KR100676629B1 - Adaptive signal processing apparatus and method in Laser Ultrasonic System - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저 초음파 검사장치에서 간섭계 신호의 적응형 획득장치 및 그 획득방법에 관한 것으로, 그 목적은 간섭계의 PZT 전압을 일정한 속도로 스윕(sweep)시키는 공초점 패브리-페롯 간섭계 신호를 계속적으로 감시하여, 펄스 레이저가 초음파를 여기시키는 순간에 최적화된 위치에서 수신을 하고, 수신 신호의 물체에 대한 감도를 보정하여 주는 장치를 개발함으로써 측정 대상체의 표면상태와 무관한 안정된 신호를 획득하도록 하는 장치 및 그 측정방법을 제공하는데 있다. 본 발명에서는 간섭계 신호를 일정하게 변화시키는 과정에서 물체의 표면상태에 따른 레이저 초음파 수신 신호의 크기를 파악해 그에 따른 최적의 지점을 적응적으로(adaptive) 결정하여 동기(synchronization) 신호를 발생하는 장치와 표면상태에 따른 신호의 크고 작음을 보정하는 신호처리 장치 및 그 방법을 기술적 특징으로 한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an adaptive acquisition device for an interferometer signal and a method for acquiring the interferometer signal in a laser ultrasonic inspection device. A device for receiving a stable signal irrespective of the surface state of a measurement object by developing a device that receives a pulse at an optimized position at the moment of exciting the ultrasonic wave and corrects a sensitivity of an object of the received signal; The measurement method is provided. In the present invention, the device for generating a synchronization signal by grasping the magnitude of the laser ultrasound reception signal according to the surface state of the object in the process of constantly changing the interferometer signal, and adaptively determine the optimal point according to the present invention; The present invention provides a signal processing device and a method for correcting the magnitude and smallness of a signal according to a surface state.
공초점 패브리-페롯 간섭계, 초음파여기용펄스레이저, 연속발진레이저, PZT, 초음파Confocal Fabry-Perot Interferometer, Ultrasonic Excitation Pulse Laser, Continuous Oscillation Laser, PZT, Ultrasound
Description
도1은 공초점 패브리-페롯 간섭계를 이용한 초음파 측정 원리도.1 is an ultrasonic measurement principle using a confocal Fabry-Perot interferometer.
도2는 간섭계의 PZT 전압을 삼각파형으로 변화시킬 때의 간섭계 투과도,Fig. 2 shows the interferometer transmittance when the PZT voltage of the interferometer is changed into a triangular waveform,
도3은 적응형 신호획득을 위한 펄스 레이저 동기 및 신호보정 방법도이고,3 is a pulse laser synchronization and signal correction method for adaptive signal acquisition;
도4는 공초점 패브리-페롯 간섭계를 이용한 레이저 초음파 장치 구성도이다.4 is a schematic diagram of a laser ultrasonic apparatus using a confocal Fabry-Perot interferometer.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
(21) : 초음파 여기용 펄스 레이저 (22) : 셔터21: pulsed laser for ultrasonic excitation 22: shutter
(23) : 중성농도 필터 (24, 25, 33) : 거울(23): neutral concentration filter (24, 25, 33): mirror
(26, 37, 42, 44) : 집속렌즈 (31) : 연속발진 레이저 장치(26, 37, 42, 44): Focusing lens 31: Continuous oscillation laser device
(32) : 편광자 (34) : 반파장판(32): polarizer 34: half-wave plate
(35, 39) : 편광 빔가르개 (36, 41) : 1/4 파장판(35, 39): polarizing beam filter (36, 41): 1/4 wave plate
(40, 47) : 고속 광센서 (43) : 공초점 패브리-페롯 간섭계(40, 47): high speed optical sensor (43): confocal Fabry-Perot interferometer
(45) : PZT (46) : 중계렌즈(45): PZT (46): relay lens
(48) : PZT 드라이버 (49) : 신호획득 제어장치(48): PZT driver (49): signal acquisition controller
(50) : 측정 대상체50: measurement object
본 발명은 레이저 초음파 검사장치에서 적응형 신호획득장치 및 그 획득방법에 관한 것으로, 특히 공초점 간섭계를 사용하는 레이저 초음파 검사장치 중 간섭계 신호를 안정적으로 획득하는 장치 및 방법에 대한 것으로 자세하게는 간섭계의 신호를 일정하게 변화시키는 장치에서 최적의 순간에 초음파를 발생시켜 간섭계 신호를 획득하고 물체의 표면 상태에 대한 요소를 보정하여 표면상태와 무관한 안정적인 신호를 잡는 장치 및 방법에 대한 것이다.The present invention relates to an adaptive signal acquisition device and a method for acquiring the same in a laser ultrasound inspection apparatus, and more particularly, to an apparatus and method for stably acquiring an interferometer signal among laser ultrasound inspection apparatuses using a confocal interferometer. The present invention relates to an apparatus and method for acquiring an interferometer signal by generating an ultrasonic wave at an optimum moment in a device that constantly changes a signal, and correcting an element for a surface state of an object to catch a stable signal irrespective of the surface state.
레이저 초음파(ultrasonic) 검사 장치는 레이저로 여기된 초음파 신호를 레이저 간섭계를 이용하여 획득하는 비접촉 검사 장치이다. The laser ultrasonic inspection apparatus is a non-contact inspection apparatus that acquires an ultrasonic signal excited by a laser using a laser interferometer.
레이저 초음파 검사 장치에서 발생된 레이저 여기 초음파 신호는 레이저 간섭계 장치를 이용하여 수신하게 되는데, 초음파가 발생되는 순간에 정확히 간섭계가 최적의 조건에 있어야 신호를 정확히 잡을 수 있다. The laser excitation ultrasound signal generated by the laser ultrasound inspection apparatus is received using a laser interferometer device. The signal can be accurately captured only when the interferometer is in an optimal condition at the moment of generating the ultrasound.
이를 위해서 대부분의 간섭계에서는 능동적으로 간섭계 상태를 유지해 주는 장치를 사용하거나, 간섭계의 신호를 일정하게 변화(sweep)시키면서 특정한 지점에서 레이저 초음파 신호를 획득하는 방식을 사용한다. To this end, most interferometers use a device that actively maintains an interferometer state, or a method of acquiring a laser ultrasonic signal at a specific point while constantly changing the signal of the interferometer.
그러나 이 때에도 물체의 표면상태에 따라서 간섭계에서 받는 신호가 최적의 지점이 아니거나 신호의 세기가 달라진다는 문제점은 남아 있게 된다. However, even in this case, there remains a problem that the signal received from the interferometer is not the optimal point or the signal strength varies depending on the surface state of the object.
보다 자세하게 이 분야의 종래기술을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the prior art in this field in more detail as follows.
레이저 초음파 장치는 강한 펄스 레이저빔을 물체의 표면에 조사하여 초음파 신호를 발생시키고, 이 초음파 신호가 물체에서 전파 또는 반사된 후 레이저 간섭계를 이용하여 이 초음파 신호를 측정함으로써 물체의 결함이나 특성을 측정하는 장치이다. The laser ultrasonic device generates an ultrasonic signal by irradiating a strong pulsed laser beam to the surface of the object, and after measuring or transmitting the ultrasonic signal using a laser interferometer after measuring or propagating the ultrasonic signal from the object, the defect or characteristic of the object is measured. Device.
레이저 초음파 장치는 기존의 접촉식 탐촉자(transducer)를 사용하는 초음파 검사 장치에 비해 비접촉식으로 초음파를 발생/검지한다는 장점 뿐 아니라, 광대역 신호를 발생 또는 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있어 최근 많이 연구되고 있다.Laser ultrasonic devices have been studied in recent years because they have the advantage of generating / detecting ultrasonic waves in a non-contact manner as compared to conventional ultrasonic transducers using contact transducers. .
일반적으로 레이저 초음파 장치는 간섭계를 사용하여 초음파가 만든 미소변위를 측정하게 되는데, 이중 가장 많이 사용하는 것이 공초점 패브리-페롯 간섭계(Confocal Fabry-Pero Interferometer)이다.(참고: Q. Shan, A.S. Bradford, R.J. Dewhurst, "New field formulas for the Fabry-Perot interferometer and their application to ultrasound detection", measurement Science and Technology, Vol. 9, p.24-37, 1998). In general, laser ultrasonic devices use an interferometer to measure microdisplacements produced by ultrasound, the most common of which is the Confocal Fabry-Pero Interferometer (see Q. Shan, AS Bradford). , RJ Dewhurst, "New field formulas for the Fabry-Perot interferometer and their application to ultrasound detection", measurement Science and Technology, Vol. 9, p. 24-37, 1998).
이러한 공초점 간섭계를 사용한 레이저 간섭계 장치에 대한 특허는 많은데 이중 대표적인 것들은 다음과 같다.There are many patents for laser interferometer devices using such confocal interferometers, the representative ones of which are as follows.
US patent 4,659,224(Optical interferometric reception of ultrasonic energy)는 공초점 패브리-페롯 간섭계를 이용한 초음파 신호 측정 장치에 대한 것으로 초창기의 특허로 일반적인 공초점 간섭계 장치에 대한 것이다. US Pat. No. 4,659,224 (Optical interferometric reception of ultrasonic energy) relates to an ultrasonic signal measuring apparatus using a confocal Fabry-Perot interferometer and is an early patent for a general confocal interferometer device.
또한 US patent 6,356,846(System and method of reducing motion-induced noise in the optical detection of an ultrasound signal in a moving body of material)는 스캐닝 방식의 레이저 초음파 검사장치에서 움직임에 의한 잡음 신호 저감에 대한 것으로, 스캐너와 물체의 운동을 동기시키는 방법에 대한 것이다. In addition, US patent 6,356,846 (System and method of reducing motion-induced noise in the optical detection of an ultrasound signal in a moving body of material) relates to the reduction of noise signals caused by movement in a scanning ultrasound laser ultrasonic apparatus. It is about how to synchronize the motion of an object.
이렇듯 펄스 레이저로 발생된 펄스 초음파 신호는 수신 장치에서의 동기가 중요한데, 또 다른 특허 US patent 6,633,384(Method and apparatus for ultrasonic laser testing)에서는 수신 레이저로 펄스형 레이저를 사용하여 이 동기 신호를 정확히 수신하는 방법을 기술하였다.In this way, the pulse ultrasonic signal generated by the pulse laser is important to the synchronization in the receiving device. Another patent US Patent 6,633,384 (Method and apparatus for ultrasonic laser testing) uses a pulsed laser as the receiving laser to accurately receive this synchronization signal. The method was described.
하지만 전압 스윕 방식의 레이저 초음파 장치에서 물체의 상태를 감안하여 신호획득 시점을 조절하고 동시에 신호의 크고 작음을 보상하는 장치에 대한 특허는 없었다.However, there is no patent for a device that adjusts the signal acquisition timing in consideration of the state of the object in the voltage sweep type laser ultrasound device and simultaneously compensates for the large and small signal.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 간섭계의 PZT 전압을 일정한 속도로 스윕(sweep)시키는 공초점 패브리-페롯 간섭계 신호를 계속적으로 감시하여, 펄스 레이저가 초음파를 여기시키는 순간에 최적화된 위치에서 수신을 하고, 수신 신호의 물체에 대한 감도를 보정하여 주는 장치를 개발함으로써 안정된 신호를 획득하도록 하는 장치 및 그 측정방법을 제공하는데 있다.
An object of the present invention to solve the above problems is to continuously monitor the confocal Fabry-Perot interferometer signal that sweeps the PZT voltage of the interferometer at a constant rate, which is optimized at the moment the pulsed laser excites the ultrasonic waves. The present invention provides a device and a method of measuring the same to obtain a stable signal by developing a device for receiving at a position and correcting a sensitivity of an object of a received signal.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수 행하는 본 발명은 일정한 속도로 간섭계의 PZT 전압을 스윕(sweep)시키는 공초점 패브리-페롯 간섭계 신호를 계속적으로 측정하고 있다가 펄스 레이저가 초음파를 여기시키는 순간에 최적화된 위치에서 수신을 하고, 수신 신호의 물체 표면에 대한 변화를 보정하여 초음파 수신 감도를 일정하게 유지하여 주는 장치 및 이를 이용한 측정방법이다.The present invention, which achieves the above object and accomplishes the problem of eliminating conventional defects, continuously measures confocal Fabry-Perot interferometer signals that sweep the PZT voltage of the interferometer at a constant rate and then pulses. An apparatus for receiving at an optimized position at the moment of laser excitation and correcting the change of the received signal on the surface of the object to maintain a constant ultrasonic sensitivity, and a measuring method using the same.
구체적으로 본 발명은 펄스 레이저로 측정 대상체에 초음파를 발생시키고 이 초음파가 측정 대상체를 전파한 후 연속발진 레이저를 사용한 공초점 간섭계로 감지하여 물체의 두께나 결함 등의 상태를 검사하는 레이저 초음파 장치에 있어서,Specifically, the present invention provides a laser ultrasound apparatus for generating an ultrasonic wave to a measurement object with a pulse laser, and then detecting the thickness or defect of the object by detecting a confocal interferometer using a continuous oscillation laser after propagating the measurement object. In
측정 대상체(50)의 일측 위치(S)로 레이저빔을 조사하기 위한 초음파 여기용 펄스 레이저(21)와, 이로 부터 발생된 빔을 차단 또는 통과시키는 셔터(22)와, 이 셔터를 거친 레이저빔의 세기를 조절하는 중성농도 필터(Neutral density filter)(23)와, 중성농도필터를 거친 레이저빔의 입사각도를 변환시키는 거울(24, 25) 및 거울을 지난 레이저빔을 집속하는 집속렌즈(26)로 구성되는 펄스레이저를 이용한 초음파 여기장치와; Ultrasonic
이 집속된 레이저빔에 의해 여기되어 측정대상체의 표면을 따라 타측 위치(T)에 전파된 초음파를 수신하는 간섭계로 구성하되, It consists of an interferometer which is excited by the focused laser beam and receives the ultrasonic wave propagated at the other position (T) along the surface of the measurement object,
이 간섭계는 레이저를 조사하는 연속발진 레이저 장치(31)와, 이 레이저빔을 선편광시키는 편광자(32)와, 선편광된 빔을 반사시키는 거울(33)과 편광을 회전시키는 반파장판(34)과, 상기 반파장판을 거친 빔을 반사시키는 편광 빔가르개(35)와, 이 빔가르개에서 반사된 빔의 편광상태를 바꾸는 1/4 파장판(36)과, 1/4 파장판을 거친 빔을 측정 대상체(50)의 타측 위치(T)에 입사시키는 집속렌즈(37)와, 물체에서 반사된 빔이 다시 집속렌즈(37)와 1/4 파장판(36)을 거친 후 편광이 90도 회전하여 빔가르개(35)를 통과하여 입사되는 편광 빔가르개(39)와, 편광빔가르개를 통과한 빔을 원편광시키는 1/4 파장판(41)과, 이 1/4파장판(41)을 거쳐서 원 편광된 빔을 집속하는 집속렌즈(42)와, 집속렌즈(42)로 부터 집속된 빔을 입사받는 공초점 패브리-페롯 간섭계(43)와, 이 공초점 간섭계의 양 끝 거울의 거리를 조절하는 PZT(45) 및 이와 연결된 특정한 주기로 삼각형 PZT 전압 신호를 내보내는 PZT 드라이버(48)와, 공초점 간섭계를 투과한 빔을 집속하는 집속렌즈(44)와, 집속된 빔을 중계하는 중계렌즈(46)와, 중계렌즈를 거친 빔을 수신하는 고속 광센서(47)와, 상기 고속 광센서(47)에서 수신된 빔의 신호와, 공초점 간섭계에서 반사된 빔이 다시 집속렌즈(42)와 1/4 파장판(41)을 거쳐 편광이 90도 회전되고 편광빔가르개(39)에서 반사되어 또 다른 고속 광센서(40)로 수신된 빔의 신호를 획득하여 결함이나 두께 등을 측정 처리하는 신호획득 제어장치(49)로 구성된 것을 특징으로 한다.The interferometer includes a continuous
또한 본 발명의 방법은 펄스 레이저로 여기시켜 발생된 초음파가 물체를 전파한 후 레이저 간섭계로 감지하여 물체의 두께나 결함 등의 상태를 검사하는 방법에 있어서,In addition, the method of the present invention in the ultrasonic wave generated by excitation with a pulsed laser propagates the object and then detected by a laser interferometer to check the state of the thickness, defects, etc. of the object,
상기의 장치를 구비한 후 연속발진 레이저를 물체의 표면에 조사한 후 반사되는 레이저빔을 공초점 간섭계에 입사시키는 단계와; Irradiating a continuous oscillation laser on the surface of the object after having the device described above and then injecting the reflected laser beam into a confocal interferometer;
상기한 펄스 레이저에 의해 생긴 초음파 신호가 물체표면에 미소 변위를 일 으키면 상기한 간섭계에 입사되는 연속발진 레이저빔에 도플러 주파수 이동이 생겨 공초점 간섭계의 투과율을 변화시켜 간섭계를 투과하는 빔의 세기가 주파수 이동과 거의 비례하여 변조되는 것을 측정하여 초음파 신호를 측정하는 간섭계 측정 단계와; When the ultrasonic signal generated by the pulse laser causes a small displacement on the surface of the object, the Doppler frequency shift occurs in the continuous oscillation laser beam incident on the interferometer, changing the transmittance of the confocal interferometer, and the intensity of the beam passing through the interferometer. An interferometer measuring step of measuring an ultrasonic signal by measuring that the modulated signal is substantially proportional to the frequency shift;
상기 간섭계 측정 단계에서 공초점 간섭계의 거울 사이의 거리를 미세조정하는 PZT 드라이버에서 일정한 주기로 삼각파 신호를 간섭계에 인가함으로써 간섭계를 투과하는 연속발진 레이저빔의 세기를 일정한 주기로 변하게 하고, 특정 위치에서 펄스 레이저 신호를 발생시켜 초음파 신호를 획득하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.In the interferometer measurement step, the PZT driver finely adjusts the distance between the mirrors of the confocal interferometer to change the intensity of the continuous oscillation laser beam passing through the interferometer at a constant cycle by applying a triangular wave signal to the interferometer at a constant cycle, and at a specific position Generating a signal to obtain an ultrasonic signal.
또한 상기 특정 위치를 광센서 신호가 최대값의 반이 되는 순간으로 하여, 이 때 펄스 레이저를 발생시키는 단계를 포함하여 항상 최대의 감도를 갖는 위치에서 초음파 신호를 획득할 수 있도록 한 방법을 특징으로 한다.In addition, the specific position at the moment when the optical sensor signal is half of the maximum value, including the step of generating a pulse laser at this time characterized in that it is possible to obtain an ultrasonic signal at a position having the maximum sensitivity at all times do.
또한 상기 광센서의 신호의 최대값을 기록한 후 측정된 초음파 신호를 상기한 최대값 신호로 나누어 물체의 표면 상태에 따른 신호의 크고 작음을 측정 후 보정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, after recording the maximum value of the signal of the optical sensor characterized in that it comprises the step of dividing the measured ultrasonic signal by the maximum value signal and measuring and correcting the magnitude of the signal according to the surface state of the object.
이하 본 발명의 실시예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and the operation of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 공초점 페브리-페롯 간섭계에서 초음파 신호를 획득하는 원리를 설명한 도면인데, 가로축은 레이저빔의 주파수이고 세로축은 간섭계의 투과도를 나타낸다. 최대의 투과도를 보이는 지점을 A라고 하고 반 정도의 투과도를 보이는 지점은 B가 된다. 1 is a view illustrating a principle of obtaining an ultrasonic signal in a confocal Fabry-Perot interferometer, where the horizontal axis represents the frequency of the laser beam and the vertical axis represents the transmittance of the interferometer. The point showing the maximum transmittance is A, and the point showing half the transmittance is B.
간섭계의 두 개의 거울 사이의 거리를 PZT로 미세 조정하여 투과도를 B에 맞추고 있는 상태에서, 입사되는 레이저빔의 주파수가 미세하게 변하면(도면에서 input으로 표시하였음) 도면에서와 같이 간섭계에서의 레이저빔의 투과도는 output과 같이 크게 변한다. When the distance between two mirrors of the interferometer is finely adjusted with PZT to set the transmittance to B, if the frequency of the incident laser beam changes slightly (indicated by input in the figure), the laser beam in the interferometer is shown in the figure. The transmittance of V varies greatly with the output.
물체에서 반사되어서 나오는 레이저빔의 주파수는 표면변위에 따른 도플러(Doppler) 이동을 하게 되는데, 이 주파수 이동을 도면에서와 같이 투과율의 변화로 만들어 초음파 신호를 검지하는 것이다.The frequency of the laser beam reflected from the object is a Doppler movement according to the surface displacement. The frequency shift is made by changing the transmittance as shown in the figure to detect the ultrasonic signal.
만약 공초점 페브리-페롯 간섭계의 양단에 있는 거울에 PZT를 설치하여 거울 사이의 간격을 삼각파 형태로 일정하게 변화시켜주면, 간섭계의 투과율도 도2와 같이 변하게 된다. 도 1에서 설명하였듯이 투과율의 기울기가 가장 큰 위치(C 또는 D)에서 레이저빔의 주파수 변화를 측정하면 가장 측정 감도가 좋게 된다. 따라서 대부분의 초음파 측정 방식은 투과율이 최대의 반 정도가 되는 C점이나 D점을 펄스 레이저와 동기시켜 초음파를 측정하게 된다.If the PZT is installed on the mirrors at both ends of the confocal Fabry-Perot interferometer to change the distance between the mirrors in the form of a triangular wave, the transmittance of the interferometer will also change as shown in FIG. As illustrated in FIG. 1, the measurement sensitivity is the best when the frequency change of the laser beam is measured at the position C or D where the slope of transmittance is largest. Therefore, most ultrasonic measuring methods measure ultrasonic waves by synchronizing C or D points, which have a maximum transmittance of about half, with a pulsed laser.
이 방식의 초음파 측정장치의 문제점은 초음파 측정장치가 물체를 이송하면서 측정할 때, 즉 1차원이나 2차원으로 스캔(scan)하면서 측정할 때 물체의 표면 상태에 따라서 도 2와 같이 일정한 신호를 계속적으로 내지 못한다는 것이다. The problem of the ultrasonic measuring device of this method is that the ultrasonic measuring device continuously measures a constant signal as shown in FIG. 2 according to the surface state of the object when measuring while moving the object, that is, scanning while scanning in one or two dimensions. It can't be done.
즉, 도 3처럼 물체 표면의 상태가 좋은 곳에서는 초음파 신호가 크게 발생하고(신호 1), 물체의 표면상태가 나쁠 때는 신호의 세기가 작아진다는 것이다.(산호 2) That is, as shown in FIG. 3, the ultrasonic signal is large in a place where the surface of the object is good (signal 1), and when the surface state of the object is bad, the intensity of the signal decreases (coral 2).
대부분의 초음파 스캔 검사 장치는 신호의 크기를 가지고 물체의 결함이나 특성을 검사하므로, 이렇듯 신호의 크기가 들락날락할 경우 검사의 신뢰성이 떨어지게 된다.Most ultrasonic scan inspection apparatuses inspect the defects or characteristics of an object with the magnitude of the signal, and thus the reliability of the inspection is deteriorated when the magnitude of the signal is in and out.
본 발명에서는 이러한 물체의 표면상태에 따른(또는 정렬상태에 따른) 신호의 불규칙성을 해결하는데 그 목적을 두고 있는데, 구체적인 방법은 다음과 같다. The present invention aims to solve the irregularity of the signal according to the surface state (or alignment state) of such an object, and the specific method is as follows.
도 3 에서처럼 간섭계의 길이를 미세조종 하는 PZT의 전압을 삼각파형으로 스윕(sweep)하면서 이 때의 광신호의 세기를 계속 측정하고 있다가 최대치(도3에서의 A)를 기록하고 이 최대치의 반이 되는 곳(도 3에서의 F나 I)에서 펄스 레이저 발생 신호를 주어서 이 때의 초음파를 측정하면 항상 최대값의 반이 되는 곳에서 초음파 신호를 측정할 수 있다. As shown in Fig. 3, while sweeping the voltage of the PZT that finely controls the length of the interferometer in a triangular waveform, the intensity of the optical signal is continuously measured and the maximum value (A in Fig. 3) is recorded and half of this maximum value is recorded. When the ultrasonic wave is measured at this time by giving the pulse laser generation signal at the place (F or I in FIG. 3), the ultrasonic signal can be measured at the place where it is always half of the maximum value.
즉, 도 3의 위치 2에서처럼 신호의 세기가 작은 경우라도 최대치의 반이 되는 지점에 펄스 레이저 신호를 동기시켜 최적의 위치(도3에서 I)에서 신호를 수신할 수 있다.That is, even when the signal strength is small as in
또, 똑같은 초음파 신호를 수신할 경우, 표면상태가 좋은 위치 신호1에서는 강한 초음파 신호가 수신되고 표면 상태가 나쁜 위치 신호 2에서는 작은 신호가 수신되는 문제가 있다. 하지만 최대 신호를 계속 측정하여 기록하는 방식을 사용하면 측정이 끝난 후 측정된 신호를 이들 최대 수신 신호의 크기(max1과 max2)로 나눔으로써 신호를 정규화(normalization)시킬 수 있다. 즉 표면 상태가 달라서 생기는 초음파 신호의 크기 차이를 보정할 수 있는 것이다. In addition, when the same ultrasonic signal is received, a strong ultrasonic signal is received at the
본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같다. Looking at the preferred embodiment according to the present invention.
이하의 설명은 아주 일반적인 공초점 패브리-페롯 간섭계를 사용하는 레이저 초음파 표면 결함 검사 장치에 관한 예를 든 것이나, 종파를 이용한 특성 검사나 두께측정 등의 다른 용도, 다른 종류의 레이저 초음파 검사장치에서도 동일한 원리의 적용이 가능하다.The following description is of an example of a laser ultrasonic surface defect inspection apparatus using a very common confocal Fabry-Perot interferometer, but also for other uses such as longitudinal wave characteristic inspection or thickness measurement, and the same for other types of laser ultrasonic inspection apparatuses. The principle can be applied.
본 발명에서 발명한 적응형 신호처리 방식의 레이저 초음파 장치의 구성은 첨부한 도 4와 같다. The configuration of the laser ultrasonic apparatus of the adaptive signal processing method according to the present invention is as shown in FIG. 4.
초음파 여기용 펄스 레이저(21)로 부터 조사된 빔은, 이 빔을 차단 또는 통과시키는 셔터(22)와, 이 셔터를 거친 레이저빔의 세기를 조절하는 중성농도 필터(Neutral density filter, 23)를 거친 후, 거울(24, 25)을 지나 집속렌즈(26)로 집속되어 측정 대상체(50)의 S위치로 입사된다.The beam irradiated from the ultrasonic
측정 대상체에서는 레이저빔에 의해 초음파가 여기되고, 그 초음파는 표면을 따라 전파된다. 초음파는 T의 위치에서 공초점 간섭계 장치에 의해 수신된다. In the measurement object, ultrasonic waves are excited by the laser beam, and the ultrasonic waves propagate along the surface. Ultrasound is received by the confocal interferometer device at the location of T.
레이저 초음파 수신을 위한 간섭계 장치는 다음과 같이 작동된다. The interferometer device for laser ultrasound reception operates as follows.
연속발진 레이저 장치(31)에서 나온 레이저빔은 편광자(32)를 거쳐서 선편광 된 후 거울(33)과 반파장판(34)을 거친 후 편광 빔가르개(35)에서 반사되어 1/4 파장판(36)을 거친 후 집속렌즈(37)에서 집속되어 측정 대상체(50)의 T 위치에 입사된다. The laser beam emitted from the continuous
측정대상체에서 반사된 빔은 다시 집속렌즈(37)와 1/4 파장판(36)을 거친 후 편광이 90도 회전하여 빔가르개(35)를 통과하여 또 다른 편광 빔가르개(39)를 통과하고 1/4 파장판(41)을 거쳐서 원 편광된 후 집속렌즈(42)로 집속되어 공초점 패브리-페롯 간섭계(43)에 입사하게 된다.The beam reflected from the measurement object passes through the focusing
이 공초점 간섭계의 양 끝 거울의 거리는 PZT(45)와 PZT 드라이버(48)를 사용하여 정밀하게 조정된다. The distance between both mirrors of this confocal interferometer is precisely adjusted using
공초점 간섭계를 투과한 빔은 집속렌즈(44)로 집속되고 중계렌즈(46)를 거쳐 고속 광센서(47)로 수신된다. The beam transmitted through the confocal interferometer is focused by the focusing
공초점 간섭계에서 반사된 빔은 다시 집속렌즈(42)와 1/4 파장판(41)을 거쳐 편광이 90도 회전되고 따라서 편광빔가르개(39)에서 반사되어 또 다른 고속 광센서(40)로 수신된다. The beam reflected from the confocal interferometer is again rotated by 90 degrees through the focusing
두 고속 광센서(47, 40)의 신호는 신호획득 제어장치(49)에서 처리되어 결함이나 두께 등을 측정하게 된다.The signals of the two high speed
연속발진 레이저장치(31)에서 나오는 레이저빔의 세기는 또 다른 광센서(38)에 의해 모니터링 된다.The intensity of the laser beam from the continuous
이 때, PZT 드라이버(48)에서는 특정한 주기로 도 2와 도3에서와 같은 삼각형 PZT 전압 신호를 내보내게 된다. 그러면 광센서(47)에서 검지되는 신호가 도 2나 3에서처럼 계속 변하게 된다. At this time, the
물체의 표면상태가 균일하다면 도 2에서처럼 일정한 크기를 가진 신호가 계속적으로 나타나 측정에 문제가 없으나, 일반적으로는 물체의 표면상태가 불균일하여 도 3에서처럼 크기가 다른 신호가 계속 나타나게 된다.If the surface state of the object is uniform, a signal having a constant size appears continuously as shown in FIG. 2, but there is no problem in measurement. In general, a signal having a different size continues to appear as shown in FIG.
이러한 경우 광센서 신호의 최대값의 반이 되는 순간에 펄스 레이저를 발생시키면 항상 최적의 위치에서 초음파 신호를 획득할 수 있다. In this case, if the pulse laser is generated at the moment that is half of the maximum value of the optical sensor signal, the ultrasonic signal can always be obtained at the optimum position.
또한 각 광센서의 신호에서의 최대값을 기록할 수 있으므로, 물체의 표면 상태에 따른 신호의 크고 작음을 측정 후 이 때의 최대값을 사용하여 보정하면 동일한 감도의 주파수 이동 신호(초음파 신호)를 얻을 수 있다.In addition, since the maximum value of the signal of each optical sensor can be recorded, measuring the large and small of the signal according to the surface state of the object, and then correcting it using the maximum value at this time, the frequency shift signal (ultrasound signal) of the same sensitivity is obtained. You can get it.
본 발명은 일반적인 레이저 여기 표면 초음파 검사 장치에 관한 예를 든 것이나, 특성 검사나 두께측정 등의 다른 용도의 레이저 초음파 검사장치에서도 동일한 원리의 적용이 가능하다. 즉, 거의 모든 레이저 간섭계를 사용하는 초음파 검지 장치에서 표면 상태에 따른 신호의 불안전성을 보상하는 방법으로 응용할 수 있다.The present invention exemplifies a general laser excited surface ultrasonic inspection apparatus, but the same principle can be applied to laser ultrasonic inspection apparatuses for other uses such as property inspection and thickness measurement. That is, the ultrasonic detection apparatus using almost all laser interferometers can be applied as a method of compensating the instability of the signal according to the surface state.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다. The present invention is not limited to the above-described specific preferred embodiments, and various modifications can be made by any person having ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, such changes will fall within the scope of the claims.
상기와 같은 본 발명은 간섭계 신호를 일정하게 변화시키는 과정에서 물체의 표면상태 등에 따른 레이저 초음파 수신 신호의 특성을 파악해 그에 따른 최적의 지점을 적응적으로(adaptive) 결정하여 동기(synchronization) 신호를 발생하는 장치와 표면상태에 따른 신호의 크고 작음을 보정하는 신호처리 장치를 제공함으로써 레이저 초음파 검사 장치에서 물체의 표면 상태에 따른 레이저 수신 신호의 특성을 실시간으로 파악하여 최적의 수신 시점을 펄스마다 지정할 수 있고, 표면상태에 따른 초음파 신호의 크기를 보정할 수 있는 장점이 있는 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.
In the present invention as described above, in the process of constantly changing the interferometer signal, the characteristics of the laser ultrasound received signal according to the surface state of the object, etc. are determined and the optimal point is adaptively determined accordingly to generate a synchronization signal. By providing a signal processing device that corrects the magnitude and the smallness of the signal according to the surface condition, and the laser ultrasound inspection device can identify the characteristics of the laser reception signal according to the surface condition of the object in real time and specify the optimum reception time for each pulse. And it is a useful invention that has the advantage of being able to correct the size of the ultrasonic signal according to the surface state is an invention that is expected to use greatly in the industry.
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