JP4439363B2 - Online crystal grain size measuring apparatus and measuring method using laser ultrasonic wave - Google Patents

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本発明は、製鉄所において生産する各種鋼板の生産ラインにおいて、パルス型レーザを利用して鋼板に超音波を発生させ、鋼板の内部を伝播した上記超音波をレーザ干渉計(共焦点ファブリー・ペロー干渉計)を利用して測定し超音波の減衰係数を計算し、この減衰係数を利用して鋼板の結晶粒径を測定することができる装置及び方法を提供することにより、製鉄所において生産する各種鋼板の生産ラインにおける非接触式オンライン結晶粒径測定を可能にし、熱間圧延中の鋼板の結晶粒径の制御を容易にするオンライン結晶粒径測定装置及び方法に関するものである。   In the production line of various steel plates produced at steelworks, the present invention uses a pulsed laser to generate ultrasonic waves on the steel plates and transmits the ultrasonic waves propagating through the steel plates to a laser interferometer (confocal Fabry-Perot). By using an interferometer to calculate the attenuation coefficient of ultrasonic waves, and to provide an apparatus and method capable of measuring the crystal grain size of a steel sheet using this attenuation coefficient, and to produce at an ironworks The present invention relates to an on-line crystal grain size measuring apparatus and method that enables non-contact on-line crystal grain size measurement in a production line for various steel sheets and facilitates control of the crystal grain size of a steel sheet during hot rolling.

金属や複合材料などの機械的な特性や微細組織には、通常、超音波検査を利用する。このような超音波検査は、測定対象内における超音波の伝播特性を利用して機械的特性や微細組織を把握するものであり、基本的に非破壊的な検査方法であることから、多様な分野において非常に広範囲に使用されている。超音波検査においては、通常、圧電探触子やEMAT(電磁超音波探触子)が利用されてきた。この中で、圧電探触子は、測定対象と変換器の間に超音波の伝達媒質が必要であり、高温下においてその機能が低下するという短所を有している。そして、EMATは、通常、数mm程度まで測定対象に近接して使用しなければならないという短所を有している。このような短所のために、上記のような装置を利用する従来の超音波検査は、生産ライン、特に熱間圧延工程のような劣悪な環境下においてオンライン適用することは不可能であった。これに反して、パルス型レーザを利用して超音波を発生させ、測定対象の内部を伝播した上記超音波をレーザ干渉計を利用して測定する方法(以下、レーザ超音波法)は、基本的に非接触式方法であることから、高温の測定対象の超音波探傷が可能であり、生産ラインにおけるオンライン適用も容易であるという長所を有している。   Ultrasonic inspection is usually used for mechanical properties and microstructures such as metals and composite materials. Such an ultrasonic inspection is to grasp the mechanical characteristics and microstructure using the propagation characteristics of ultrasonic waves in the measurement object, and is basically a non-destructive inspection method. It is used very widely in the field. In the ultrasonic inspection, a piezoelectric probe and an EMAT (electromagnetic ultrasonic probe) have usually been used. Among these, the piezoelectric probe has a disadvantage in that an ultrasonic transmission medium is required between the measurement object and the transducer, and the function of the piezoelectric probe is reduced at a high temperature. And EMAT has the fault that it must usually be used in proximity to a measuring object to about several mm. Due to such disadvantages, the conventional ultrasonic inspection using the apparatus as described above cannot be applied on-line in a production environment, particularly in a poor environment such as a hot rolling process. On the other hand, a method of generating ultrasonic waves using a pulsed laser and measuring the ultrasonic waves propagating through the measurement object using a laser interferometer (hereinafter referred to as laser ultrasonic method) is basically In particular, since this method is a non-contact type method, ultrasonic flaw detection of a high-temperature measurement object is possible, and it has an advantage that it can be easily applied on the production line.

一般的に産業現場の生産ラインは、実験室の環境に比べて非常に劣悪である。従って、上記のようなレーザ超音波法は、原理的には生産ラインにおけるオンライン適用に適合してはいるものの、産業現場の環境的要素のために、一般的には測定装置の産業的適用は容易ではない。例えば、生産ラインの圧延工程において、鋼板は、一般的に圧延の初期においては、厚く、圧延が進行すると、その厚さが減少するため、多様な厚さの鋼板において超音波測定を容易なものにしなければならない。従って、実験室的なテストの場合に比べ、高強度の超音波を発生させなければならない。本特許の内容のように、レーザパルスビームを利用して超音波を発生させる場合には、レーザパルスビームによる測定対象表面の熱弾性効果やアブレーション(溶発)によって超音波が発生する(例えば、非特許文献1参照。)。この中で、測定対象表面のアブレーションは、レーザパルスビームの強度が大きい場合に発生する。この場合には、表面物質がイオン化及び気化して試片表面に対して垂直の方向に飛び出し、これにより、試片表面に反動力が作用して、この反動力によって超音波が発生する。このようにアブレーションによって発生した超音波は、一般的に、その強度が熱弾性効果によって発生した超音波に比べて大きく、レーザパルスが入射した測定対象表面に垂直の方向に伝播する超音波(縦波)を効率的に発生させる。   In general, industrial production lines are very poor compared to the laboratory environment. Therefore, although the laser ultrasonic method as described above is in principle suitable for online application in a production line, due to environmental factors in the industrial field, the industrial application of a measuring device is generally not It's not easy. For example, in the rolling process of a production line, the steel sheet is generally thick at the initial stage of rolling, and the thickness decreases as the rolling progresses. Therefore, ultrasonic measurement can be easily performed on steel sheets of various thicknesses. Must be. Therefore, high intensity ultrasonic waves must be generated compared to laboratory tests. When ultrasonic waves are generated using a laser pulse beam as in the contents of this patent, ultrasonic waves are generated by the thermoelastic effect or ablation (ablation) of the measurement target surface by the laser pulse beam (for example, (Refer nonpatent literature 1.). Among these, ablation of the surface to be measured occurs when the intensity of the laser pulse beam is large. In this case, the surface material is ionized and vaporized, and jumps out in a direction perpendicular to the surface of the specimen, whereby a reaction force acts on the surface of the specimen, and ultrasonic waves are generated by the reaction force. In general, the ultrasonic wave generated by ablation is larger in intensity than the ultrasonic wave generated by the thermoelastic effect, and is propagated in a direction perpendicular to the measurement target surface on which the laser pulse is incident (longitudinal direction). Wave) is generated efficiently.

生産ラインにおいて圧延中の鋼板は、一般的に上下面が互いに平行である。従って、超音波が測定対象の内部を伝播する際に結晶粒の境界面において発生する散乱による超音波の減衰を利用して減衰係数から結晶粒径を求める方法において、超音波の発生と検出を測定対象物の同一表面において行う場合には、測定対象表面に対して垂直に伝播する超音波を発生させ、測定対象表面の反対面において反射した超音波を超音波が発生した地点と同一の地点において測定するのが最も効率的である。すなわち、測定対象表面に対して一定の角度を有して伝播する超音波を利用した場合には、測定対象表面の反対面において超音波が反射した際にモード変換による超音波強度の損失が発生し、また超音波の発生地点と測定地点が異なって、超音波減衰係数の導出に必要な超音波の伝播経路及び伝播距離の計算が非常に複雑になるためである。   In general, the upper and lower surfaces of steel plates being rolled in a production line are parallel to each other. Therefore, in the method of obtaining the crystal grain size from the attenuation coefficient using the attenuation of the ultrasonic wave due to the scattering generated at the boundary surface of the crystal grain when the ultrasonic wave propagates inside the measurement object, the generation and detection of the ultrasonic wave are performed. When performing on the same surface of the measurement object, an ultrasonic wave propagating perpendicularly to the measurement object surface is generated, and the ultrasonic wave reflected on the opposite surface of the measurement object surface is the same point where the ultrasonic wave is generated. It is most efficient to measure at. In other words, when ultrasonic waves that propagate at a certain angle with respect to the measurement target surface are used, a loss of ultrasonic intensity due to mode conversion occurs when the ultrasonic waves are reflected on the opposite surface of the measurement target surface. In addition, since the ultrasonic generation point and the measurement point are different, the calculation of the propagation path and propagation distance of the ultrasonic wave necessary for deriving the ultrasonic attenuation coefficient becomes very complicated.

上記のような技術的な理由から、生産ラインにおいてオンラインで結晶粒径を測定する場合には、アブレーション効果による超音波の発生が必要である。しかしながら、このようなアブレーション効果による超音波の発生時には、超音波の発生位置においてレーザ光の波長の光を放出するプラズマ(plasma)の発生が伴っている。そして、このようにプラズマから放出された光は、超音波測定用のレーザ干渉計に進入し、超音波測定の大きな障害要因として作用することになる。   For the technical reasons as described above, when crystal grain size is measured online on a production line, it is necessary to generate ultrasonic waves by the ablation effect. However, when an ultrasonic wave is generated by such an ablation effect, plasma that emits light having the wavelength of the laser beam is generated at the position where the ultrasonic wave is generated. The light emitted from the plasma in this way enters the laser interferometer for ultrasonic measurement and acts as a major obstacle to ultrasonic measurement.

生産ラインでのオンライン結晶粒径測定における更に別の障害要因は、リアルタイム信号処理による迅速な結晶粒径の算出である。即ち、測定対象の内部を伝播する超音波は、結晶粒による散乱、測定対象物質による吸収、および回折などによってその強度が減衰する。超音波の減衰を利用して結晶粒径を測定する場合には、測定された超音波の減衰係数から結晶粒による散乱以外の効果による影響を除去しなければならない。このように測定された超音波信号から結晶粒による散乱のみに起因した超音波減衰係数を導出するのは容易なことではなく、通常、多くの時間を消費する作業となる。従って、測定された超音波信号から測定対象の結晶粒径をリアルタイムで高速に算出可能な信号処理方法の適用が必要である。   Yet another obstacle in on-line crystal grain size measurement in production lines is the rapid crystal grain size calculation by real-time signal processing. That is, the intensity of the ultrasonic wave propagating through the measurement target is attenuated by scattering by crystal grains, absorption by the measurement target substance, and diffraction. When the crystal grain size is measured using ultrasonic attenuation, the influence of effects other than the scattering by the crystal grains must be removed from the measured ultrasonic attenuation coefficient. It is not easy to derive the ultrasonic attenuation coefficient resulting from only the scattering by the crystal grains from the ultrasonic signal measured in this way, and it usually requires a lot of time. Therefore, it is necessary to apply a signal processing method capable of calculating the crystal grain size of the measurement object at high speed in real time from the measured ultrasonic signal.

生産ラインにおけるオンライン結晶粒径測定において発生する更に別の障害要因は、超音波測定用レーザ干渉計の安定化である。測定対象の表面に到達した超音波の非接触式測定には、主にレーザ干渉計を使用する。このような通常外部的振動に敏感な特性を有している。即ち、測定装置が設置された位置に振動が存在すると、レーザ干渉計の性能が低下するのである。このような側面から、多様なレーザ干渉計の中でも、共焦点ファブリー・ペロー干渉計は、原理的に外部的振動による影響が少ないため、外部的振動が存在する生産ラインにおけるオンライン測定に最も適合している。これは、外部的振動のように、超音波に比べて相対的に周波数が低い信号に対して、共焦点ファブリー・ペロー干渉計が鈍感であるためである。又、共焦点ファブリー・ペロー干渉計は、測定対象表面からの散乱光の捕集効率が高いため、生産ラインに位置する鋼板のように粗い表面を有する測定対象の場合にも、容易に超音波を測定できるという長所を有している。しかしながら、このような共焦点ファブリー・ペロー干渉計も、生産ラインにオンラインで適用する場合には、別途の安定化が必要となる。すなわち、共焦点ファブリー・ペロー干渉計を構成する共振器は、両端の曲面部分反射鏡(以下では曲面鏡と記す)によって構成されており、この2つの曲面鏡間の距離は、常に一定に維持しなければならない。しかし、この2つの曲面鏡間の距離は、周辺温度や2つの曲面鏡の整列状態の変化などの影響を受けることになり、このような2つの曲面鏡間の距離の変化が微細なものであった場合にも、干渉条件が変化して超音波測定の効率に大きな影響を与えることになる。従って、共焦点ファブリー・ペロー干渉計を劣悪な環境の生産ラインにおいて効率的に使用するためには適用するためには、2つの曲面鏡間の距離を一定に維持することによって常に高い超音波測定効率を維持するための安定化が必要となる。   Still another obstacle in the on-line crystal grain size measurement in the production line is the stabilization of the laser interferometer for ultrasonic measurement. A laser interferometer is mainly used for non-contact measurement of ultrasonic waves that reach the surface of the measurement object. Such characteristics are usually sensitive to external vibration. That is, if there is vibration at the position where the measuring device is installed, the performance of the laser interferometer will be degraded. From this aspect, among various laser interferometers, the confocal Fabry-Perot interferometer is less affected by external vibration in principle, and is most suitable for online measurement in production lines where external vibration exists. ing. This is because the confocal Fabry-Perot interferometer is insensitive to signals that are relatively low in frequency compared to ultrasound, such as external vibration. In addition, the confocal Fabry-Perot interferometer has a high collection efficiency of scattered light from the surface of the measurement object, so it is easy to use ultrasonic waves even in the case of a measurement object having a rough surface such as a steel plate located on the production line. It has the advantage that can be measured. However, such a confocal Fabry-Perot interferometer also requires additional stabilization when applied on-line to a production line. In other words, the resonator constituting the confocal Fabry-Perot interferometer is composed of curved partial reflecting mirrors (hereinafter referred to as curved mirrors) at both ends, and the distance between the two curved mirrors is always kept constant. Must. However, the distance between the two curved mirrors is affected by changes in the ambient temperature and the alignment state of the two curved mirrors, and the change in the distance between the two curved mirrors is minute. Even in such a case, the interference condition changes, which greatly affects the efficiency of ultrasonic measurement. Therefore, in order to apply the confocal Fabry-Perot interferometer for efficient use in a production line in a poor environment, the ultrasonic measurement is always high by keeping the distance between the two curved mirrors constant. Stabilization is required to maintain efficiency.

測定対象の機械的特性や微細組織の測定にレーザ超音波法を適用した従来の技術としては、複合材料の多孔性測定(特許文献1)、超音波の拡散を利用した試片の物性測定(特許文献2)、超音波の共鳴を利用した板材の物性測定(特許文献3)などがある。   Conventional techniques that apply the laser ultrasonic method to the measurement of the mechanical properties and microstructure of the object to be measured include porosity measurement of composite materials (Patent Document 1), physical property measurement of specimens utilizing ultrasonic diffusion ( Patent Document 2), measurement of physical properties of a plate material using ultrasonic resonance (Patent Document 3), and the like.

この中で、複合材料の多孔性測定(特許文献1)は、超音波の減衰を利用して試験片の多孔性を測定する方法に関するものであって、超音波の減衰係数を利用して結晶粒径を算出する本特許とは発明の目的が異なり、レーザビームによる超音波の生成と測定が測定対象の同一面(同一位置)において行われることを強調してはいるが、鋼板生産ラインにおけるオンライン測定時に発生し得る問題点及びこれに対する解決策は提示されていない。   Among them, the porosity measurement of a composite material (Patent Document 1) relates to a method for measuring the porosity of a test piece by utilizing attenuation of ultrasonic waves. Although the purpose of the invention is different from this patent for calculating the particle size, it emphasizes that the generation and measurement of ultrasonic waves by a laser beam is performed on the same surface (same position) of the measurement object, but in the steel plate production line Problems that may occur during online measurement and solutions to this are not presented.

更に別の従来技術である超音波の拡散を利用した試片の物性測定(特許文献2)においては、パルス型レーザビームによって生成された超音波パルスが試片の内部において連続的な散乱によって拡散した際に、この拡散信号の時間的な変化を測定している。このように測定された拡散信号によれば、様々な物性(超音波吸収係数、結晶粒径)をパラメータとする理論的な拡散式と比較することにより、試片の上記の様々な物性を測定する方法が提供される。この従来技術によれば、原理的には、本特許のように試片の結晶粒径の測定が可能である。しかしながら、拡散する超音波の強度が一般的に非常に小さいため、一般的に劣悪な環境(大きな鋼板の厚さ、各種雑音要素)にある生産ラインにおいては、信号対雑音比(S/N比)が非常に低く、測定された拡散信号と最も近似した拡散式を導出するには、パラメータを連続的に変更しつつ拡散式を導出し、これを測定信号と比較する作業が必要であって、測定信号と最も近似した理論的拡散式を定める評価基準を設けなければならないという短所を有している。このような短所のために、この従来技術は、実験室的な環境においては適用可能であっても、生産ラインにおけるオンライン測定には適合しない。又、生産ラインにおけるオンライン測定時に発生し得る問題点及びこれに対する解決策も提示されてはいない。   In another conventional technique for measuring physical properties of a specimen using ultrasonic diffusion (Patent Document 2), ultrasonic pulses generated by a pulsed laser beam are diffused by continuous scattering inside the specimen. When this occurs, the temporal change of the spread signal is measured. According to the diffusion signal measured in this way, the above-mentioned various physical properties of the specimen are measured by comparing with the theoretical diffusion equation using various physical properties (ultrasonic absorption coefficient, crystal grain size) as parameters. A method is provided. According to this prior art, in principle, the crystal grain size of the specimen can be measured as in this patent. However, since the intensity of the diffusing ultrasonic waves is generally very small, the signal-to-noise ratio (S / N ratio) is generally used in a production line in a poor environment (large steel plate thickness, various noise factors). ) Is very low, and in order to derive the diffusion equation that most closely approximates the measured diffusion signal, it is necessary to derive the diffusion equation while continuously changing the parameters and compare this with the measurement signal. However, it has a disadvantage in that an evaluation criterion for determining a theoretical diffusion equation that is most approximate to the measurement signal must be provided. Because of these disadvantages, this prior art is not suitable for on-line measurement in a production line, even though it can be applied in a laboratory environment. In addition, problems that may occur during on-line measurement in a production line and solutions to the problems are not presented.

更に別の従来技術である超音波の共鳴を利用した板材の物性測定(特許文献3)によれば、縦波又は/及び横波の共鳴周波数を利用して試片の厚さや機械的な物性を測定する方法が提供されているが、本技術を適用するためには、多数の連続的な超音波反射波信号を取得しなければならないため、測定対象の厚さが薄くなければならないという短所を有している。又、測定された多数の連続的な超音波信号から共鳴周波数を分析し、これを通じて測定対象の厚さや物性を算出しなければならないが、この従来技術(特許文献3)においては、共鳴周波数分析及び物性算出を自動的に遂行する方法が提示されていないため、リアルタイム信号処理が要求される生産ラインにおけるオンライン適用は困難であるという問題点を有している。   Furthermore, according to another conventional technique for measuring physical properties of a plate material using ultrasonic resonance (Patent Document 3), the thickness and mechanical properties of a specimen are measured using the resonance frequency of longitudinal waves and / or transverse waves. Although a measurement method is provided, in order to apply this technique, a large number of continuous ultrasonic reflected wave signals must be acquired. Have. Further, it is necessary to analyze the resonance frequency from a large number of measured continuous ultrasonic signals, and to calculate the thickness and physical properties of the measurement object through this analysis. In this prior art (Patent Document 3), the resonance frequency analysis is performed. In addition, since a method for automatically performing physical property calculation has not been presented, there is a problem that it is difficult to apply online in a production line that requires real-time signal processing.

超音波測定用レーザ干渉計に関する従来の技術が、特許文献4に開示されている。この特許においては、共焦点ファブリー・ペロー干渉計を利用して、試片表面に到達した超音波を測定する方法が提供されており、上記のような干渉計の安定化方法も提示されている。しかしながら、この特許において提示されている方法によれば、干渉計を安定化させるために、ロック・イン増幅器や電気光学セルなどの規模が大きく高価且つ複雑な回路構成を有する装置を使用しなければならない。又、この従来技術(特許文献4)においては、共焦点ファブリー・ペロー干渉計の最適条件を維持するべく超音波測定用レーザの周波数を常に調節しなければならないため、非常に複雑且つ敏感な制御回路を構成しなければならないという短所をも有している。近年、レーザを利用する測定装置を構成する際には、装置の構成を容易にするべく、商用化されたレーザを使用する趨勢にあり、このような商用化されたレーザの場合には、その内部構成の変更が容易ではない。この従来技術(特許文献4)によれば、商用化されたレーザをそのまま使用することが不可能であり、商用化されたレーザの内部構成を変更するか、或いは、測定装置の目的に合わせてレーザを自分で製作しなければならないため、特許の内容を実現することが非常に困難である。   A conventional technique relating to a laser interferometer for ultrasonic measurement is disclosed in Patent Document 4. In this patent, a method for measuring an ultrasonic wave reaching the surface of a specimen using a confocal Fabry-Perot interferometer is provided, and a method for stabilizing the interferometer as described above is also presented. . However, according to the method presented in this patent, in order to stabilize the interferometer, a device having a large scale, an expensive and complicated circuit configuration such as a lock-in amplifier or an electro-optic cell must be used. Don't be. In this prior art (Patent Document 4), the frequency of the ultrasonic measurement laser must always be adjusted in order to maintain the optimum condition of the confocal Fabry-Perot interferometer. It also has the disadvantage of having to configure the circuit. In recent years, when configuring a measurement device using a laser, there has been a tendency to use a commercialized laser in order to facilitate the configuration of the device. In the case of such a commercialized laser, It is not easy to change the internal configuration. According to this conventional technique (Patent Document 4), it is impossible to use a commercialized laser as it is, and the internal configuration of the commercialized laser is changed, or according to the purpose of the measuring apparatus. It is very difficult to realize the content of the patent because the laser must be manufactured by itself.

Scruby, C.B. et al, ”Laser−Ultrasonics: Techniques and Applications”, Adam Hilger, Bristol, UK, 1990.Scruby, C.I. B. et al, "Laser-Ultrasonics: Techniques and Applications", Adam Hillger, Bristol, UK, 1990. 米国特許第6684701号公報US Pat. No. 6,684,701 米国特許第6532821号公報US Pat. No. 6,532,821 米国特許第6057927号公報US Pat. No. 6,057,927 米国特許第4659224号公報US Pat. No. 4,659,224

本発明は、上述の従来技術の問題点を解決し、製鉄所において生産する各種鋼板の結晶粒径をオンラインで安定的に測定するために案出されたものであって、本発明の目的は、測定対象表面の同一面において、超音波の発生及び測定を遂行し、測定装置が、生産中の鋼板の上部にのみ存在するようにすることによって生産ラインに測定装置を容易に設置することが可能であり、高強度の超音波の生成時に存在するプラズマによる影響を低減して効率的な超音波測定を可能にし、測定された超音波信号からのリアルタイムの結晶粒径の算出を可能にする信号処理アルゴリズムによってオンラインの結晶粒径測定を容易にするオンライン結晶粒径測定装置及び方法を提供することである。   The present invention has been devised in order to solve the above-mentioned problems of the prior art and stably measure the crystal grain size of various steel plates produced in steelworks on-line. It is possible to easily install the measuring device on the production line by performing the generation and measurement of ultrasonic waves on the same surface of the measuring object surface so that the measuring device exists only above the steel plate being produced. It is possible to reduce the influence of the plasma present when generating high-intensity ultrasonic waves, enable efficient ultrasonic measurement, and calculate the crystal grain size in real time from the measured ultrasonic signal To provide an on-line crystal grain size measuring apparatus and method that facilitates online crystal grain size measurement using a signal processing algorithm.

本発明は、製鉄所において生産する各種鋼板の熱間(又は、冷間)圧延工程において、効率的な圧延作業に必要な結晶粒径情報をリアルタイムで提供するべく、パルス型レーザを利用して鋼板の表面に超音波を発生させ、鋼板の内部を伝播した上記超音波をレーザ干渉計を利用して測定し鋼板の結晶粒径をリアルタイムで測定するオンライン結晶粒径測定装置に関するものであって、更に詳しくは、鋼板の同一面上において超音波(縦波)の発振及び測定を遂行することにより、熱間(又は、冷間)圧延中の鋼板へのオンライン適用を容易にし、最適な超音波発振位置及び測定位置を適用して縦波の測定効率を向上させると同時にプラズマによる干渉を低減し、効率化されたレーザ干渉計の適用を通じて上記超音波測定信号を安定化させ、超音波回折、超音波発振の方向性及び温度の影響が補正された検量線を利用して、測定された超音波減衰係数からの結晶粒径の導出を可能にし、上記超音波の周波数成分の中の最適周波数を選定し、この周波数のみを減衰係数分析及び結晶粒径測定に適用することにより、迅速且つ容易な結晶粒径測定を可能にすることにより、全体的に熱間圧延工程において容易な結晶粒径測定を可能にするオンライン結晶粒径測定装置に関するものである。   The present invention utilizes a pulsed laser to provide in real time crystal grain size information necessary for efficient rolling operations in the hot (or cold) rolling process of various steel plates produced at steelworks. The present invention relates to an on-line crystal grain size measuring device that generates ultrasonic waves on the surface of a steel sheet, measures the ultrasonic waves propagated inside the steel sheet using a laser interferometer, and measures the crystal grain size of the steel sheet in real time. More specifically, by performing ultrasonic wave (longitudinal wave) oscillation and measurement on the same surface of the steel sheet, online application to the steel sheet during hot (or cold) rolling is facilitated, and the optimum super Improve longitudinal wave measurement efficiency by applying sound wave oscillating position and measurement position, and at the same time reduce plasma interference, stabilize the ultrasonic measurement signal through the application of an efficient laser interferometer, Using calibration curves corrected for the effects of wave diffraction, ultrasonic oscillation direction and temperature, it is possible to derive the crystal grain size from the measured ultrasonic attenuation coefficient. By selecting only the optimum frequency and applying only this frequency to the attenuation coefficient analysis and the crystal grain size measurement, it is possible to measure the crystal grain size quickly and easily. The present invention relates to an on-line crystal grain size measuring apparatus that enables crystal grain size measurement.

本発明の要旨は以下に記載するとおりである。
(1)第1の発明は、金属板の生産ライン中において該金属板の結晶粒径をレーザ超音波法を用いてオンラインで測定するオンライン結晶粒径測定装置において、
測定対象物60の表面に超音波を発生させるためのパルス発光レーザ10;測定対象物60の反射超音波を検出するための超音波測定用レーザ30;該超音波測定用レーザで発生した光ビーム35を測定対象物近傍に導くための光ファイバ33;測定対象物60の表面で反射された光ビーム35の散乱光を超音波安定測定部20に導く光ファイバ41;パルス発光レーザ10で発生した光ビーム13を測定対象物60の表面に照射して該測定対象物内に超音波を発生させ、該超音波の発生表面と同一表面に前記光ファイバ33によって伝送された超音波測定用レーザ30の光ビーム35を照射し、さらに該超音波の前記反射超音波によって反射された前記光ビーム35の前記散乱光を捕集して前記光ファイバ41に入射させる光学ヘッド70;前記光ファイバ41によって伝送された前記散乱光の強度変化を検出することにより前記反射超音波の強度を測定する超音波安定測定部20;および該超音波安定測定部20の電気的出力信号から結晶粒径を算出する信号処理部40で構成され、
前記超音波安定測定部20は、光ファイバ41によって伝送された前記散乱光の前記反射超音波による前記超音波測定用レーザの周波数からの周波数偏移を透過干渉光および反射干渉光の強度変化として検出する共焦点ファブリー・ペロー干渉計116で構成されるレーザ干渉部と;前記超音波測定用レーザ30の光ビームの一部を分離して光ファイバ52で該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に伝送して該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の干渉を安定化する干渉計安定部と;測定対象物の表面での超音波生成時に存在するプラズマ放射光が該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射するのを抑止する高速シャッター110とを具備するオンライン結晶粒径測定装置である。
(2)第2の発明は、前記超音波測定用レーザ30は連続発振レーザで、前記光ファイバ33は偏波面保持光ファイバで、さらに前記光ファイバ41はマルチモード光ファイバである(1)に記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(3)第3の発明は、測定対象物60の片面に前記パルス発光レーザ10の光ビームを集光・照射して超音波を発生させ、該超音波が発生した位置と略同一位置に前記超音波測定用レーザ30の光ビーム35を集光・照射して、測定対象物60の、前記光ビームを集光・照射した片面の反対表面で反射して戻ってきた縦波である反射超音波を測定することを特徴とする(1)または(2)に記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(4)第4の発明は、前記超音波測定用レーザ30の光ビームを、その偏光面を回転させる半波長板53を介して前記光ファイバ33に入射させて伝送し、前記光ヘッド70は、偏光ビームスプリッタ82、4分の1波長板83、および第1の集光光学系1と第2の集光光学系を具備して、前記光ファイバ33から入射した光ビームを前記偏光ビームスプリッタ82で90度反射した後、前記4分の1波長板を通して前記第1の集光光学系で測定対象物60の表面に集光し、該表面で反射した散乱光36を前記第1の集光光学系で捕集した後、前記4分の1波長板83と前記偏光ビームスプリッタ82を透過させ、さらに前記第2の集光光学系でマルチモードファイバ41に入射させるものである(1)〜(3)の内の一つに記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(5)第5の発明は、前記第1の集光光学系は凹レンズ84と該凹レンズより前記測定対象物側に設置された1枚または2枚の凸レンズ(85および/または86)で構成され、測定対象物60の表面からの前記散乱光の断面積を縮小した後に前記第2の集光光学系に入射させて、前記第2の集光光学系から前記マルチモード光ファイバ41への入射角を小さくすることにより、前記散乱光の前記マルチモード光ファイバへの入射効率を大きくするようにしたことを特徴とする(4)のオンライン結晶粒径測定装置である。
(6)第6の発明は、前記レーザ干渉部は、マルチモード光ファイバ41により伝送された前記散乱光を、偏光ビームスプリッタ92および4分の1波長板93の順に透過させた後に、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射させて、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の反射干渉光を前記偏光ビームスプリッタ92で90度反射させることにより前記散乱光と分離して光検出器100で測定できるようにしたことを特徴とする(1)〜(5)の内の一つに記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(7)第7の発明は、前記レーザ干渉部は、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116において、前記散乱光の入射側とは反対の後方に4分の1波長板97と偏光ビームスプリッタ98を順に設置して、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の透過干渉光が前記偏光ビームスプリッタ98を透過するようにして光検出器99で透過干渉光の強度を測定するようにしたことを特徴とする(1)〜(6)の内の一つに記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(8)第8の発明は、前記干渉計安定部は、前記超音波測定用レーザ30の出力ビームの一部を測定対象物へ照射する光ビームから分離し、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射させて干渉光(102)を形成させ、該干渉光の強度変化を利用して前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の共振を安定化するものである(1)〜(7)の内の一つに記載のオンライン結晶粒径測定装置。
(9)第9の発明は、前記干渉計安定部は、前記超音波測定用レーザ30の出力ビームの一部を測定対象物へ照射する光ビームから分離しマルチモード光ファイバで伝送し、前記偏光ビームスプリッタ98で90度反射させて前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射させた後、透過干渉光を前記偏光ビームスプリッタ92で90度反射し、さらにプリズムによって反射させて該透過干渉光の強度変化を光検出器104によって検出して前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の共振を安定化するものである(7)に記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(10)第10の発明は、前記干渉計安定部は、前記光検出器104の出力信号を用いて前記ファブリー・ペロー干渉計の干渉条件を所定の干渉条件に保つように信号処理をする干渉安定化制御回路105、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計の共振器鏡95に設置した圧電アクチュエータ107、前記干渉安定化制御回路105の出力信号により該圧電アクチュエータを駆動する圧電駆動調節器106を具備することを特徴とする(9)に記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(11)第11の発明は、前記レーザ干渉部は、前記測定対象物60表面からの前記散乱光の前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116における透過干渉光と反射干渉光の強度をそれぞれ光検知器99と光検知器100で電気信号に変換した後、該2つの電気信号を差動増幅して反射超音波信号を得る超音波信号検出装置39を具備することを特徴とする(1)〜(10)の内の一つに記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(12)第12の発明は、前記信号処理部は、前記超音波信号検出装置39から出力される前記反射超音波信号をFFTによってフーリエ周波数成分を求めて, 周波数毎の超音波減衰係数を求め、測定対象の結晶粒径を算出するものであることを特徴とする(1)〜(11)の内のいずれか一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置である。
(13)第13の発明は、前記信号処理部は、測定対象物の試片を用いた測定実験を通じて予め導出した測定対象の結晶粒径と超音波減衰係数間の相関式に関する情報を持ち、オンライン測定時に測定された超音波減衰係数を前記相関式に代入して迅速に結晶粒径を算出することを特徴とする(1)〜(11)の内のいずれか一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置。
(14)第14の発明は、金属板の生産ライン中において該金属板の結晶粒径をレーザ超音波法を用いてオンラインで測定するオンライン結晶粒径測定方法において、
パルス発光レーザ10で発生した光ビーム13を測定対象物60の表面に照射して該測定対象物内に超音波を発生させ、該超音波の発生発生表面と同一表面に光ファイバ33によって伝送された超音波測定用レーザ30の光ビーム35を照射し、さらに光学ヘッド70を用いて該超音波の前記反射超音波によって反射された前記光ビーム35の散乱光を捕集して光ファイバ41に入射させ;光ファイバ41によって伝送された前記散乱光の強度変化を検出することにより前記反射超音波の強度を超音波安定測定部20で測定し;超音波安定測定部20の電気出力信号から結晶粒径を信号処理部で算出するオンライン結晶粒径測定方法であって、
前記超音波安定測定部20は、光ファイバ41によって伝送された前記散乱光の前記反射超音波による前記超音波測定用レーザの周波数からの周波数偏移を透過干渉光および反射干渉光の強度変化として検出する共焦点ファブリー・ペロー干渉計116で構成されるレーザ干渉部と;超音波測定用連続発振レーザ30の光ビームの一部を分離してマルチモード光ファイバ52で該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に伝送して該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の干渉を安定化する干渉計安定部と;超音波生成時に存在するプラズマ放射光が該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射するのを抑止する高速シャッター110とを具備するものであるオンライン結晶粒径測定方法である。
The gist of the present invention is as described below.
(1) A first invention is an on-line crystal grain size measuring apparatus for measuring a crystal grain size of a metal plate on-line using a laser ultrasonic method in a metal plate production line.
Pulsed laser 10 for generating ultrasonic waves on the surface of the measuring object 60; ultrasonic measuring laser 30 for detecting reflected ultrasonic waves of the measuring object 60; light beam generated by the ultrasonic measuring laser An optical fiber 33 for guiding 35 to the vicinity of the measurement object; an optical fiber 41 for guiding the scattered light of the light beam 35 reflected by the surface of the measurement object 60 to the ultrasonic stable measurement unit 20; The surface of the measurement object 60 is irradiated with the light beam 13 to generate ultrasonic waves in the measurement object, and the ultrasonic measurement laser 30 transmitted by the optical fiber 33 to the same surface as the generation surface of the ultrasonic waves. The optical head 70 irradiates the light beam 35, and collects the scattered light of the light beam 35 reflected by the reflected ultrasonic wave and makes it incident on the optical fiber 41. An ultrasonic stability measuring unit 20 for measuring the intensity of the reflected ultrasonic wave by detecting an intensity change of the scattered light transmitted by the optical fiber 41; and a crystal from an electrical output signal of the ultrasonic stable measuring unit 20 Consists of a signal processing unit 40 for calculating the particle size,
The stable ultrasonic measurement unit 20 uses the frequency shift of the scattered light transmitted by the optical fiber 41 from the frequency of the ultrasonic measurement laser due to the reflected ultrasonic wave as a change in the intensity of the transmitted interference light and the reflected interference light. A laser interferometer configured by a confocal Fabry-Perot interferometer 116 to be detected; a part of the light beam of the ultrasonic measurement laser 30 is separated into the confocal Fabry-Perot interferometer 116 by an optical fiber 52; An interferometer stabilizing unit that transmits and stabilizes the interference of the confocal Fabry-Perot interferometer 116; plasma radiation that is present when generating ultrasonic waves on the surface of the measurement object; 2 is an on-line crystal grain size measuring device including a high-speed shutter 110 that prevents the light from being incident on the crystal.
(2) In a second aspect of the invention, the ultrasonic measurement laser 30 is a continuous wave laser, the optical fiber 33 is a polarization-maintaining optical fiber, and the optical fiber 41 is a multimode optical fiber. It is an on-line crystal grain size measuring apparatus of description.
(3) A third invention is a light beam of the pulsed emission laser 10 on one surface of the measuring object 60 by condensing Irradiation to generate ultrasonic waves, a position substantially the same position where the ultrasonic wave is generated wherein a light beam 35 of ultrasonic measurement laser 30 and the condenser-irradiation, of the measuring object 60 is a longitudinal wave reflected and returned to the light beam at the opposite surface of the one side of the condenser-irradiated reflection an online grain size measurement device according to, characterized in that for measuring the ultrasonic wave (1) or (2).
(4) In a fourth aspect of the invention, the light beam of the ultrasonic measurement laser 30 is transmitted by being incident on the optical fiber 33 via a half-wave plate 53 whose rotation plane is rotated. A polarizing beam splitter 82, a quarter-wave plate 83, a first condensing optical system 1 and a second condensing optical system, and a light beam incident from the optical fiber 33 is converted into the polarizing beam splitter. After being reflected at 90 ° by 82, the light is condensed on the surface of the measurement object 60 by the first condensing optical system through the quarter-wave plate, and the scattered light 36 reflected by the surface is reflected on the first collection light. After being collected by the optical optical system, the light is transmitted through the quarter-wave plate 83 and the polarizing beam splitter 82, and further incident on the multimode fiber 41 by the second condensing optical system (1). Online as described in one of (3) It is a crystal grain size measuring device.
(5) In a fifth aspect of the invention, the first condensing optical system includes a concave lens 84 and one or two convex lenses (85 and / or 86) installed closer to the object to be measured than the concave lens. The cross-sectional area of the scattered light from the surface of the measuring object 60 is reduced and then incident on the second condensing optical system, and incident on the multimode optical fiber 41 from the second condensing optical system. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to (4), wherein the incident efficiency of the scattered light into the multimode optical fiber is increased by reducing the angle.
(6) In a sixth invention, the laser interference unit transmits the scattered light transmitted by the multimode optical fiber 41 in the order of the polarization beam splitter 92 and the quarter-wave plate 93, and then The light is incident on a focal Fabry-Perot interferometer 116, and the reflected interference light of the confocal Fabry-Perot interferometer 116 is reflected by the polarization beam splitter 92 by 90 degrees to be separated from the scattered light by the photodetector 100. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to any one of (1) to (5), wherein measurement is possible.
(7) In a seventh aspect of the invention, the laser interfering unit includes a quarter-wave plate 97 and a polarizing beam splitter 98 at the rear of the confocal Fabry-Perot interferometer 116 opposite to the incident side of the scattered light. Are arranged in order, and the transmitted interference light of the confocal Fabry-Perot interferometer 116 is transmitted through the polarization beam splitter 98, and the intensity of the transmitted interference light is measured by the photodetector 99. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to one of (1) to (6).
(8) In an eighth aspect of the invention, the interferometer stabilization unit separates a part of the output beam of the ultrasonic measurement laser 30 from the light beam that irradiates the measurement object, and the confocal Fabry-Perot interferometer 116, the interference light (102) is formed, and the resonance of the confocal Fabry-Perot interferometer 116 is stabilized by utilizing the intensity change of the interference light. The on-line crystal grain size measuring apparatus as described in one of them.
(9) In a ninth aspect of the invention, the interferometer stabilization unit separates a part of the output beam of the ultrasonic measurement laser 30 from the light beam that irradiates the measurement object, and transmits the separated beam using a multimode optical fiber. After 90 degree reflection by the polarization beam splitter 98 and incidence on the confocal Fabry-Perot interferometer 116, the transmitted interference light is reflected by 90 degrees by the polarization beam splitter 92, and further reflected by the prism to transmit the transmitted interference light. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to (7), wherein the intensity change of the light is detected by the photodetector 104 and the resonance of the confocal Fabry-Perot interferometer 116 is stabilized.
(10) In the tenth aspect of the invention, the interferometer stabilization unit performs interference signal processing using the output signal of the photodetector 104 so as to keep the interference condition of the Fabry-Perot interferometer at a predetermined interference condition. A stabilization control circuit 105; a piezoelectric actuator 107 installed on a resonator mirror 95 of the confocal Fabry-Perot interferometer; and a piezoelectric drive adjuster 106 that drives the piezoelectric actuator by an output signal of the interference stabilization control circuit 105. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to (9), characterized in that:
(11) In an eleventh aspect of the invention, the laser interference unit detects the intensity of transmitted interference light and reflected interference light of the scattered light from the surface of the measurement object 60 in the confocal Fabry-Perot interferometer 116, respectively. And (1) to (99), comprising an ultrasonic signal detection device 39 for obtaining a reflected ultrasonic signal by differentially amplifying the two electric signals after being converted into electric signals by the detector 99 and the optical detector 100. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to one of (10).
(12) In a twelfth aspect, the signal processing unit obtains a Fourier frequency component of the reflected ultrasonic signal output from the ultrasonic signal detection device 39 by FFT, and obtains an ultrasonic attenuation coefficient for each frequency. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to any one of (1) to (11), wherein the crystal grain size to be measured is calculated.
(13) In a thirteenth aspect, the signal processing unit has information related to a correlation equation between a crystal grain size of a measurement object and an ultrasonic attenuation coefficient, which are derived in advance through a measurement experiment using a specimen of the measurement object, The online crystal according to any one of (1) to (11), wherein a crystal grain size is rapidly calculated by substituting an ultrasonic attenuation coefficient measured at the time of online measurement into the correlation equation. Particle size measuring device.
(14) The fourteenth invention is an on-line crystal grain size measuring method for measuring a crystal grain size of the metal plate on-line using a laser ultrasonic method in a metal plate production line,
The surface of the measurement object 60 is irradiated with the light beam 13 generated by the pulsed laser 10 to generate ultrasonic waves in the measurement object, and is transmitted by the optical fiber 33 to the same surface as the generation and generation surface of the ultrasonic waves. Then, the scattered light of the light beam 35 reflected by the reflected ultrasonic wave of the ultrasonic wave is collected by using the optical head 70 and irradiated to the optical fiber 41. The intensity of the reflected ultrasonic wave is measured by the ultrasonic stable measuring unit 20 by detecting the intensity change of the scattered light transmitted by the optical fiber 41; the crystal is obtained from the electric output signal of the ultrasonic stable measuring unit 20; An online crystal grain size measuring method for calculating a grain size in a signal processing unit,
The stable ultrasonic measurement unit 20 uses the frequency shift of the scattered light transmitted by the optical fiber 41 from the frequency of the ultrasonic measurement laser due to the reflected ultrasonic wave as a change in the intensity of the transmitted interference light and the reflected interference light. A laser interfering unit including a confocal Fabry-Perot interferometer 116 to detect; a part of the light beam of the continuous wave laser 30 for ultrasonic measurement is separated, and the confocal Fabry-Perot interference is separated by a multimode optical fiber An interferometer stabilizing unit that transmits to the meter 116 and stabilizes the interference of the confocal Fabry-Perot interferometer 116; plasma radiation light that is present when the ultrasonic wave is generated is incident on the confocal Fabry-Perot interferometer 116. This is an on-line crystal grain size measuring method including a high-speed shutter 110 that suppresses the above.

結果的に、本発明によるオンライン結晶粒径測定装置によれば、パルス型レーザを利用して遠隔で超音波を発生させ、試片の内部を伝播した超音波を共焦点ファブリー・ペロー干渉計を利用した測定装置により、やはり遠隔で測定することによって、生産ラインにおいて移送中の測定対象の超音波探傷が可能になり、測定対象表面の同一面、同一位置において超音波の発生及び測定を遂行して測定装置が生産中の鋼板の片側にのみ存在するようにすることにより、生産ラインに測定装置を容易に設置することが可能であり、アブレーション効果によって高強度の超音波を発生させることにより、厚さが厚い測定対象の場合にも、結晶粒径の測定が可能になるという長所を有している。   As a result, according to the on-line crystal grain size measuring apparatus according to the present invention, an ultrasonic wave is remotely generated using a pulsed laser, and the ultrasonic wave propagating through the inside of the specimen is converted into a confocal Fabry-Perot interferometer. By using the measuring device used to measure remotely, it is possible to perform ultrasonic testing of the measurement target being transferred in the production line, and to generate and measure ultrasonic waves on the same surface and at the same position on the measurement target surface. By making the measuring device exist only on one side of the steel plate being produced, it is possible to easily install the measuring device in the production line, and by generating high-intensity ultrasonic waves by the ablation effect, Even in the case of a thick measuring object, the crystal grain size can be measured.

又、超音波の生成と測定を測定対象の同一面、同一地点において遂行することにより、超音波(縦波)が測定対象の表面において反射される際に発生するモード変換による超音波エネルギーの損失を防止すると共に、超音波伝播距離の算出を容易にして結果的に超音波減衰係数の計算を容易にし、融発効果による高強度の超音波の生成時に存在するプラズマが超音波信号測定用の光検出器に及ぼす影響を低減することにより、効率的な超音波測定を通じて、より精密な減衰係数の測定が可能になるという長所を有している。   Also, by generating and measuring ultrasonic waves on the same surface and at the same point of the measurement object, loss of ultrasonic energy due to mode conversion that occurs when ultrasonic waves (longitudinal waves) are reflected on the surface of the measurement object This facilitates the calculation of the ultrasonic propagation distance and consequently the calculation of the ultrasonic attenuation coefficient, and the plasma present when generating high-intensity ultrasonic waves due to the fusion effect is used for ultrasonic signal measurement. By reducing the influence on the photodetector, it has an advantage that a more accurate attenuation coefficient can be measured through efficient ultrasonic measurement.

又、特定の測定対象について結晶粒径との相関性が最も優秀な1つの特定周波数(Φ)を予め選定した後に、この周波数(Φ)の減衰係数(α(Φ))のみを利用して迅速に結晶粒径を算出することにより、リアルタイムのオンライン結晶粒径測定が容易になるという長所をも有している。   In addition, after selecting one specific frequency (Φ) having the best correlation with the crystal grain size for a specific measurement object in advance, only the attenuation coefficient (α (Φ)) of this frequency (Φ) is used. It also has the advantage that real-time online crystal grain size measurement is facilitated by quickly calculating the crystal grain size.

本発明の更に別の長所は、レーザを利用した超音波の測定において、効率的な散乱光捕集装置により、測定地点において反射された散乱光を、損失なしに、最大の効率によって、共焦点ファブリー・ペロー干渉計を利用した測定装置に伝送することにより、超音波信号測定を容易にしていることである。   Yet another advantage of the present invention is that in the measurement of ultrasonic waves using a laser, the scattered light reflected at the measurement point can be confocal with maximum efficiency without loss by an efficient scattered light collecting device. Ultrasonic signal measurement is facilitated by transmitting to a measuring device using a Fabry-Perot interferometer.

又、効率的な共焦点ファブリー・ペロー干渉計を利用した測定装置の構成により、第1に、超音波測定に使用される干渉計の出力光に損失が発生せず、第2に、干渉計に入射する散乱光の強度変化とは無関係に、常に安定的に干渉計を安定化させることが可能であり、第3に、2つの光検出器を通じて干渉計の2種類の出力光、即ち、反射干渉光と透過干渉光をすべて測定し、超音波信号の強度を増大させることができるという長所をも有している。   In addition, the configuration of the measuring apparatus using an efficient confocal Fabry-Perot interferometer firstly causes no loss in the output light of the interferometer used for ultrasonic measurement, and secondly, the interferometer. It is possible to stabilize the interferometer stably at all times regardless of the intensity change of the scattered light incident on the light source. Third, the two types of output light of the interferometer through the two photodetectors, that is, It also has the advantage that the intensity of the ultrasonic signal can be increased by measuring all reflected interference light and transmitted interference light.

以下、本発明による実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

まず、図1には、本発明によるオンライン結晶粒径測定装置の全体図面が図示されている。パルス型レーザ10から発生したパルスビームは、レンズ11によって集光された後に、全反射鏡12によって測定対象の鋼板60表面に入射し、各種超音波(縦波、横波、及び表面波)を発生させる(参考文献:非特許文献1)。このようにパルス型レーザビームの入射によって発生した各種超音波の発生効率は、前述のように、入射したパルスビームの強度密度によって決定され、パルスビームの強度密度が大きくなると(測定対象表面において、略5x108W/cm2以上になると)、主に表面物質のアブレーションによって超音波が発生する。前述のように、生産ラインにおける超音波探傷には、高強度の超音波が必要であることから、アブレーション効果による超音波の発生が要求される。このように測定対象表面の融発によって超音波を発生させるためには、数ナノ秒〜数十ナノ秒の短いパルス幅のレーザビームを発生させるQスイッチレーザが主に使用される。 First, FIG. 1 shows an overall drawing of an on-line crystal grain size measuring apparatus according to the present invention. The pulse beam generated from the pulse laser 10 is condensed by the lens 11 and then incident on the surface of the steel plate 60 to be measured by the total reflection mirror 12 to generate various ultrasonic waves (longitudinal wave, transverse wave, and surface wave). (Reference: Non-Patent Document 1). As described above, the generation efficiency of various ultrasonic waves generated by the incidence of the pulsed laser beam is determined by the intensity density of the incident pulse beam, and when the intensity density of the pulse beam increases (on the surface to be measured, When it becomes approximately 5 × 10 8 W / cm 2 or more), ultrasonic waves are generated mainly by ablation of the surface material. As described above, since ultrasonic inspection with high intensity is necessary for ultrasonic flaw detection in a production line, generation of ultrasonic waves by the ablation effect is required. In order to generate ultrasonic waves by the fusion of the surface to be measured in this way, a Q-switched laser that generates a laser beam with a short pulse width of several nanoseconds to several tens of nanoseconds is mainly used.

又、同一のレーザパルスを使用する場合にも、測定対象表面におけるレーザパルスビームの強度密度は、集光されたパルスビームの大きさによって変化する。通常、レーザパルスビームの断面は円形であるため、測定対象表面に集光されたパルスビームも円形であり、このパルスビームの大きさ、即ち直径(S1)が小さくなるほど、強度密度が大きくなる。通常、アブレーション効果の発生条件を実現する際には、パルスビームの大きさ(S1)を調節する。このような測定対象表面に集光されたパルスビームの大きさ(S1)は、レンズ(11)の焦点距離(F1)とレンズと測定対象表面間のパルスビームの伝播距離(D1)によって決定される。即ち、D1とF1が一致した場合に、集光されたパルスビームの大きさ(S1)は最小であり、D1がF1よりも小さくなればなるほどS1は大きくなる。本発明においては、D1とF1を適切に調節し、主にアブレーション効果によって超音波が発生するようにしている。 Even when the same laser pulse is used, the intensity density of the laser pulse beam on the surface to be measured varies depending on the size of the focused pulse beam. Usually, since the cross section of the laser pulse beam is circular, the pulse beam focused on the surface to be measured is also circular, and the intensity density increases as the size of the pulse beam, that is, the diameter (S 1 ) decreases. . Usually, when realizing the generation conditions of the ablation effect, the size (S 1 ) of the pulse beam is adjusted. The size (S 1 ) of the pulse beam focused on the measurement target surface is determined by the focal length (F 1 ) of the lens (11) and the propagation distance (D 1 ) of the pulse beam between the lens and the measurement target surface. Determined by. That is, when D 1 and F 1 coincide with each other, the size (S 1 ) of the focused pulse beam is the smallest, and S 1 increases as D 1 becomes smaller than F 1 . In the present invention, D 1 and F 1 are appropriately adjusted so that ultrasonic waves are generated mainly by the ablation effect.

前述したようにアブレーション効果によって各種超音波(縦波、横波、及び表面波)が発生し、このときに発生した縦波は、図2−(a)に示されているように、主に測定対象表面に垂直の方向を中心として伝播することになる。生産ラインにおいて圧延中の鋼板は、通常、上下面が互いに平行である。従って、本発明のように、オンライン測定を容易にするべく、測定対象の同一面上において超音波の発生と測定を遂行し、超音波が測定対象の内部を伝播する際に発生する結晶粒による超音波減衰係数を利用して結晶粒径を求めようとする場合には、図2−(b)のように測定対象表面に対して垂直に伝播する超音波を発生させ、測定対象表面の反対面において反射して戻ってきた超音波を超音波が発生した地点と同一の地点において測定することが最も効率的である。   As described above, various ultrasonic waves (longitudinal waves, transverse waves, and surface waves) are generated by the ablation effect, and the longitudinal waves generated at this time are mainly measured as shown in FIG. It propagates around the direction perpendicular to the target surface. In a production line, steel plates being rolled usually have upper and lower surfaces that are parallel to each other. Therefore, as in the present invention, in order to facilitate online measurement, the generation and measurement of ultrasonic waves are performed on the same surface of the measurement target, and the crystal grains generated when the ultrasonic waves propagate through the measurement target are used. When trying to obtain the crystal grain size using the ultrasonic attenuation coefficient, an ultrasonic wave propagating perpendicularly to the surface to be measured is generated as shown in FIG. It is most efficient to measure the ultrasonic wave reflected and returned from the surface at the same point where the ultrasonic wave is generated.

これは、超音波の発生地点と測定地点が異なる場合には、図2−(c)のように測定対象表面に対して一定の角度を有して伝播する超音波を利用しなければならず、この場合には、測定対象表面の反対面において超音波が反射した際に、モード変換によって縦波エネルギーの一部が横波に変換されることから、結晶粒径の測定に使用される縦波強度の損失が発生するという短所を有している。又、図2−(c)のように超音波の発生地点と測定地点が異なる場合には、超音波減衰係数の計算に必要な超音波の伝播経路及び伝播距離の計算が非常に複雑になるという短所も存在している。上記のような技術的理由により、生産ラインにおいてオンラインで結晶粒径を測定する場合には、融発効果によって垂直に超音波(縦波)を発生させ、超音波の発生地点と同一の地点において超音波を測定することが最も効率的である。   When the generation point of ultrasonic waves is different from the measurement point, ultrasonic waves that propagate at a certain angle with respect to the surface to be measured must be used as shown in FIG. In this case, when the ultrasonic wave is reflected on the opposite surface of the surface to be measured, a part of the longitudinal wave energy is converted into a transverse wave by the mode conversion, so that the longitudinal wave used for measuring the crystal grain size is used. It has the disadvantage of loss of strength. In addition, when the ultrasonic generation point and measurement point are different as shown in FIG. 2- (c), the calculation of the ultrasonic propagation path and propagation distance necessary for calculating the ultrasonic attenuation coefficient becomes very complicated. There are also disadvantages. For the above technical reasons, when measuring the grain size online on the production line, ultrasonic waves (longitudinal waves) are generated vertically by the fusion effect, and at the same point as the ultrasonic generation point. It is most efficient to measure ultrasound.

図1に示されているように、超音波の測定は、超音波安定測定部20とレーザビーム及び散乱光伝送用のマルチモード光ファイバ(33、41)、そして、散乱光捕集部34によって実現されている。超音波安定測定部20の超音波測定用レーザ30から発生した直線偏光のレーザビームは、半波長板53と偏光ビームスプリッタ31を通過した後に、集光レンズ32によって偏波面保持光ファイバ(PMF)33に流入し、この後に、散乱光捕集部34に伝送される。そして、偏波面保持光ファイバ33によって散乱光捕集部34に伝送されたレーザビームは、散乱光捕集部34内部の光素子を経て測定対象表面に集光されることにより、反対面において反射されて測定表面に戻ってきた反射縦波の測定に使用される。   As shown in FIG. 1, ultrasonic measurement is performed by an ultrasonic stable measurement unit 20, a multimode optical fiber (33, 41) for transmitting a laser beam and scattered light, and a scattered light collecting unit 34. It has been realized. The linearly polarized laser beam generated from the ultrasonic measurement laser 30 of the ultrasonic stable measurement unit 20 passes through the half-wave plate 53 and the polarization beam splitter 31, and then is polarized by the condensing lens 32 with a polarization plane maintaining optical fiber (PMF). Then, it is transmitted to the scattered light collecting section 34. Then, the laser beam transmitted to the scattered light collecting unit 34 by the polarization plane holding optical fiber 33 is condensed on the measurement target surface via the optical element inside the scattered light collecting unit 34, and reflected on the opposite surface. The reflected longitudinal wave returned to the measurement surface is used for measurement.

このような超音波測定用レーザビーム35は、上記のように、生産ラインにおける反射縦波の測定及び減衰係数の算出を容易にするべく、図3−(a)に表示されているように、超音波発生用レーザパルスビーム13と超音波測定用レーザビーム35が測定対象表面の同一の位置に入射し、図3−(b)に表示されているように、測定対象表面に集光された超音波発生用レーザパルスビームの光スポット14の中心に直径S2の大きさで集光される。図3−(b)に示されているように、通常、超音波測定用レーザビームによる光スポット37の直径(S2)が小さいほど、散乱光捕集部34を利用して測定対象表面において散乱した光を捕集した後に、光ファイバ41を通じてレーザ干渉部38に伝送する効率が高くなる。このような超音波測定用レーザビームの光スポット37の大きさによる散乱光36の伝送効率を更に詳細に説明すれば、次のとおりである。図4に示されているように、光ファイバ33を通じて伝送された超音波測定用レーザビームは、コリメーター80によって平行光になった後に、偏光ビームスプリッタ82によって反射される。 As described above, such an ultrasonic measurement laser beam 35 is displayed as shown in FIG. 3A in order to facilitate the measurement of the reflected longitudinal wave and the calculation of the attenuation coefficient in the production line. The laser pulse beam 13 for ultrasonic wave generation and the laser beam 35 for ultrasonic wave measurement are incident on the same position on the surface of the measurement object and are focused on the surface of the measurement object as shown in FIG. It is condensed by the size of the diameter S 2 in the center of the light spot 14 of the ultrasonic generation laser pulse beam. As shown in FIG. 3B, normally, as the diameter (S 2 ) of the light spot 37 by the ultrasonic measurement laser beam is smaller, the scattered light collecting unit 34 is used to measure the surface of the measurement object. After collecting the scattered light, the efficiency of transmission to the laser interference unit 38 through the optical fiber 41 is increased. The transmission efficiency of the scattered light 36 depending on the size of the light spot 37 of the ultrasonic measurement laser beam will be described in more detail as follows. As shown in FIG. 4, the ultrasonic measurement laser beam transmitted through the optical fiber 33 is collimated by the collimator 80 and then reflected by the polarization beam splitter 82.

このような偏光ビームスプリッタ82によるレーザビームの反射率は、レーザビームの偏光方向によって変化する。図1に示されている半波長板53は、直線偏光されたレーザビームの偏光方向を回転させる光素子である。従って、半波長板53の結晶軸の回転によって、偏波面保持光ファイバ33を通じて伝送されるレーザビームの偏光方向を適切に回転させることにより、偏光ビームスプリッタ82による反射率が最大になるようにする。このように効率的に偏光ビームスプリッタ82によって反射されたレーザビームは、4分の1波長板83を通過した後に、凹レンズ84と凸レンズ(85、86)を通じて測定対象物60の表面に集光される。この時点で、当初には直線偏光されていたレーザビームは、4分の1波長板83を通過した後に、円偏光となっている。測定対象物60表面において反射した散乱光36は、再び凸レンズ(85、86)と凹レンズ84を通過して平行光となった後に、4分の1波長板(83)を通過して、再び直線偏光になる。このように4分の1波長板(83)によって再び直線偏光された光の偏光方向は、当初の偏光方向に対して90度回転した状態であって、上記原理により、偏光ビームスプリッタ82による反射率は最小になる。このような原理により、測定対象物60表面において反射された散乱光36は、最も効率的に偏光ビームスプリッタ82を通過し、更に別の凸レンズ81によってマルチモード光ファイバ41のコア断面に集光される。   The reflectance of the laser beam by such a polarizing beam splitter 82 varies depending on the polarization direction of the laser beam. The half-wave plate 53 shown in FIG. 1 is an optical element that rotates the polarization direction of a linearly polarized laser beam. Therefore, by appropriately rotating the polarization direction of the laser beam transmitted through the polarization-maintaining optical fiber 33 by the rotation of the crystal axis of the half-wave plate 53, the reflectance by the polarization beam splitter 82 is maximized. . The laser beam thus efficiently reflected by the polarization beam splitter 82 passes through the quarter-wave plate 83 and is then condensed on the surface of the measurement object 60 through the concave lens 84 and the convex lenses (85, 86). The At this point, the laser beam that was originally linearly polarized becomes circularly polarized after passing through the quarter-wave plate 83. The scattered light 36 reflected on the surface of the measurement object 60 again passes through the convex lenses (85, 86) and the concave lens 84 to become parallel light, and then passes through the quarter-wave plate (83) and is again linear. Become polarized. Thus, the polarization direction of the light linearly polarized again by the quarter-wave plate (83) is rotated by 90 degrees with respect to the original polarization direction, and is reflected by the polarization beam splitter 82 according to the above principle. The rate is minimal. Based on such a principle, the scattered light 36 reflected on the surface of the measurement object 60 passes through the polarization beam splitter 82 most efficiently, and is further condensed on the core cross section of the multimode optical fiber 41 by another convex lens 81. The

通常、マルチモード光ファイバのコアは、直径が数十〜数百μm程度であり、このようなコアに入射した光が伝送されることになる。従って、凸レンズ81によってマルチモード光ファイバ41のコア断面に集光された光スポットの大きさが小さいほど、光ファイバに入射する光の光量が増加することになる。このようにマルチモード光ファイバ37のコア断面に集光された光スポットの大きさは、光学原理により、測定対象物60表面に集光された光スポット(S2)の大きさに比例する。このような技術的事由から、超音波測定用レーザビームによる光スポット37の直径(S2)が小さいほど、散乱光捕集部34を利用して、測定対象表面において散乱した光を捕集した後に、光ファイバ41を通じてレーザ干渉部38に伝送する効率が高くなるのである。光ファイバ41による散乱光の伝送効率に影響を及ぼす更に別の要因は、凸レンズによって光ファイバ断面に集光される光の入射角である。 Usually, the core of a multimode optical fiber has a diameter of about several tens to several hundreds of μm, and light incident on such a core is transmitted. Accordingly, the smaller the size of the light spot focused on the core cross section of the multimode optical fiber 41 by the convex lens 81, the greater the amount of light incident on the optical fiber. Thus, the size of the light spot collected on the core cross section of the multimode optical fiber 37 is proportional to the size of the light spot (S 2 ) collected on the surface of the measurement object 60 by the optical principle. For such technical reasons, the smaller the diameter (S 2 ) of the light spot 37 by the ultrasonic measurement laser beam, the more scattered light is collected on the surface to be measured using the scattered light collecting unit 34. Later, the efficiency of transmission to the laser interference unit 38 through the optical fiber 41 increases. Yet another factor that affects the transmission efficiency of scattered light by the optical fiber 41 is the incident angle of the light collected on the cross section of the optical fiber by the convex lens.

即ち、図5に示されているように、集光レンズによる光の入射角(θ)が大きい場合には、光ファイバコアに入射した光が光ファイバのクラッディングによって吸収され、伝送されないためである。本実施例において提示されている図4の散乱光捕集部34によれば、測定対象物60表面において反射された散乱光36は、凸レンズ(85、86)と凹レンズ84によって断面の大きさが縮小された平行光になった後に、更に別の凸レンズ81によって光ファイバ41断面に集光されているため、図5に表示されている入射角(θ)は小さい。従って、図4の散乱光捕集装置(34)によれば、効率的な散乱光の光ファイバ伝送が可能である。上記のように、本発明において提示されている図4の散乱光捕集部34によれば、偏波面保持光ファイバ(33)によって伝送されたレーザビームを、損失なしに、最大の効率で、測定対象物60表面に集光し、測定対象物60表面において反射した散乱光36を、やはり最大効率で、マルチモード光ファイバ41を通じてレーザ干渉部38に伝送することができる。   That is, as shown in FIG. 5, when the incident angle (θ) of light from the condenser lens is large, the light incident on the optical fiber core is absorbed by the optical fiber cladding and is not transmitted. is there. According to the scattered light collecting unit 34 shown in FIG. 4 presented in the present embodiment, the scattered light 36 reflected on the surface of the measurement object 60 has a cross-sectional size due to the convex lens (85, 86) and the concave lens 84. After the collimated light is reduced, it is condensed on the cross section of the optical fiber 41 by another convex lens 81, so that the incident angle (θ) displayed in FIG. 5 is small. Therefore, according to the scattered light collection device (34) of FIG. 4, an efficient optical fiber transmission of scattered light is possible. As described above, according to the scattered light collecting unit 34 of FIG. 4 presented in the present invention, the laser beam transmitted by the polarization-maintaining optical fiber (33) can be transmitted without loss at maximum efficiency. The scattered light 36 condensed on the surface of the measuring object 60 and reflected on the surface of the measuring object 60 can be transmitted to the laser interference unit 38 through the multimode optical fiber 41 with the maximum efficiency.

マルチモード光ファイバ41に伝送された散乱光36は、レーザ干渉部38によってその周波数が分析され、超音波信号に起因する光信号が出力される。図6には、本発明において提示されているレーザ干渉部38の構成が示されている。図6において、マルチモード光ファイバ41によって伝送された散乱光は、コリメーター91によって平行光になった後に、高速シャッター110と偏光ビームスプリッタ92、そして、4分の1波長板93を通過して共焦点ファブリー・ペロー干渉計(干渉計と記す)116に入射する。ここで、高速シャッター110の動作は、シャッター調節器111によって制御されている。即ち、超音波発振用パルス型レーザ10が、パルスビームを発振する瞬間に、トリガー信号をシャッター調節器(11)に印加し、このシャッター調節器111は、トリガー信号の印加から特定時間が経過した後に、その間、閉まっていた高速シャッター110を作動させて散乱光を通過させる。高速シャッター110の構成の例は図16に示しており、EOモジュレーターによって高速な光の開閉を実施する。そして、高速シャッター110のこの作動により、この高速シャッター110を通過した散乱光は、干渉計に入射して、この干渉計の共振器内部における多重反射によって干渉光96を形成する。そして、共振器内部における多重反射によって干渉する干渉光96は、干渉計の両端から反射又は透過するが、図7に示されているように、反射又は透過する光の強度は、干渉条件によって決定される。このときに、透過又は反射する光の強度を決定する干渉条件は、図7に示されているように、光の周波数(v)と2つの共振鏡間の距離(d)で表される。   The scattered light 36 transmitted to the multimode optical fiber 41 is analyzed for the frequency by the laser interference unit 38, and an optical signal resulting from the ultrasonic signal is output. FIG. 6 shows the configuration of the laser interference unit 38 presented in the present invention. In FIG. 6, the scattered light transmitted by the multimode optical fiber 41 is converted into parallel light by the collimator 91, and then passes through the high-speed shutter 110, the polarization beam splitter 92, and the quarter-wave plate 93. The incident light enters a confocal Fabry-Perot interferometer (referred to as an interferometer) 116. Here, the operation of the high-speed shutter 110 is controlled by the shutter adjuster 111. That is, the trigger signal is applied to the shutter adjuster (11) at the moment when the pulsed laser for ultrasonic oscillation 10 oscillates the pulse beam, and the shutter adjuster 111 has passed a specific time since the trigger signal was applied. Later, during that time, the high-speed shutter 110 that was closed is operated to allow the scattered light to pass through. An example of the configuration of the high-speed shutter 110 is shown in FIG. 16, and high-speed light is opened and closed by an EO modulator. As a result of this operation of the high-speed shutter 110, the scattered light that has passed through the high-speed shutter 110 enters the interferometer, and forms interference light 96 by multiple reflection inside the resonator of the interferometer. The interference light 96 that interferes with the multiple reflections inside the resonator is reflected or transmitted from both ends of the interferometer. As shown in FIG. 7, the intensity of the reflected or transmitted light is determined by the interference condition. Is done. At this time, the interference condition for determining the intensity of the transmitted or reflected light is expressed by the light frequency (v) and the distance (d) between the two resonant mirrors, as shown in FIG.

即ち、測定対象表面に到達した超音波によって散乱光の周波数(v)が変化するか或いは共振器の長さ(d)が変化すると、干渉計によって反射される光の強度(A)と透過される光の強度(B)が変化するのである。従って、共振器の長さ(d)が一定の場合には、干渉計によって反射される光の強さ(A)と透過される光の強度(B)の変化を超音波の測定に利用することができる。図7に表示されている干渉計の安定化領域は、一定の散乱光の周波数(v)の変化について、反射される光の強度(A)と透過される光の強度(B)の変化が最も大きな領域を示すものであり、干渉計がこの領域に位置している場合に、超音波の測定効率が最も高い。従って、干渉計の干渉条件が、常にこの領域にあることが要求される。散乱光の中心周波数は、常に一定であるため、干渉計の干渉条件の変化は、主に共振器の長さ(d)の変化に起因しており、干渉計を安定化させる場合には、図6に表示されている圧電アクチュエータ107を利用する。即ち、圧電アクチュエータ107によって共振器の長さを調整し、干渉計が常に図7に表示されている干渉計の安定化領域に位置するようにするのである。図7における干渉計によって反射される光の強度(A)は、図6の光検出器100によって測定される。即ち、干渉計において反射された散乱光は、4分の1波長板93を再び通過するために、偏光方向が回転し、偏光ビームスプリッタ92において反射して光検出器100に入射することから、その強度が効率的に測定されるのである。   That is, when the frequency (v) of the scattered light or the length (d) of the resonator changes due to the ultrasonic wave reaching the surface to be measured, the intensity (A) of the light reflected by the interferometer is transmitted. The intensity of light (B) changes. Accordingly, when the length (d) of the resonator is constant, the change in the intensity (A) of the light reflected by the interferometer and the intensity (B) of the transmitted light is used for ultrasonic measurement. be able to. The stabilization region of the interferometer displayed in FIG. 7 shows the change in the intensity of reflected light (A) and the intensity of transmitted light (B) with respect to a constant change in the frequency (v) of scattered light. This indicates the largest area, and when the interferometer is located in this area, the ultrasonic measurement efficiency is highest. Therefore, it is required that the interference condition of the interferometer is always in this region. Since the center frequency of the scattered light is always constant, the change in the interference condition of the interferometer is mainly caused by the change in the length (d) of the resonator, and when stabilizing the interferometer, The piezoelectric actuator 107 displayed in FIG. 6 is used. That is, the length of the resonator is adjusted by the piezoelectric actuator 107 so that the interferometer is always located in the stabilization region of the interferometer displayed in FIG. The intensity (A) of the light reflected by the interferometer in FIG. 7 is measured by the photodetector 100 in FIG. That is, since the scattered light reflected by the interferometer passes through the quarter-wave plate 93 again, the polarization direction rotates, and is reflected by the polarization beam splitter 92 and enters the photodetector 100. Its intensity is measured efficiently.

又、干渉計を透過する干渉光は、4分の1波長板97を経ることになるが、この4分の1波長板97を適切に回転させて偏光方向を調節可能であるため、偏光ビームスプリッタ98を通過させることができる。従って、透過する光の強度(B)を、更に別の光検出器99によって測定可能である。図6における2つの4分の1波長板(93、97)は、その結晶軸が適切に調節されており、4分の1波長板93のみを2回通過した光は、偏光方向が90度回転し、2つの4分の1波長板(93、97)を順番に通過した光の場合には、偏光方向の変化はない。このように、4分の1波長板(93、97)と偏光ビームスプリッタ(92、98)の適切な配列により、損失なしに、反射干渉光と透過干渉光を2つの光検出器(99、100)によって測定することができる。   Interfering light that passes through the interferometer passes through the quarter-wave plate 97. Since the polarization direction can be adjusted by appropriately rotating the quarter-wave plate 97, the polarized beam A splitter 98 can be passed. Therefore, the intensity (B) of the transmitted light can be measured by still another photodetector 99. The crystal axes of the two quarter-wave plates (93, 97) in FIG. 6 are appropriately adjusted, and the light passing through the quarter-wave plate 93 twice has a polarization direction of 90 degrees. In the case of light that has been rotated and passed through two quarter-wave plates (93, 97) in sequence, there is no change in polarization direction. In this way, the proper arrangement of the quarter wave plates (93, 97) and the polarizing beam splitters (92, 98) allows the reflected and transmitted interference light to pass through the two photodetectors (99, 99, without loss). 100).

図6の干渉計の自動的な安定化手順は、次のとおりである。即ち、図1に示されているように、超音波測定用レーザ30の出力ビームの一部を偏光ビームスプリッタ31によって反射させた後に、集光レンズ51を利用してマルチモード光ファイバ52に伝送する。このマルチモード光ファイバ52によって伝送されたレーザビームは、図6に示されているように、偏光ビームスプリッタ98において反射し、4分の1波長板97を通過した後に干渉計に入射して多重反射による干渉光102を形成し、この干渉計を通過した透過干渉光は、更に別の4分の1波長板93を通過し偏光ビームスプリッタ92とプリズム103によって反射され、光検出器104によってその強度が測定される。このときに、光検出器104の出力信号は、図7の下段の図表のとおりであり、干渉計安定化制御回路105と圧電アクチュエータ106によって、この光検出器104の出力が常に図6(7?)に示されている干渉計安定化領域に位置するように調節される。このように超音波測定用の干渉光96以外に別途の干渉光102を発生させて、これを干渉計の安定化に使用する方法は、次のような長所を有している。第1に、超音波測定に使用する干渉光96に損失が発生せず、第2に、干渉計に入射する散乱光の強度変化とは無関係に、常に安定的に干渉計を安定化させることが可能であり、第3に、2つの光検出器(99、100)により、干渉計の反射干渉光と透過干渉光をすべて測定することができる。   The automatic stabilization procedure of the interferometer of FIG. 6 is as follows. That is, as shown in FIG. 1, a part of the output beam of the ultrasonic measurement laser 30 is reflected by the polarization beam splitter 31 and then transmitted to the multimode optical fiber 52 using the condenser lens 51. To do. As shown in FIG. 6, the laser beam transmitted by the multimode optical fiber 52 is reflected by the polarization beam splitter 98, passes through the quarter-wave plate 97, enters the interferometer, and is multiplexed. The interference light 102 formed by reflection is transmitted, and the transmitted interference light that has passed through the interferometer passes through another quarter-wave plate 93 and is reflected by the polarization beam splitter 92 and the prism 103, and is detected by the photodetector 104. Intensity is measured. At this time, the output signal of the photodetector 104 is as shown in the lower chart of FIG. 7. The interferometer stabilization control circuit 105 and the piezoelectric actuator 106 always output the output of the photodetector 104 as shown in FIG. ?) To be located in the interferometer stabilization region shown. Thus, the method of generating the separate interference light 102 other than the interference light 96 for ultrasonic measurement and using it for stabilizing the interferometer has the following advantages. First, there is no loss in the interference light 96 used for ultrasonic measurement, and second, the interferometer is always stabilized stably regardless of the intensity change of the scattered light incident on the interferometer. Third, the two photodetectors (99, 100) can measure all the reflected interference light and transmitted interference light of the interferometer.

上記のように干渉計の反射干渉光と透過干渉光の強度の変化は、測定対象物60表面に到達した超音波の信号を示している。このときに、2つの光検出器(99、100)を通じて測定された超音波信号は、その位相が互いに反対である。従って、図8のように、差動増幅器108を利用すれば、超音波信号を2倍に増大させることができる。このような差動増幅は、2つの光検出器(99、100)に印加された同一位相の電気的雑音を除去する効果をも有している。図9には、2つの光検出器信号を差動増幅した実施例が示されている。図8において、差動増幅器(108)の信号は、周波数フィルタ(バンドパス・フィルタ)109を経て、図1に表示されている信号処理部40に印加され、測定対象の結晶粒径()が算出されることになる。   As described above, the change in the intensity of the reflected interference light and the transmitted interference light of the interferometer indicates an ultrasonic signal that has reached the surface of the measurement object 60. At this time, the phases of the ultrasonic signals measured through the two photodetectors (99, 100) are opposite to each other. Therefore, if the differential amplifier 108 is used as shown in FIG. 8, the ultrasonic signal can be increased by a factor of two. Such differential amplification also has the effect of removing electrical noise of the same phase applied to the two photodetectors (99, 100). FIG. 9 shows an embodiment in which two photodetector signals are differentially amplified. In FIG. 8, the signal of the differential amplifier (108) is applied to the signal processing unit 40 shown in FIG. 1 through the frequency filter (bandpass filter) 109, and the crystal grain size () to be measured is Will be calculated.

上記のように、図6の高速シャッター110は、マルチモード光ファイバ41に伝送された散乱光を通過或いは遮断する。このような高速シャッター110は、超音波の発生時に発生するプラズマ放射光(prasma radiation)による影響を低減する目的で使用されている。即ち、上記のように、生産ラインにおいてオンラインで結晶粒径を測定する場合には、アブレーション効果による高強度の超音波の発生が必要であり、容易な超音波減衰係数の算出のために、超音波発生面の反対側の面において反射されて戻ってきた超音波を超音波が発生した地点と同一の地点において測定することが最も効率的である。   As described above, the high-speed shutter 110 in FIG. 6 passes or blocks the scattered light transmitted to the multimode optical fiber 41. Such a high-speed shutter 110 is used for the purpose of reducing the influence of plasma radiation generated when ultrasonic waves are generated. That is, as described above, when measuring the crystal grain size online in the production line, it is necessary to generate high-intensity ultrasonic waves due to the ablation effect, and in order to easily calculate the ultrasonic attenuation coefficient, It is most efficient to measure the ultrasonic wave reflected and returned from the surface opposite to the sound wave generation surface at the same point where the ultrasonic wave is generated.

しかしながら、このようなアブレーション効果による超音波の発生時には、超音波の発生位置において連続的な波長の光を放出するプラズマの発生が伴っており、超音波の発生と測定を同一の地点(又は、近接した地点)において遂行する場合に、プラズマから放出された光が超音波測定用レーザ干渉計に入射し、超音波測定の障害要因として作用することになる。そして、このように超音波の発生時に随伴するプラズマ放射光は、図10に示されているように、超音波発生用レーザパルスビームが測定対象表面に入射した時刻から初期の段階(数μ秒以内)において非常に強い。これに比べて、結晶粒径測定に使用される超音波の最小伝播距離(L)は、測定対象鋼板の厚さの2倍に該当するため、例えば、厚さが10mmの測定対象の場合には、超音波(縦波)の到達時刻は、略3.3μs以上であって、図10に示されているように、プラズマ放射光の強度が低下した時点である。融発効果による高強度超音波の発生は、主に厚さが厚い測定対象の結晶粒径を測定する際に必要とされるものであって、この結果、超音波の到達時刻は、3〜4μs以上である場合が大部分である。従って、プラズマ放射光の強度は、通常、超音波が到達する前に最高点に到達することになる。   However, at the time of generation of ultrasonic waves due to such an ablation effect, generation of plasma that emits light of a continuous wavelength is accompanied at the generation position of the ultrasonic waves, and the generation and measurement of ultrasonic waves are the same (or When performed at a close point), the light emitted from the plasma enters the laser interferometer for ultrasonic measurement and acts as an obstacle factor for ultrasonic measurement. As shown in FIG. 10, the plasma radiation accompanying the generation of the ultrasonic wave as described above is an initial stage (several microseconds) from the time when the ultrasonic pulse for laser generation is incident on the surface to be measured. Within). Compared to this, since the minimum propagation distance (L) of the ultrasonic wave used for the crystal grain size measurement corresponds to twice the thickness of the steel plate to be measured, for example, in the case of a measurement target having a thickness of 10 mm The arrival time of the ultrasonic wave (longitudinal wave) is approximately 3.3 μs or more, and is the time when the intensity of the plasma radiation is lowered as shown in FIG. The generation of high-intensity ultrasonic waves due to the fusion effect is mainly required when measuring the crystal grain size of a thick measurement object. As a result, the arrival time of ultrasonic waves is 3 to 3. Most cases are 4 μs or more. Therefore, the intensity of the plasma radiation generally reaches the highest point before the ultrasonic wave reaches.

しかしながら、超音波の測定には、APD(アバランシェ・フォト・ダイオード)などのように、非常に感度の高い光検出器が使用されるため、プラズマ放射光によってAPDが飽和状態になる。そして、このように一旦飽和した光検出器は、それ以降、プラズマ放射光の強度が低下したとしても、正常な作動状態への復元に一定の時間を所要することになる。従って、プラズマ放射光の強度が低下した時点で、超音波が到達したとしても、光検出器が飽和状態から完全には復元していないため、正常な超音波の測定が困難なのである。通常、測定用レーザビーム以外の光が入射して発生する光雑音は、一般に、特定波長の光のみを通過させる光学フィルタを光検出器の入力部に設置することによって解決される。しかしながら、プラズマ放射光の場合には、連続的な波長スペクトラムを有しているため、測定用レーザビームの波長と同一の波長成分を有している。従って、通常の光フィルタによっては、プラズマ放射光による影響を解決することはできない。図6に表示されている高速シャッター110は、このような既存の問題点を解決するためのものであって、パルス型レーザビームによる超音波発生の初期に、非常に強いプラズマ発生光が超音波測定用光検出器に入射することを防止することにより、効率的な超音波測定を可能にしている。   However, since an extremely sensitive photodetector such as APD (avalanche photo diode) is used for ultrasonic measurement, the APD is saturated by plasma radiation. Then, the photodetector once saturated in this way requires a certain amount of time to restore to a normal operating state even if the intensity of the plasma radiation light decreases thereafter. Therefore, even if the ultrasonic wave arrives when the intensity of the plasma radiation light decreases, it is difficult to measure normal ultrasonic waves because the photodetector is not completely restored from the saturated state. In general, optical noise generated by the incidence of light other than the measurement laser beam is generally solved by installing an optical filter that allows only light of a specific wavelength to pass through at the input of the photodetector. However, since the plasma radiation has a continuous wavelength spectrum, it has the same wavelength component as the wavelength of the measurement laser beam. Therefore, the effect of plasma radiation cannot be solved by a normal optical filter. The high-speed shutter 110 displayed in FIG. 6 is for solving such an existing problem, and very strong plasma generated light is generated at the initial stage of ultrasonic generation by a pulsed laser beam. Efficient ultrasonic measurement is enabled by preventing the light from entering the measurement photodetector.

即ち、超音波測定用パルス型レーザ10がパルスビームを発振しつつ、トリガー信号をシャッター調節器111に印加する。この結果、シャッター調節器(111)が、トリガー信号を受信した瞬間から一定の時間(ΔT)が経過した後に、高速シャッター110を開いて散乱光を通過させることにより、散乱光が干渉計に入射し、超音波測定が始まることになる。即ち、高速シャッター110は、図10に表示されているように、シャッター調節器111によって最初の反射超音波(縦波)が側定位置に到達する直前に作動して散乱光を通過させるのであり、高速シャッター110の作動時刻(ΔT)は、測定対象の厚さと超音波(縦波)の伝播速度を利用して算出される。このような作用により、プラズマ放射光の強度が低下した時点で超音波測定用散乱光の干渉計への流入が始まり、超音波を測定すれば、多少のプラズマ放射光が散乱光と共に光検出器に流入したとしても、プラズマ放射光による光検出器の飽和が発生しないため、正常な超音波測定が可能となるのである。   That is, the pulse signal laser 10 for ultrasonic measurement applies a trigger signal to the shutter adjuster 111 while oscillating a pulse beam. As a result, after a certain time (ΔT) has elapsed from the moment when the shutter adjuster (111) receives the trigger signal, the high-speed shutter 110 is opened to allow the scattered light to pass, so that the scattered light enters the interferometer. Then, ultrasonic measurement starts. That is, as shown in FIG. 10, the high-speed shutter 110 is operated immediately before the first reflected ultrasonic wave (longitudinal wave) reaches the lateral position by the shutter adjuster 111 and allows the scattered light to pass therethrough. The operation time (ΔT) of the high-speed shutter 110 is calculated using the thickness of the measurement target and the propagation speed of the ultrasonic wave (longitudinal wave). As a result of this action, when the intensity of the plasma radiation light decreases, the inflow of the scattered light for ultrasonic measurement into the interferometer begins, and if the ultrasonic wave is measured, a certain amount of the plasma radiation light together with the scattered light is detected by the photodetector. Even if it flows into the light source, saturation of the photodetector due to plasma radiation does not occur, and normal ultrasonic measurement becomes possible.

以下、上記のような本発明の作用によって効率的に測定された超音波信号を利用して自動的に結晶粒径を算出する方法について詳細に説明すれば次のとおりである。   Hereinafter, a method for automatically calculating the crystal grain size using the ultrasonic signal efficiently measured by the operation of the present invention as described above will be described in detail as follows.

物質内部を伝播する超音波の減衰係数)は、物質の結晶粒径によって変化する。又、このような超音波の減衰係数と結晶粒径の相関関係は、超音波の周波数によって異なる。従って、通常、測定対象の結晶粒径(D)は、次のような手順によって測定する。第1段階として、図11に図示されているように、連続的な反射超音波信号を測定する。図11に図示されている超音波信号波形において、Ri(i=1,2,3,…)として表示されている連続的な一連の超音波信号は、図12に示されているように、測定対象物60の表面において反射されて測定地点に連続的に到達した信号である。第2段階として、図11に図示されているようなそれぞれの連続的な反射超音波信号に対してFFT(高速フーリエ変換)を遂行し、図13に図示されているような連続的な反射超音波信号の周波数スペクトラムを取得する。第3段階として、図13の連続的な反射超音波信号の周波数スペクトラムと次の式1を利用し、周波数別の超音波減衰係数(α(φ))を求める。 The attenuation coefficient of the ultrasonic wave propagating inside the substance changes depending on the crystal grain size of the substance. The correlation between the ultrasonic attenuation coefficient and the crystal grain size differs depending on the frequency of the ultrasonic waves. Therefore, the crystal grain size (D) to be measured is usually measured by the following procedure. As a first step, a continuous reflected ultrasound signal is measured as shown in FIG. In the ultrasonic signal waveform shown in FIG. 11, a continuous series of ultrasonic signals displayed as R i (i = 1, 2, 3,...) Is as shown in FIG. This is a signal that is reflected on the surface of the measurement object 60 and continuously reaches the measurement point. As a second step, FFT (Fast Fourier Transform) is performed on each continuous reflected ultrasound signal as shown in FIG. 11 to obtain a continuous reflected ultrasound signal as shown in FIG. Obtain the frequency spectrum of the sound wave signal. As a third step, the frequency attenuation factor (α (φ)) for each frequency is obtained by using the frequency spectrum of the continuous reflected ultrasonic signal in FIG.

α(φ)=(l/2l)ln(IRi(φ)/IRi+1(φ)) (式1)
式1において、lは、試片の厚さであり、IRi(φ)は、超音波周波数φについてのi番目の反射波(Ri)の超音波強度を示している。そして、最後の段階として、上記手順によって求めた周波数別の超音波減衰係数(α(φ))を分析し、測定対象の結晶粒径を算出する。
α (φ) = (l / 2l) ln (I Ri (φ) / I Ri + 1 (φ)) (Formula 1)
In Equation 1, l is the thickness of the specimen, and I Ri (φ) indicates the ultrasonic intensity of the i-th reflected wave (R i ) for the ultrasonic frequency φ. Then, as a final step, the ultrasonic attenuation coefficient (α (φ)) for each frequency obtained by the above procedure is analyzed, and the crystal grain size of the measurement object is calculated.

しかしながら、このように連続的な反射超音波信号のFFTの遂行とFFT遂行を通じて取得した周波数別超音波スペクトラムを分析し結晶粒径に関する情報を算出するには、多くの時間を所要すると共に、通常、複雑な比較分析アルゴリズムが必要であるため、リアルタイムの結晶粒径導出が要求される生産ラインにおけるオンライン測定には適合していない。このような問題点を解決するために、本発明においては、特定の測定対象について結晶粒径との相関性が最も優秀な1つの特定周波数(Φ)を予め選定した後に、この周波数(Φ)の減衰係数(α(Φ))のみを利用して迅速に結晶粒径を算出する方法を提示している。即ち、図14に示したように、生産ラインにおいて生産中の鋼板又は鋼材の中から、結晶粒径が品質にとって重要であって結晶粒径の制御を必要としている1つ又は多数の測定対象を選定し、測定実験を通じて、これらの測定対象のそれぞれについて、結晶粒径と特定周波数(Φ)の超音波減衰係数(α)間の相関式を予め導出した後に、これをオンライン測定時に結晶粒径の算出に利用する方法を提示しているのである。   However, in order to calculate the information on the crystal grain size by analyzing the frequency-specific ultrasonic spectrum obtained through the FFT of the continuous reflected ultrasonic signal and the FFT, it usually takes a lot of time. Since complex comparative analysis algorithms are required, it is not suitable for online measurement in a production line that requires real-time crystal grain size derivation. In order to solve such a problem, in the present invention, after a specific frequency (Φ) having the best correlation with the crystal grain size is selected in advance for a specific measurement object, this frequency (Φ) Presents a method for rapidly calculating the crystal grain size using only the damping coefficient (α (Φ)). That is, as shown in FIG. 14, from the steel plates or steel materials being produced in the production line, one or many measurement objects whose crystal grain size is important for quality and whose crystal grain size needs to be controlled are selected. After selecting the correlation equation between the crystal grain size and the ultrasonic attenuation coefficient (α) of the specific frequency (Φ) for each of these measurement objects through selection and measurement experiments, this is calculated during online measurement. It presents a method used to calculate

このようにオンライン測定の遂行前に実験的に予め結晶粒径と特定周波数(Φ)の超音波減衰係数(α)間の相関式を導出する際に使用される測定装置の構成は、図1に示されているような測定装置と同一のものとする。これは、レーザパルスビームによって発生する超音波は、回折の程度がパルスビームの光スポットの大きさ(S1)に応じて変化し異なるためである。図15には、図14に提示されている方法によって選定された最適周波数(Φ=8.8MHz)と結晶粒径間の相関性を実験的に取得した実施例が図示されている。図14に提示されている手順の中の最後の段階においては、図15に示されているようなデータの相関性分析を通じて、次のような相関式を算出する。 As described above, the configuration of the measurement apparatus used when deriving the correlation equation between the crystal grain diameter and the ultrasonic attenuation coefficient (α) of the specific frequency (Φ) experimentally in advance before performing the online measurement is shown in FIG. The same measuring device as shown in This is because the ultrasonic wave generated by the laser pulse beam varies in the degree of diffraction depending on the size (S 1 ) of the light spot of the pulse beam. FIG. 15 shows an example in which the correlation between the optimum frequency (Φ = 8.8 MHz) selected by the method presented in FIG. 14 and the crystal grain size is experimentally obtained. In the final stage in the procedure presented in FIG. 14, the following correlation equation is calculated through the correlation analysis of data as shown in FIG.

Mi=f(α(Φ)) (式2)
式2において、DMiは測定対象Miの結晶粒径である。特定の測定対象についてこのように取得した相関式を利用すれば、オンライン上において、特定の測定対象について特定の超音波周波数の減衰係数を測定することにより、この測定対象の結晶粒径を自動的に算出することができる。
D Mi = f (α (Φ)) (Formula 2)
In Equation 2, D Mi is the crystal grain size of the measuring object M i . By using the correlation equation obtained in this way for a specific measurement target, the crystal grain size of this measurement target is automatically determined by measuring the attenuation coefficient of a specific ultrasonic frequency for the specific measurement target online. Can be calculated.

以下、図14に提示されている方法によって算出された結晶粒径と特定(最適)周波数の超音波減衰係数間の相関式を利用してオンライン測定時にリアルタイムで測定対象の結晶粒径を算出する方法について説明する。   Hereinafter, the crystal grain size to be measured is calculated in real time during online measurement using the correlation equation between the crystal grain size calculated by the method presented in FIG. 14 and the ultrasonic attenuation coefficient of the specific (optimum) frequency. A method will be described.

生産ラインにおいて生産中の測定対象物60について上記の技術的手順によって測定された連続的な反射超音波信号(図11のR1、R2、R2など)が、図8に表示されているように、周波数フィルタ(バンドパス・フィルタ)109を経ることにより、特定周波数の信号が信号処理部40に入力されることになる。このときに、周波数フィルタ109は、図14に提示されている方法によって算出された特定(最適)周波数(Φ)を通過させるように調節されている。そして、信号処理部40が、入力された特定(最適)周波数(Φ)の超音波信号の強度を求め、式1を利用して減衰係数を算出する。続いて、信号処理部40の演算用プロセッサに予め入力されている式2のような相関式に減衰係数を代入し、結晶粒径を算出する。このように、本発明によって考案された結晶粒径算出方法を適用すれば、生産ラインにおいて測定対象の結晶粒径を非常に簡単な信号処理手順により、迅速に測定することが可能である。 The continuous reflected ultrasonic signals (R 1 , R 2 , R 2, etc. of FIG. 11) measured by the above-described technical procedure for the measurement object 60 being produced in the production line are displayed in FIG. As described above, a signal having a specific frequency is input to the signal processing unit 40 through the frequency filter (bandpass filter) 109. At this time, the frequency filter 109 is adjusted to pass the specific (optimum) frequency (Φ) calculated by the method presented in FIG. Then, the signal processing unit 40 obtains the intensity of the input ultrasonic signal having the specific (optimum) frequency (Φ), and calculates the attenuation coefficient using Equation 1. Subsequently, an attenuation coefficient is substituted into a correlation equation such as Equation 2 input in advance to the arithmetic processor of the signal processing unit 40 to calculate a crystal grain size. Thus, by applying the crystal grain size calculation method devised by the present invention, it is possible to quickly measure the crystal grain size to be measured in the production line by a very simple signal processing procedure.

本発明によるオンライン結晶粒径測定装置の概略図である。It is the schematic of the on-line crystal grain size measuring device by this invention. レーザパルスによって生成された縦波の反射時に発生するモード変換を示す図面である。It is drawing which shows the mode conversion which generate | occur | produces at the time of reflection of the longitudinal wave produced | generated by the laser pulse. 超音波発生用の斑点と超音波測定用の斑点を示す図面である。It is drawing which shows the spot for ultrasonic generation, and the spot for ultrasonic measurement. 本発明による散乱光捕集部を示す概略図である。It is the schematic which shows the scattered light collection part by this invention. 集光レンズによる散乱光の入射角と光ファイバの断面を示す図面である。It is drawing which shows the incident angle of the scattered light by a condensing lens, and the cross section of an optical fiber. 本発明による超音波測定用レーザ干渉計を図示した概略図である。It is the schematic which illustrated the laser interferometer for ultrasonic measurements by this invention. 共焦点ファブリー・ペロー干渉計の反射干渉光と透過干渉光間の関係を示す図面である。It is drawing which shows the relationship between the reflected interference light and transmission interference light of a confocal Fabry-Perot interferometer. 本発明による超音波信号検出装置を図示した概略図である。1 is a schematic diagram illustrating an ultrasonic signal detection apparatus according to the present invention. 差動増幅による超音波信号の増大を説明した図面である。It is drawing explaining increase of the ultrasonic signal by differential amplification. 超音波の生成時に随伴するプラズマ放射光の時間軸における強度変化を示す図面である。It is drawing which shows the intensity | strength change in the time-axis of the plasma radiation light accompanying at the time of the production | generation of an ultrasonic wave. 測定対象物の上下面において連続的に反射されて測定される反射超音波信号を測定した実施例である。It is the Example which measured the reflected ultrasonic signal measured by continuously reflecting on the upper and lower surfaces of a measurement object. 測定対象物の内部において多重反射によって伝播する縦波を図示した図面である。It is drawing which showed the longitudinal wave which propagates by multiple reflection in the inside of a measuring object. 連続的に測定された反射超音波信号の周波数スペクトラムを示す図面である。It is drawing which shows the frequency spectrum of the reflected ultrasonic signal measured continuously. 本発明によって提示された測定対象物の結晶粒径と超音波減衰係数間の相関式を導出するアルゴリズムである。3 is an algorithm for deriving a correlation formula between a crystal grain size of an object to be measured and an ultrasonic attenuation coefficient presented by the present invention. 本発明によって結晶粒径と超音波減衰係数間の相関性を導出した実施例である。It is the Example which derived | led-out the correlation between a crystal grain diameter and an ultrasonic attenuation coefficient by this invention. 高速シャッターの実施例である。It is an Example of a high-speed shutter.

符号の説明Explanation of symbols

10 パルス型レーザ
11 集光レンズ
12 全反射鏡
13 超音波発生用レーザパルスビーム
14 超音波発生用レーザパルスビームの光スポット
20 超音波安定測定部
30 超音波測定用レーザ
31 偏光ビームスプリッタ
32 集光レンズ
33 偏波面保持光ファイバ
34 散乱光捕集部
35 超音波測定用レーザビーム
36 散乱光
37 超音波測定用レーザパルスビームの光スポット
38 レーザ干渉部
39 超音波信号検出部
40 信号処理部
41 マルチモード光ファイバ
51 集光レンズ
52 マルチモード光ファイバ
53 半波長板
60 測定対象物
70 光学ヘッド
80 コリメーター
81 集光レンズ
82 偏光ビームスプリッタ
83 4分の1波長板
84 凹レンズ
85 集光レンズ
86 集光レンズ
91 コリメーター
92 偏光ビームスプリッタ
93 4分の1波長板
94 共焦点ファブリー・ペロー干渉計の共振器鏡
95 共焦点ファブリー・ペロー干渉計の共振器鏡
96 干渉光
97 4分の1波長板
98 偏光ビームスプリッタ
99 光検出器
100 光検出器
101 コリメーター
102 干渉光
103 プリズム
104 光検出器
105 干渉計安定化制御回路
106 圧電駆動器調節器
107 圧電アクチェエータ
108 差動増幅器
109 周波数フィルタ
110 高速シャッター
111 シャッター調節器
112 バンドパス・フィルタ
113 偏光子
114 KDP, ADP などのEOモジュレーターの結晶
115 偏光子
116 共焦点ファブリー・ペロー干渉計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pulse type laser 11 Condensing lens 12 Total reflection mirror 13 Laser pulse beam for ultrasonic wave generation 14 Light spot of laser pulse beam for ultrasonic wave generation 20 Ultrasonic stable measurement part 30 Laser for ultrasonic measurement 31 Polarizing beam splitter 32 Condensing Lens 33 Polarization plane holding optical fiber 34 Scattered light collecting unit 35 Laser beam for ultrasonic measurement 36 Scattered light 37 Light spot of laser pulse beam for ultrasonic measurement 38 Laser interference unit 39 Ultrasonic signal detecting unit 40 Signal processing unit 41 Multi Mode optical fiber 51 Condensing lens 52 Multi-mode optical fiber 53 Half-wave plate 60 Measurement object 70 Optical head 80 Collimator 81 Condensing lens 82 Polarizing beam splitter 83 Quarter wave plate 84 Concave lens 85 Condensing lens 86 Condensing Lens 91 Collimator 92 Polarized Bee Splitter 93 4 minutes resonator mirror 96 interfering light wave plate 94 confocal Fabry-Perot interferometer resonator mirror 95 confocal Fabry-Perot interferometer
97 Quarter-wave plate 98 Polarizing beam splitter 99 Photo detector 100 Photo detector 101 Collimator 102 Interfering light 103 Prism 104 Photo detector 105 Interferometer stabilization control circuit 106 Piezoelectric actuator regulator 107 Piezoelectric actuator 108 Differential Amplifier 109 Frequency filter 110 High speed shutter 111 Shutter adjuster 112 Bandpass filter 113 Polarizer 114 Crystal of EO modulator such as KDP, ADP 115 Polarizer 116 Confocal Fabry-Perot interferometer

Claims (14)

金属板の生産ライン中において該金属板の結晶粒径をレーザ超音波法を用いてオンラインで測定するオンライン結晶粒径測定装置において、
測定対象物60の表面に超音波を発生させるためのパルス発光レーザ10;測定対象物60の反射超音波を検出するための超音波測定用レーザ30;該超音波測定用レーザで発生した光ビーム35を測定対象物近傍に導くための光ファイバ33;測定対象物60の表面で反射された光ビーム35の散乱光を超音波安定測定部20に導く光ファイバ41;パルス発光レーザ10で発生した光ビーム13を測定対象物60の表面に照射して該測定対象物内に超音波を発生させ、該超音波の発生表面と同一表面に前記光ファイバ33によって伝送された超音波測定用レーザ30の光ビーム35を照射し、さらに該超音波の前記反射超音波によって反射された前記光ビーム35の前記散乱光を捕集して前記光ファイバ41に入射させる光学ヘッド70;前記光ファイバ41によって伝送された前記散乱光の強度変化を検出することにより前記反射超音波の強度を測定する超音波安定測定部20;および該超音波安定測定部20の電気的出力信号から結晶粒径を算出する信号処理部40で構成され、
前記超音波安定測定部20は、光ファイバ41によって伝送された前記散乱光の前記反射超音波による前記超音波測定用レーザの周波数からの周波数偏移を透過干渉光および反射干渉光の強度変化として検出する共焦点ファブリー・ペロー干渉計116で構成されるレーザ干渉部と;前記超音波測定用レーザ30の光ビームの一部を分離して光ファイバ52で該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に伝送して該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の干渉を安定化する干渉計安定部と;測定対象物の表面での超音波生成時に存在するプラズマ放射光が該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射するのを抑止する高速シャッター110とを具備するオンライン結晶粒径測定装置。
In an on-line crystal grain size measuring apparatus that measures the crystal grain size of a metal plate on-line using a laser ultrasonic method in a metal plate production line,
Pulsed laser 10 for generating ultrasonic waves on the surface of the measuring object 60; ultrasonic measuring laser 30 for detecting reflected ultrasonic waves of the measuring object 60; light beam generated by the ultrasonic measuring laser An optical fiber 33 for guiding 35 to the vicinity of the measurement object; an optical fiber 41 for guiding the scattered light of the light beam 35 reflected by the surface of the measurement object 60 to the ultrasonic stable measurement unit 20; The surface of the measurement object 60 is irradiated with the light beam 13 to generate ultrasonic waves in the measurement object, and the ultrasonic measurement laser 30 transmitted by the optical fiber 33 to the same surface as the generation surface of the ultrasonic waves. The optical head 70 irradiates the light beam 35, and collects the scattered light of the light beam 35 reflected by the reflected ultrasonic wave and makes it incident on the optical fiber 41. An ultrasonic stability measuring unit 20 for measuring the intensity of the reflected ultrasonic wave by detecting an intensity change of the scattered light transmitted by the optical fiber 41; and a crystal from an electrical output signal of the ultrasonic stable measuring unit 20 Consists of a signal processing unit 40 for calculating the particle size,
The stable ultrasonic measurement unit 20 uses the frequency shift of the scattered light transmitted by the optical fiber 41 from the frequency of the ultrasonic measurement laser due to the reflected ultrasonic wave as a change in the intensity of the transmitted interference light and the reflected interference light. A laser interferometer configured by a confocal Fabry-Perot interferometer 116 to be detected; a part of the light beam of the ultrasonic measurement laser 30 is separated into the confocal Fabry-Perot interferometer 116 by an optical fiber 52; An interferometer stabilization unit that transmits and stabilizes the interference of the confocal Fabry-Perot interferometer 116; and plasma radiation that is present when ultrasonic waves are generated on the surface of the object to be measured. An on-line crystal grain size measuring device comprising a high-speed shutter 110 that prevents the light from being incident on the screen.
前記超音波測定用レーザ30は連続発振レーザで、前記光ファイバ33は偏波面保持光ファイバで、さらに前記光ファイバ41はマルチモード光ファイバである請求項1記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The on-line crystal grain size measuring apparatus according to claim 1, wherein the ultrasonic measurement laser (30) is a continuous wave laser, the optical fiber (33) is a polarization maintaining optical fiber, and the optical fiber (41) is a multimode optical fiber. 測定対象物60の片面に前記パルス発光レーザ10の光ビームを集光・照射して超音波を発生させ、該超音波が発生した位置と略同一位置に前記超音波測定用レーザ30の光ビーム35を集光・照射して、測定対象物60の、前記光ビームを集光・照射した片面の反対表面で反射して戻ってきた縦波である反射超音波を測定することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のオンライン結晶粒径測定装置。 The light beam of the pulsed emission laser 10 on one surface of the measuring object 60 by condensing Irradiation to generate ultrasonic waves, light of the ultrasonic measurement laser 30 at a position substantially the same position where the ultrasonic wave is generated characterized in that the beam 35 and the condenser-irradiation, of the measuring object 60, measuring the light beam reflected ultrasonic sound waves are longitudinal waves reflected and returned by the opposite surface of the one side of the condenser-irradiated The on-line crystal grain size measuring apparatus according to claim 1 or 2. 前記超音波測定用レーザ30の光ビームを、その偏光面を回転させる半波長板53を介して前記光ファイバ33に入射させて伝送し、前記光ヘッド70は、偏光ビームスプリッタ82、4分の1波長板83、および第1の集光光学系1と第2の集光光学系を具備して、前記光ファイバ33から入射した光ビームを前記偏光ビームスプリッタ82で90度反射した後、前記4分の1波長板を通して前記第1の集光光学系で測定対象物60の表面に集光し、該表面で反射した散乱光36を前記第1の集光光学系で捕集した後、前記4分の1波長板83と前記偏光ビームスプリッタ82を透過させ、さらに前記第2の集光光学系でマルチモードファイバ41に入射させるものである請求項1〜請求項3の内のいずれか一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The light beam of the ultrasonic measurement laser 30 is transmitted by being incident on the optical fiber 33 through a half-wave plate 53 that rotates its polarization plane. A first wavelength plate 83, a first condensing optical system 1 and a second condensing optical system, and the light beam incident from the optical fiber 33 is reflected by the polarizing beam splitter 82 after 90 degrees; After condensing on the surface of the measurement object 60 with the first condensing optical system through the quarter-wave plate and collecting the scattered light 36 reflected by the surface with the first condensing optical system, 4. The light beam transmitted through the quarter-wave plate 83 and the polarizing beam splitter 82 and further incident on the multimode fiber 41 by the second condensing optical system. 5. Online crystal grain size described in one item measuring device. 前記第1の集光光学系は凹レンズ84と該凹レンズより前記測定対象物側に設置された1枚または2枚の凸レンズ(85および/または86)で構成され、測定対象物60の表面からの前記散乱光の断面積を縮小した後に前記第2の集光光学系に入射させて、前記第2の集光光学系から前記マルチモード光ファイバ41への入射角を小さくすることにより、前記散乱光の前記マルチモード光ファイバへの入射効率を大きくするようにしたことを特徴とする請求項4記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The first condensing optical system includes a concave lens 84 and one or two convex lenses (85 and / or 86) installed on the measurement object side from the concave lens. By reducing the cross-sectional area of the scattered light and making it incident on the second condensing optical system, and reducing the incident angle from the second condensing optical system to the multimode optical fiber 41, the scattering 5. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to claim 4, wherein the incident efficiency of light into the multimode optical fiber is increased. 前記レーザ干渉部は、マルチモード光ファイバ41により伝送された前記散乱光を、偏光ビームスプリッタ92および4分の1波長板93の順に透過させた後に、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射させて、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の反射干渉光を前記偏光ビームスプリッタ92で90度反射させることにより前記散乱光と分離して光検出器100で測定できるようにしたことを特徴とする請求項1〜5の内の一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The laser interference unit transmits the scattered light transmitted by the multimode optical fiber 41 in the order of the polarization beam splitter 92 and the quarter-wave plate 93 and then enters the confocal Fabry-Perot interferometer 116. The reflected interference light of the confocal Fabry-Perot interferometer 116 is reflected by the polarization beam splitter 92 by 90 degrees so as to be separated from the scattered light and measured by the photodetector 100. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to claim 1. 前記レーザ干渉部は、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116において、前記散乱光の入射側とは反対の後方に4分の1波長板97と偏光ビームスプリッタ98を順に設置して、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の透過干渉光が前記偏光ビームスプリッタ98を透過するようにして光検出器99で透過干渉光の強度を測定するようにしたことを特徴とする請求項1〜6の内の一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置。   In the confocal Fabry-Perot interferometer 116, the laser interfering unit sequentially installs a quarter-wave plate 97 and a polarizing beam splitter 98 on the rear side opposite to the incident side of the scattered light. The intensity of the transmitted interference light is measured by the photodetector 99 so that the transmitted interference light of the Fabry-Perot interferometer 116 is transmitted through the polarizing beam splitter 98. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to one item. 前記干渉計安定部は、前記超音波測定用レーザ30の出力ビームの一部を測定対象物へ照射する光ビームから分離し、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射させて干渉光(102)を形成させ、該干渉光の強度変化を利用して前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の共振を安定化するものである請求項1〜7の内の一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The interferometer stabilization unit separates a part of the output beam of the ultrasonic measurement laser 30 from the light beam that irradiates the measurement object, and enters the confocal Fabry-Perot interferometer 116 for interference light (102). And the resonance of the confocal Fabry-Perot interferometer 116 is stabilized using the intensity change of the interference light. measuring device. 前記干渉計安定部は、前記超音波測定用レーザ30の出力ビームの一部を測定対象物へ照射する光ビームから分離しマルチモード光ファイバで伝送し、前記偏光ビームスプリッタ98で90度反射させて前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射させた後、透過干渉光を前記偏光ビームスプリッタ92で90度反射し、さらにプリズムによって反射させて該透過干渉光の強度変化を光検出器104によって検出して前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の共振を安定化するものである請求項7記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The interferometer stabilizing unit separates a part of the output beam of the ultrasonic measurement laser 30 from the light beam that irradiates the measurement object, transmits it through a multimode optical fiber, and reflects it by 90 degrees with the polarization beam splitter 98. Then, the incident light is incident on the confocal Fabry-Perot interferometer 116, and then the transmitted interference light is reflected by 90 degrees by the polarization beam splitter 92 and further reflected by the prism, and the change in the intensity of the transmitted interference light is detected by the photodetector 104. 8. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to claim 7, which detects and stabilizes the resonance of the confocal Fabry-Perot interferometer. 前記干渉計安定部は、前記光検出器104の出力信号を用いて前記ファブリー・ペロー干渉計の干渉条件を所定の干渉条件に保つように信号処理をする干渉安定化制御回路105、前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計の共振器鏡95に設置した圧電アクチュエータ107、前記干渉安定化制御回路105の出力信号により該圧電アクチュエータを駆動する圧電駆動調節器106を具備することを特徴とする請求項9に記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The interferometer stabilization unit uses the output signal of the photodetector 104 to perform signal processing so as to maintain the interference condition of the Fabry-Perot interferometer at a predetermined interference condition, the confocal point 10. A piezoelectric actuator 107 installed in a resonator mirror 95 of a Fabry-Perot interferometer, and a piezoelectric drive controller 106 for driving the piezoelectric actuator by an output signal of the interference stabilization control circuit 105. The on-line crystal grain size measuring apparatus described in 1. 前記レーザ干渉部は、前記測定対象物60表面からの前記散乱光の前記共焦点ファブリー・ペロー干渉計116における透過干渉光と反射干渉光の強度をそれぞれ光検知器99と光検知器100で電気信号に変換した後、該2つの電気信号を差動増幅して反射超音波信号を得る超音波信号検出装置39を具備することを特徴とする請求項1〜請求項10の内の一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The laser interference unit electrically transmits the scattered light from the surface of the measurement object 60 and the intensity of the transmitted interference light and the reflected interference light in the confocal Fabry-Perot interferometer 116 by the light detector 99 and the light detector 100, respectively. 11. An ultrasonic signal detection device 39 for obtaining a reflected ultrasonic signal by differentially amplifying the two electric signals after conversion into a signal, according to one of claims 1 to 10. The on-line crystal grain size measuring apparatus described. 前記信号処理部は、前記超音波信号検出装置39から出力される前記反射超音波信号をFFTによってフーリエ周波数成分を求めて, 周波数毎の超音波減衰係数を求め、測定対象の結晶粒径を算出するものであることを特徴とする請求項1〜請求項11の内のいずれか一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The signal processing unit obtains a Fourier frequency component of the reflected ultrasonic signal output from the ultrasonic signal detection device 39 by FFT, obtains an ultrasonic attenuation coefficient for each frequency, and calculates a crystal grain size to be measured. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein 前記信号処理部は、測定対象物の試片を用いた測定実験を通じて予め導出した測定対象の結晶粒径と超音波減衰係数間の相関式に関する情報を持ち、オンライン測定時に測定された超音波減衰係数を前記相関式に代入して迅速に結晶粒径を算出することを特徴とする請求項1〜請求項11の内のいずれか一項に記載のオンライン結晶粒径測定装置。   The signal processing unit has information related to a correlation equation between the crystal grain size of the measurement object and the ultrasonic attenuation coefficient derived in advance through a measurement experiment using a specimen of the measurement object, and the ultrasonic attenuation measured at the time of online measurement. The on-line crystal grain size measuring apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein a crystal grain size is quickly calculated by substituting a coefficient into the correlation equation. 金属板の生産ライン中において該金属板の結晶粒径をレーザ超音波法を用いてオンラインで測定するオンライン結晶粒径測定方法において、
パルス発光レーザ10で発生した光ビーム13を測定対象物60の表面に照射して該測定対象物内に超音波を発生させ、該超音波の発生発生表面と同一表面に光ファイバ33によって伝送された超音波測定用レーザ30の光ビーム35を照射し、さらに光学ヘッド70を用いて該超音波の前記反射超音波によって反射された前記光ビーム35の散乱光を捕集して光ファイバ41に入射させ;光ファイバ41によって伝送された前記散乱光の強度変化を検出することにより前記反射超音波の強度を超音波安定測定部20で測定し;超音波安定測定部20の電気出力信号から結晶粒径を信号処理部で算出するオンライン結晶粒径測定方法であって、
前記超音波安定測定部20は、光ファイバ41によって伝送された前記散乱光の前記反射超音波による前記超音波測定用レーザの周波数からの周波数偏移を透過干渉光および反射干渉光の強度変化として検出する共焦点ファブリー・ペロー干渉計116で構成されるレーザ干渉部と;超音波測定用連続発振レーザ30の光ビームの一部を分離してマルチモード光ファイバ52で該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に伝送して該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116の干渉を安定化する干渉計安定部と;超音波生成時に存在するプラズマ放射光が該共焦点ファブリー・ペロー干渉計116に入射するのを抑止する高速シャッター110とを具備するものであるオンライン結晶粒径測定方法。
In the on-line crystal grain size measuring method for measuring the crystal grain size of the metal sheet on-line using a laser ultrasonic method in a metal plate production line,
The surface of the measurement object 60 is irradiated with the light beam 13 generated by the pulsed laser 10 to generate ultrasonic waves in the measurement object, and is transmitted by the optical fiber 33 to the same surface as the generation and generation surface of the ultrasonic waves. Then, the scattered light of the light beam 35 reflected by the reflected ultrasonic wave of the ultrasonic wave is collected by using the optical head 70 and irradiated to the optical fiber 41. The intensity of the reflected ultrasonic wave is measured by the ultrasonic stable measuring unit 20 by detecting the intensity change of the scattered light transmitted by the optical fiber 41; the crystal is obtained from the electric output signal of the ultrasonic stable measuring unit 20; An online crystal grain size measuring method for calculating a grain size in a signal processing unit,
The stable ultrasonic measurement unit 20 uses the frequency shift of the scattered light transmitted by the optical fiber 41 from the frequency of the ultrasonic measurement laser due to the reflected ultrasonic wave as a change in the intensity of the transmitted interference light and the reflected interference light. A laser interfering unit configured by a confocal Fabry-Perot interferometer 116 to detect; a part of the light beam of the continuous wave laser 30 for ultrasonic measurement is separated, and the confocal Fabry-Perot interference is separated by a multimode optical fiber 52; An interferometer stabilizing unit that transmits to the meter 116 and stabilizes the interference of the confocal Fabry-Perot interferometer 116; plasma radiation light that is present when the ultrasonic wave is generated enters the confocal Fabry-Perot interferometer 116. An on-line crystal grain size measuring method comprising a high-speed shutter 110 for suppressing the above.
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