ノート山口県産業技術センター

研究報告No.33 p7-11 (2021)

7

赤外線サーモグラフィを用いた非破壊検査技術に関する研究
近藤拓郎 *A Study on Non Destructive Inspection Technology Using Infrared Thermography
Takuro Kondo
本研究は，赤外線サーモグラフィを用いた非破壊検査(以下赤外線検査)において，測定条件や取得した温度データの簡易的な数値計算によって内部欠陥の視認性向上を検討した．その結果，熱源と測定対象の熱伝導率による影響が大きいが，データ処理の方法によっては内部欠陥の視認性を改善できる可能性があることを確認した．
１．緒言行った．高速度赤外線サーモグラフィの空間分解能は赤外線検査は，測定物の外表面温度を測定することで表0.6mrad である．測定サンプルと高速度赤外線サーモグラ

面や内部の欠陥や亀裂，剥離，密度差等を効率よく検査す

フィとの距離を約 700mm に設定したことから，1 画素のサる方法である．放射線検査や超音波検査といった他の非破イズは約 420μm である．またサンプリング周波数は 100Hz

壊検査に対し，測定可能な範囲が大きいことや非接触であとし，測定する熱画像の解像度は 256×320pixel とした．

ること，比較的自由な形状に対しても測定が可能といった特徴から建造物の外壁やトンネルの内壁調査に利用されている．一方，加工現場では，鋳造製品等の金属製品に対する追加工前の簡易的な検査としての利用が求められている．
しかしながら，赤外線検査では検出できる内部欠陥の深さ

ONOFF
熱源が浅いことからこのような金属製品に対する欠陥検出としリ レ ー 回路ての利用は難しく検討も不十分であるのが現状である 1) ．
そこで本研究では，簡易的な手法で欠陥検出可能な深度を改善し，金属製品へのサーモグラフィを用いた非破壊検電源(AC100V)
高 速 度 赤外 線
サ ー モ グラ フ ィ

査の利用可能性について検討した．
点滅回路

２．実験方法PC

測 定 サ ンプ ル

図1

実験装置の概要

表1

実験装置の仕様

赤外線検査は，人為的に温度の変化を生じさせて温度変化の観察を行うアクティブサーモグラフィ法と測定対象自体の熱変化を観察して行うパッシブ法とに大別される．本
実験では， 測定対象自体に熱変化が殆ど無いことからアクティブサーモグラフィ法を採用した．
２・１

名称

実験装置

メーカー
品名/型式

温度分解能：25mK

図 1 に実験装置の概要を，表 1 に実験装置の仕様を示す．
熱源は点滅回路によって制御し，測定サンプルに対して熱をパルス照射した．その際の測定サンプルの表面温度変化

高速度赤外線

Telops

空間分解能：0.6mrad

サーモグラフィ

FAST-IR 2K

ｻﾝﾌﾟﾘﾝｸﾞ周波数：100Hz
解像度：256×320pixel

は，測定サンプルから 700mm の位置に設置した高速度赤外線サーモグラフィによって測定した．取得したデータは，

Aruduino

点滅回路

Uno R3

ＰＣの数値解析ソフトウェアによってデータ処理を行った．
図 2 に測定サンプルの外観とその欠陥を，表 2 に測定サン

リレー回路

プルの仕様を示す．測定サンプルは，樹脂製とアルミニウ

ﾄﾗｲｱｯｸ：TG35C

SSL ｷｯﾄ

ﾌｫﾄｶﾌﾟﾗ：TLP561J

赤外線

旭電気工業黒体スプレーを塗布した．熱源は，赤外線ランプとグラフﾗﾝﾌﾟ

R127E26

ァイトヒーターを使用した． 表 3 に実験条件を示す．熱源

ｸﾞﾗﾌｧｲﾄ

Aladdinの照射時間を 300ms，非照射時間を 1000ms とした．また，ﾋｰﾀｰ

AEG-G13A

非照射時間を 500ms と周期を短縮し長時間撮影した実験も*

企業支援部加工技術グループ

熱源

数値解析ｿﾌﾄｳｪｱ

搭載ﾏｲｺﾝ：ATmega328

秋月電子通商ム製で裏側に欠陥を模した加工を施し，表側(測定面)には照射の回数による影響を調べるために照射時間を 200ms，仕様/設定

MatｈWorks
MATLAB

定格：100/110V 300W

定格：100V 1300W

Ver：R2019b8

山口県産業技術センター

研究報告No.33 (2021)とを目的とした連続する 2 フレーム間温度差の総和，各ピクセルの温度を積算することで温度差を強調させることを目的とした全フレーム温度の総和の 3 種類で行った．

a)樹脂サンプル裏b)樹脂サンプル表(測定面)(黒体スプレー塗布)a)照射直後
図3c)アルミサンプルd)アルミサンプル表(測定面)(黒体スプレー塗布)
AA

２・２・１

図 4 に欠陥部分の温度推移データを示す．熱源の照射時差を照射回数分積算し減衰温度の総和とした．照射の回数

表面(測定面)を n ，照射開始時のフレーム番号を f ，次回照射の間隔フレーム数を d として減衰温度の総和 S A を次のように表すこ

裏面とが出来る．なお， A f × k は照射開始時の温度(256×320 のA-A行列)，A f d × k は次回照射直前の温度(256×320 の行列)でe)欠陥(樹脂サンプル)ある．

測定サンプルの外観と欠陥

表2

測定サンプルの仕様

測定サンプル

アルミニウムサンプル
欠陥直径：2.0 ,3.0 ,6.0 ,8.0mm
欠陥深さ：1.0 ,2.0 ,4.0 ,6.0 ,8.0mm
材質：A5052

表3熱源

1

赤外線ランプ

2𝐴𝑎𝑎𝑎𝑎…

(1)

𝑆⋮

𝑎⋱

𝑎𝑎

ここで

SA：減衰温度の総和(256×320 の行列)
n ：熱源の照射回数
f：照射開始時のフレーム番号
Af× k ：照射開始時の温度(256×320 の行列)

照射時間

非照射時間

[ms]

[ms]

300

1000

200500A f d × k：次回照射直前の温度(256×320 の行列)
a :各ピクセル温度[℃]

樹脂
アルミ樹脂

34𝐴

d ：照射の間隔フレーム数

実験条件

サンプル

𝑆 ＝
但し，

樹脂サンプル
欠陥直径：1.0 ,3.0 ,5.0 ,10.0mm
欠陥深さ：0.1 ,0.5 ,1.0 ,2.0 ,3.0mm
材質：アクリル系光硬化樹脂

No

減衰温度の総和に発生した瞬間的なピーク温度と次回照射直前の温度との欠陥深さ

図2b)次回照射直前

高速度赤外線サーモグラフィの出力画像

グラファイトヒーター

5２・２アルミ樹脂

測定箇所

データ処理a)温度測定箇所
140

図 3 に高速度赤外線サーモグラフィで取得した熱画像をるが，瞬間的な画像だけを確認しても極端に浅い欠陥でない限り欠陥は視認できない．そこで，1 枚の熱画像で欠陥が認識できるようにサーモグラフィで取得した連続的な温度データを MATLAB によって抽出し演算を行った．データ

温度[℃]示す．それぞれ熱を照射した直後と照射直前の熱画像であ

90
40-10

減衰温度
0

め，熱源照射による温度の変化のみを抽出することを目的とした減衰温度の総和と，連続的な温度変化を抽出するこ

20

時間[s]の演算については演算方法の違いによる影響を調査するた

b)温度推移図4

欠陥部分の温度推移40赤外線サーモグラフィを用いた非破壊検査技術に関する研究
２・２・２

9

連続する 2 フレーム間温度差の総和

各ピクセルにおいて，連続する 2 フレームの温度差を算出し加算した結果を連続する 2 フレーム間温度差の総和とした(以下，2 フレーム間温度差の総和)．最終フレーム番号を m として 2 フレーム間温度差の総和 S B は次のように表すことが出来る． なお，B k は瞬時温度(256×320 の行列)a)赤外線ランプである．
𝐵𝐵

ここで

SB ：フレーム間温度差の総和(256×320 の行列)
m ：最終フレーム番号B k：瞬時温度(256×320 の行列)
２・２・３

3.5(2)
減衰温度の総和温度 [℃]

𝑆

φ10φ5
φ3
φ1

2.5
1.5
0.5-0.5 50

全フレーム温度の総和b)グラファイトヒーター

100

150

200

250-1.5

各ピクセルにおいて，全フレームの温度を積算した結果画素[pixel]を全フレーム温度の総和とした．最終フレーム番号を m として全フレーム温度の総和 S C は次のように表すことが出c)赤外線ランプの欠陥中心付近温度分布

来る．
𝑆𝐵

図5

赤外線ランプによる照射とグラファイトヒーター(3)による照射とを比較した熱画像と赤外線ランプの欠陥の中心付近を通る温度分布

ここでSC：全フレーム温度の総和(256×320 の行列)
m ：最終フレーム番号

３・２

B k：瞬時温度(256×320 の行列)

図 6 に樹脂サンプルとアルミニウムサンプルの実験結果

測定サンプルの違いによる影響を示す．データ処理方法は減衰温度の総和であり，熱源は３．実験結果と考察
３・１

熱源の違いによる影響

グラファイトヒーター，熱源の照射時間は点灯 300ms 消灯
1000ms である．樹脂サンプルでは深さ 1mm までの欠陥を視認することが出来たが，アルミニウムサンプルでは最も浅図 5 に赤外線ランプによる照射とグラファイトヒーター

い深さ 1mm の欠陥も視認できなかった．アルミニウムサンによる照射とを比較した熱画像と赤外線ランプの欠陥の中プルについては，赤外線ランプによる照射や他のデータ処心付近を通る温度分布を示す．測定サンプルは樹脂サンプ

理方法，照射時間の変更などを試したがいずれの条件でもルで， データ処理の方法は減衰温度の総和，熱源の照射時欠陥を視認することが出来なかった．これは，測定サンプ間は点灯 300ms 消灯 1000ms である．赤外線ランプは，グラルの熱伝導率が影響しているものと推測される．樹脂の熱ファイトヒーターと比較して視認性が低い結果であった．

伝導率が 0.237W/mK 程度であると推測されるのに対し，ア

赤外線ランプは，温度分布波形から分かるようにデータ処

ルミニウム(A5052)は 140W/mK 程度である 2),3) ．熱の拡散速理を行ってもノイズが多く残っており，このノイズが視認度が極めて速いため欠陥部分と健全部分に差異が生じにく性に影響を及ぼしているものと推測される．これは，印加いものと考えられる．

する熱量が少ないことで温度変化とノイズとの差が小さくなりデータ処理の効果が十分に得られなくなったものと推測される．また，赤外線ランプによる照射は不均一であり全体的な温度の偏りが顕著に生じた．これは，赤外線ランプのフィラメントに似た形状が測定サンプル上に映し出されていたことからフィラメントによるものと推測される．
以上の結果から，適切な熱源としては測定サンプルが効率的に吸収できる波長にもよるが熱量が多く均一に照射できa)樹脂サンプルることが重要と考えられる．しかし，本実験において赤外

図6線ランプによる加熱は表面温度が 36℃までの上昇であったが，グラファイトヒーターによる加熱については表面温度が瞬間的に 127℃まで上昇しており，測定物の耐熱性について注意が必要である．

b)アルミニウムサンプル

熱源の違いによる影響

10

山口県産業技術センター

３・３

研究報告

No.33 (2021)

データ処理方法の影響

図 7 にデータの処理方法が異なる 3 種類の熱画像と欠陥

t3

t2

t1

t0.5

t0.1の中心付近を通る温度分布を示す．測定サンプルは樹脂サ

φ10ンプルで，熱源はグラファイトヒーター，熱源の照射時間

φ5は点灯 300ms 消灯 1000ms である．3 種類の熱画像を比較す

φ3ると減衰温度の総和が最も欠陥を視認し易く，直径 3mm 深φ1さ 1mm までの欠陥は比較的容易に視認可能である．一方で2 フレーム間温度差の総和と全フレーム温度の総和は，直径 3mm 深さ 1mm の欠陥を視認することは難しい．3 種類の温度分布を比較すると直径 3mm 深さ 1mm の欠陥のピークのデータ処理方法と比較して波形が滑らかでノイズが少ないことが分かる．このことから，欠陥の視認性向上には欠陥部と健全部との温度差だけでなくノイズの低減が重要であると推測される．
本実験において，減衰温度の総和にはノイズ低減の効果があることが確認され，直径 1mm の欠陥についても視認で1200

2フレーム間温度差の総和温度[℃]大きさに差は無い．しかしながら，減衰温度の総和は他のきる可能性があることが確認できた．このことから，簡易φ10φ5φ3φ11000
800
600
4002000-20050150

的な装置でもデータ処理により視認性が改善されることが確認され，樹脂部品において有効性があることが分かった．

250

画素[pixel]b) 連続する 2 フレーム間温度差の総和

また，熱源の応答性やサンプリング周波数，測定対象の予冷等で更なる改善が期待される．

t3t2t1t0.5t0.1
φ10φ5t3t2t1t0.5t0.1

φ3φ10φ1φ5φ3

減衰温度の総和温度[℃]120

全フレーム温度の総和温度[℃]

φ1φ10φ5φ3φ11008060φ10φ5φ3φ1160000
12000080000
40000
0-40000

4050150250画素[pixel]c) 全フレーム温度の総和20

図7

データ処理方法の違いによる影響

0-2050150

画素[pixel]a) 減衰温度の総和

250

３・４

データの積算回数による影響

図 8 に熱の積算回数に応じたデータ処理結果を示す．データ処理の方法は減衰温度の総和である．熱源はグラファ
イトヒーター，熱源の照射時間は点灯 200ms 消灯 500ms とし 35 回の照射を行った．積算する回数を増やすことでノイズが低減され，より視認性が向上することが確認された．しかしながら，25 回を超えたあたりから視認性に変化が表れにくくなった．これは，視認性の悪い箇所は減衰温度が健全部と変わらないためと推測される．

赤外線サーモグラフィを用いた非破壊検査技術に関する研究

11(2) 測定対象の熱伝導率は欠陥検出に大きく影響を及ぼし，熱伝導率が高いほど検出が困難になる．
(3) 欠陥検出は，欠陥部と健全部の温度差だけでなくノイズの低減が重要である．
a)1 回

b)1-5 回c)1-10 回(4) データ処理(減衰温度の総和)によりノイズの低減が可能であり，樹脂サンプルにおいて深さ 1mm 直径 1mm の欠陥が視認出来る．簡易的な装置でもデータ処理により視認性が改善され，樹脂部品において有効性がある．
また，熱源の応答性やサンプリング周波数，測定対象d)1-15 回e)1-20 回f)1-25 回の予冷等で更なる改善が期待される．
(5) データの積算回数はノイズ低減に効果があるが一定の積算数を超えると効果が少なくなる．
参考文献

g)1-30 回
図8h)1-35 回
データの積算回数による影響

1) 阪上隆英：赤外線サーモグラフィによる構造物の非破壊検査，溶接学会誌，72(4)，p.251-255(2003)．
2) 新保寛，杉森勝，宮野靖，服部陽一，國尾武：PMMA の４．結言

熱粘弾性挙動による残留応力と変形，日本機械学会論文集，56(524)，p.971(1990)．

本研究では赤外線サーモグラフィを用いた非破壊検査に

3) 山根 敏，田中 彬人，山本 光，金子 裕良，大嶋 健司

おいて，熱源や測定サンプルの違い， データの処理方法に：スイッチバック溶接のバッキングレス V 開先円周溶よる影響について調査した．得られた知見を以下に示す．

接への適用，溶接学会論文集，25(1)，p.86-94(2005)．

(1) 印加する熱量が大きい方がデータ処理時のノイズ低減効果が大きい．