて発生すると直ちに、故障事象の検出を可能にし、時間遅れを完全に無くす。

本発明のいくつかの特徴だけを、図示し、本明細書で説明してきたが、多くの変形および変更が、当業者には想起されよう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲に含まれる、そのようなすべての変形および変更を範囲に含むことを意図するものと理解されたい。

本発明の諸実施形態による、サンプルにおける故障事象を位置特定するためのシステムを示す図である。 本発明の諸実施形態による、Ｘ線イメージングを含む、サンプルにおける故障事象を位置特定するための代替のシステムを示す図である。 故障事象に関して検査されるべき複合サンプルを示す概略図である。 サンプルにおける故障事象の位置および深さを検出する方法のための例示的な段階を示す流れ図である。 複合サンプルにおいて或る期間にわたって記録された故障事象に対応するアコースティックエミッション信号を表すグラフである。 故障事象に関して試験される合成サンプルの表面温度−時間プロファイルを表すグラフである。

符号の説明

１０、３０ システム
１２ サンプル
１４、３６ 赤外線カメラ
１６、３８ カメラ制御エレクトロニクス
１８、４０ フレームメモリ
２０、４２ センサ
２２、４４ プロセッサ
２４、４６ ディスプレイモニタ
３２ Ｘ線源
３４ Ｘ線検出器

Claims (9)

1. サンプルにおける故障事象を位置特定するためのシステム（１０）であって、
   前記サンプル（１２）における前記故障事象に対応する音響エネルギーを検出するように構成された少なくとも１つのセンサ（２０）と、
   前記サンプル（１２）における前記故障事象に対応する熱エネルギー放出を検出するように構成された赤外線カメラ（１４）と、
   検出された前記音響エネルギーに基づいて前記故障事象の発生したゼロ時間を決定し、該ゼロ時間後に検出された熱エネルギーの放出を分析して前記サンプルにおける前記故障事象の位置および深さを特定するように構成されたプロセッサと、
   を含むシステム（１０）。
2. Ｘ線源（３２）と、前記サンプル（１２）のＸ線イメージをキャプチャするように構成されたデジタルＸ線検出器（３４）とをさらに含み、前記Ｘ線イメージは、前記センサ（２０）を使用して獲得された複数の音響データと、前記赤外線カメラ（１４）を使用して獲得された複数の温度データの少なくともいずれかと互いに関係付けられる請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記故障事象は、点事象、線事象、および面事象の少なくとも１つを含む請求項１に記載のシステム（１０）。
4. 前記少なくとも１つのセンサ（２０）は、前記ゼロ時間を基準とする事象時間を検出するようにさらに構成され、
   前記赤外線カメラ（１４）は、前記サンプル（１２）における前記故障事象に対応する前記熱エネルギー放出を複数のフレーム内に記録し、
   前記少なくとも１つのセンサ（２０）と前記赤外線カメラ（１４）は、共通の時間基準で同期され、
   前記プロセッサは、前記センサ（２０）によって検出された事象時間を前記フレームのそれぞれのフレームと同期するようにさらに構成されている、
   請求項１に記載のシステム（１０）。
5. サンプルにおける故障事象を検出する方法であって、
   前記故障事象に対応する複数の音響信号を検出する少なくとも１つのセンサを使用する段階と、
   前記音響信号に基づいて前記故障事象の発生したゼロ時間を特定する段階と、
   或る期間にわたって前記サンプルの複数のサーマルイメージを記録する赤外線カメラを使用する段階と、
   前記少なくとも１つのセンサと前記赤外線カメラ（１４）とを、共通の時間基準で同期する段階と、
   前記ゼロ時間以降に記録されたサーマルイメージから前記前記故障事象の位置および深さに対応する信号を生成する段階と、
   前記生成された信号に基づいて前記故障事象の前記深さおよび前記位置を特定する段階と、
   を含む方法（７０）。
6. 前記サーマルイメージは、前記サンプル（１２）の表面上の分解能領域のサーマルイメージを含み、前記記録された分解能領域のそれぞれは、ピクセルに対応し、前記赤外線カメラを使用する段階は、
   前記サーマルイメージの各イメージの中の前記ピクセルの各ピクセルに関する個別のピクセル輝度を算出する段階と、
   各サーマルイメージに関する平均ピクセル輝度を算出する段階と、
   前記個別のピクセルの前記輝度から前記平均ピクセル輝度を引いて、前記サーマルイメージの各イメージの前記ピクセルの各ピクセルに関するピクセルコントラストを得る段階と、
   表面温度−時間ピクセルコントラスト曲線を展開する段階と、
   前記コントラスト曲線に基づいて前記故障事象の深さを算出する段階と,
   をさらに含む請求項５に記載の方法（７０）。
7. 前記故障事象の前記深さを算出する段階は、前記コントラスト曲線における変曲点と、熱流特性時間との間の熱流関係式に基づく算出を含む請求項５に記載の方法（７０）。
8. サンプル（１２）における故障事象を位置特定するためのシステム（３０）であって、
   前記サンプル（１２）における前記故障事象に対応する音響エネルギーを検出するように構成された少なくとも１つのセンサ（４２）と、
   前記サンプル（１２）における前記故障事象に対応する熱エネルギー放出を検出するように構成された赤外線カメラ（３６）と、
   前記サンプルの少なくとも一部分に放射線を照射するように構成されたＸ線源（３２）と、
   前記サンプル（１２）の少なくとも一部分の少なくとも１つのＸ線イメージをキャプチャするように構成されたデジタルＸ線検出器（３４）と、
   検出された前記音響エネルギーに基づいて前記故障事象の発生したゼロ時間を決定し、該ゼロ時間後に検出された熱エネルギーの放出を分析して前記サンプルにおける前記故障事象の位置および深さを特定するように構成されたプロセッサと、
   を含むシステム（３０）。
9. 前記故障事象は、点事象、線事象、および面事象の少なくとも１つを含む請求項８に記載のシステム（３０）。
   

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