패시브와 액티브 서모그래피의 차이점

1. 서모그래피(Thermography)란?

열화상 촬영은 적외선 카메라를 사용하여 물체 또는 공정의 열 특성을 확인 및 / 또는 측정하여 온도와 관련된 상태를 평가하는 방법입니다.

예를 들어, 코로나 바이러스 전염병 동안 상승된 체온을 감지하기 위해 사람들을 대상으로 서모그래피가 수행되었습니다. 서모그래피는 감염의 잠재적 지표인 발열이 있을 수 있는 개인을 식별하기 위한 사전 선별 도구로 사용되었습니다.

 

적외선 서모그래피의 또 다른 예로는 전기가 자유롭게 흐르는지 확인하기 위해 변전소의 연결을 검사하는 것이 있습니다. 일반적으로 전기 흐름에 대한 저항이 증가하면 그에 따라 열이 증가합니다. 증가된 전기 저항은 느슨한 연결, 부식 또는 구성 요소 고장으로 인해 발생할 수 있습니다. 원인에 관계없이 저항이 증가하면 적외선 카메라로 보고 측정할 수 있는 열 상승이 발생합니다.

 

열과 전기 저항 사이의 관계는 노트북의 수명을 단축시킬 수 있는 인쇄 회로 기판에서 단락을 찾는 것과 같은 마이크로 일렉트로닉스에도 적용될 수 있습니다.

 

서모그래피의 다른 예는 다음과 같습니다.

• 단열재가 누락된 영역을 식별하기 위해 건물의 냉점을 찾습니다.
• 베어링 고장 가능성의 마찰로 인한 회전 장비의 온도 상승을 찾습니다.
• 열이 항공기 날개를 통해 흘러들어 물을 찾습니다. 

 

 

 

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2. 패시브 서모그래피

패시브 서모그래피는 상태 평가를 위해 물체 또는 공정에서 방출되는 자연적으로 발생하는 열광에 의존합니다. 수동 열화상 촬영을 사용하면 대상의 온도가 주변 온도 또는 주변 물체와 다른 경우에만 적외선 카메라로 열 대비를 관찰할 수 있습니다. 결과 열화상은 열 대비가 없는 경우 색상이나 그레이스케일의 변화가 거의 없습니다.

 

물체 또는 장면의 모든 온도 분포는 물체에 외부 에너지를 가하지 않고 평가됩니다. 관찰된 온도 패턴은 전적으로 고유한 온도 차이에 기인합니다.

 

수동 서모그래피의 예로는 이전에 논의된 전기 변전소 및 마이크로 일렉트로닉스 검사가 있습니다. 다른 예로는 모터가 제대로 냉각되고 있는지 확인하기 위해 모터를 검사하거나 전기 릴레이를 검사하여 올바르게 작동하는지 확인하는 것이 있습니다. 이러한 각 검사 예는 온도의 변화 또는 공정의 정상적인 작동으로 인해 방출되는 적외선의 변화의 존재 여부에 의존합니다.

 

 

 

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3. 액티브 서모그래피

액티브 서모그래피는 적외선 카메라로 분석하기 위해 온도 변화를 유도하기 위해 물체나 공정에 외부 에너지원을 적용하는 것입니다. 액티브 서모그래피는 자연적으로 발생하는 열 변동이 없는 물체 또는 장면에 대한 실행 가능한 비파괴 검사 방법이 될 수 있습니다. 즉, 물체나 장면에서 자연적으로 발생하는 온도 차이가 없습니다.

항공기 날개에 결함이 있는지 평가할때 적외선 카메라로 날개를 안정된 상태로 관찰하면 결과 IR 이미지에서 열 대비를 거의 또는 전혀 볼 수 없습니다. 그러나 할로겐 램프의 열과 같은 외부 에너지를 날개에 가하면 램프의 열파가 시간이 지남에 따라 날개를 통해 어떻게 이동하는지 관찰할 수 있습니다.

 

 

날개 내부에 결함이 있으면 할로겐 램프의 열 흐름을 차단하여 물체 표면의 온도 분포에 변화를 일으킵니다. 이 변형은 적외선 카메라로 볼 수 있습니다.

 

액티브 서모그래피의 한 가지 예는 할로겐 램프를 사용하여 날개를 가로질러 열파를 유도하는 것입니다. 

 

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서모그래피를 위한 추가 여기 소스는 다음과 같습니다.

• 짧고 고강도의 열파를 생성하기 위한 Xenon Flash 램프.
• Ultrasonic Vibration Horn은 균열 및 분리에서 기계적 마찰을 유도하여 열을 발생.
• 결함에 의해 차단될 때 국부적인 열을 생성하는 와전류를 생성하기 위한 유도 코일.
• 단락 또는 저항될 때 가열되는 반도체 및 전자 장치에 전류를 도입하기 위한 프로그래밍 가능한 전원 공급 장치.
• 마이크로 일렉트로닉스와 같은 작은 대상에 정확한 열을 가하기 위한 레이저.

 

액티브 서모그래피를 위한 검사 시스템은 일반적으로 컴퓨터를 사용하여 물체의 표면 온도를 시간의 함수로 기록합니다. 이러한 적외선 비디오는 수동 열화상 촬영으로 눈에 띄지 않는 결함 및 이상을 "찾아내도록" 설계된 소프트웨어를 사용하여 처리됩니다.

 

특정 재료 또는 장치에 대한 가장 효과적인 테스트를 수행하기 위해 능동 서모그래피를 위한 다양한 기술을 사용할 수 있습니다.

 

 

 

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다음은 일반적으로 사용되는 6가지 유형의 활성 서모그래피 테스트 기술입니다.

 

1) 트랜지언트

할로겐 라이트는 확장된 열 여기를 생성하는 데 사용됩니다. 서모그래피는 대상의 열 상태 변화를 분석합니다.

 

2) 플래시 또는 펄스 서모그래피

제논 빛은 서모그래피로 분석되는 짧고 강렬한 여기를 제공합니다. 열전도율이 높고 결함이 얕은 재료에 적합합니다. 

 

3) Lock In 서모그래피

주기적인 여기 소스는 IR 카메라와 동기화됩니다. 소프트웨어는 결함의 위치와 특성을 나타내기 위해 진폭 및 위상 이미지를 생성합니다. 

 

4) 진동 서모그래피

초음파는 표본을 자극하는 데 사용됩니다. 진동하는 균열 사이의 마찰은 적외선 카메라로 측정된 열 신호를 생성합니다. 

 

5) 고장 분석

테스트 표본은 주기적인 전기 신호로 여기되고 동기화된 열화상 카메라는 결과 표면 온도를 캡처합니다. 처리 알고리즘은 지역화된 핫스폿을 식별하는 표면 맵을 생성합니다.

 

6) 열 응력 분석(TSA)

테스트 샘플은 응력 단위로 변환된 유도 적외선 이미지로 기계적 여기를 조절하여 응력을 받습니다.액티브 서모그래피의 응용 분야에는 항공기 동체와 같은 알루미늄 구조에서 분리를 찾거나 도장된 표면 뒤에서 부식을 보는 것이 포함됩니다. 추가 응용 분야에는 마이크로 일렉트로닉스의 고장 지점 식별, 레이저 용접 침투 평가 및 휠 균열 시각화가 포함됩니다. 이것은 능동 적외선 서모그래피의 많은 응용 분야 중 일부에 불과합니다.

 

알루미늄 구조에서 분리 찾기

마이크로일렉트로닉스의 고장 지점 식별

레이저 용접 침투 평가

적외선을 이용한 휠 균열 검사

 

 

 

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4. 패시브와 액티브 서모그래피의 차이점

패시브 서모그래피는 표면의 온도를 측정하기 위해 적외선 카메라 또는 기타 장치를 사용하는 것입니다. 패시브 서모그래피에서 물체의 온도는 직접 접촉 없이 측정됩니다. 물체에서 방출되는 방사선은 카메라에 포착되고 온도 정보는 이미지에서 추출됩니다. 패시브 서모그래피는 능동 조명(예: 조명)이나 특수 장비가 필요하지 않으므로 어둡거나 밀폐된 공간에서의 검사에 매우 유용합니다.

 

액티브 서모그래피는 이미터를 사용하여 적외선으로 물체를 비춘 다음 적외선 카메라를 사용하여 이미지를 촬영하는 것입니다. 수동적 서모그래피에 비해 능동 서모그래피의 장점은 수동적 서모그래피를 포함한 다른 테스트 방법을 사용하여 보이지 않을 수 있는 결함을 감지할 수 있다는 것입니다.

 

능동 및 수동 열화상 검사는 터빈 및 발전기, 항공기 엔진, 전기 패널, 모터, 변압기 및 발전기, HVAC 시스템 등을 포함한 광범위한 물체에 대해 수행할 수 있습니다.

 

 

 

 

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1) 적외선, 감지기 및 카메라

적외선 또는 적외선은 항상 주변에 있으며  볼 수 없습니다. 실제로 절대 0(섭씨 -273도 또는 화씨 -460도) 이상의 모든 물체는 적외선을 방출합니다. 따라서 뜨겁고 따뜻한 물체는 적외선을 방출할 뿐만 아니라 얼음 양동이와 같은 차가운 물체도 적외선을 방출합니다. 물체에서 방출되는 적외선의 양은 해당 물체의 온도에 비례합니다. 예를 들어, 모닥불은 랜턴보다 더 많은 IR 빛을 방출하고 얼음 양동이보다 훨씬 더 많은 IR 빛을 방출합니다.

 

2) 전자기 스펙트럼

전자기 스펙트럼은 과학자들이 빛의 전체 범위를 설명하는 데 사용하는 용어입니다. 다음 차트는 전자기 스펙트럼을 그래픽으로 나타내고 전파에서 마이크로파, X선, 감마선에 이르기까지 다양한 형태의 빛을 보여줍니다. 주목해야 할 흥미로운 점은 적외선을 포함하여 대부분의 전자기 스펙트럼이 우리에게 보이지 않는다는 것입니다. 도표에서 우리는 우주에서 사용할 수 있는 빛의 아주 작은 조각만 볼 수 있음을 알 수 있습니다.

 

전자기 스펙트럼

 

또한 전자기 스펙트럼 차트에서 적외선이 가시광선보다 파장이 더 큰 것을 볼 수 있습니다. 적외선은 크기만 다르기 때문에 가시광선과 유사하게 작용합니다. 예를 들어, 적외선은 가시광선처럼 흡수, 통과 및 반사될 수 있습니다.

 

인간의 눈은 적외선을 보도록 조정되어 있지 않지만 이를 감지할 수 있는 반도체 물질이 있습니다. 이러한 물질을 행과 열의 매트릭스로 구성하고 마이크로 일렉트로닉스와 결합하여 엔지니어는 초점면 배열(FPA) 적외선 감지기를 개발했습니다.

 

 

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3) 적외선 감지기

적외선 감지기는 비정질 실리콘, 바나듐 산화물, 안티몬화 인듐, 인듐 갈륨 비소 및 수은 카드뮴 텔루라이드와 같은 재료로 만들어집니다. 이 제품은 다양한 픽셀 크기, 픽셀 수 및 적외선 감지 파장 대역과 함께 제공됩니다. 예를 들어, 단파 적외선(SWIR), 중파 적외선(MWIR) 및 장파 적외선(LWIR) 감지기는 이러한 적외선 영역에서 적외선을 "보는" 것입니다. 적외선 FPA 검출기는 60 x 80(4,800픽셀)에서 최대 1280 x 1024(1.3메가픽셀)의 픽셀 해상도 범위를 선택할 수 있습니다.

 

적외선 렌즈가 있는 카메라에 통합되면 IR FPA 감지기는 집중된 적외선을 캡처하여 전자 신호로 변환하고 회색조 또는 컬러 이미지로 표시합니다. 적외선 이미지의 각 픽셀은 디지털화된 수준의 적외선을 나타냅니다. 이미지의 차가운 영역, 따뜻한 영역, 뜨거운 영역을 해당 그레이스케일 또는 컬러 스케일 팔레트를 사용하여 시각적으로 식별할 수 있습니다. 오토바이의 다음 적외선 이미지에서 하얗게 달궈진 엔진 실린더와 배기구를 쉽게 선택할 수 있습니다.

 

관심 영역이 있는 IR 이미지 오토바이 예시

4) 관심 영역(ROI)

적외선 카메라가 온도 측정을 위해 보정된 경우 관심 영역(ROI)이라는 도구를 실시간 또는 녹화된 이미지에 적용할 수 있습니다. 이미지는 평균, 최소 및 최대 온도 값을 나타냅니다. ROI에는 일반적으로 스폿, 라인 및 영역이 포함됩니다. 열화상은 수천 개의 스폿 측정으로 구성되기 때문에 이미지 픽셀 중 하나에서 온도 값을 표시할 수 있습니다.