KR100241028B1 - 레이저를 이용한 내부결함 검출방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 레이저를 이용하여 물체의 내부 결함을 비접촉식으로 탐상하는 방법과 그 장치에 관한 것으로, 초음파 영역의 탄성파가 결함에 의해 산란되는 현상을 간섭계로 탐지하여 내부결함을 펄스 레이저와 헬륨-네온 레이저 광선을 동시에 물체 표면에 주사함으로써, 원격적으로 물체결함의 크기와 형태를 손쉽고 용이하게 측정할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 펄스 레이저(1)의 전방으로 광원이 두 갈래로 나뉘어 지도록 빛살 가르개(2)가 설치되어 광선이 두갈래로 나뉘어 지며, 일측 광원은 2개의 빛살 가르개(3)(4)를 개재하여 측정물제(6)의 표면에 입사되며, 다른 광원은 광 검출기(7)에 입력되어 발생되는 출력전압을 동작신호로 나타내는 오실로 스코우프(8)가 설치되며, 초음파 검지를 위한 헬륨-네온 레이저(10)의 전방에 트랜스 레이터(12)의 거울(11)과 트랜스 레이터(5)의 빛살 가르개(4)가 설치되어 광선이 측정물체(6)에 반사토록 하며, 상기 측정물체(6)의 반사광선이 입사토록 광검출기(14)가 설치되며, 상기 광 검출기(14)의 입사광선이 상기 오실로 스코프우프(8)에 전달되어 신호파형으로 컴퓨터(9)에 저장토록 하여 내부 결함을 검출하는 것을 요지로 한다.

Description

레이저를 이용한 내부 결함 검출 방법 및 그 장치

제1도는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 내부결함 검출장치의 구성도.

제2(a),(b),(c)도는 본 발명의 실시예에 따른 레이저의 측정지점 거리변화에 따라 측정된 초음파 신호 파형사진.

제3도는 본 발명을 이용하여 물체의 내부에 존재하는 결함을 영상화한 예시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 펄스레이저 2,3,4 : 빛살 가르개

5,12 : 트랜스 레이터 6 : 측정대상

7,14 : 광 검출기 8 : 오실로 스코우프

9 : 컴퓨터 10 : 헬륨-네온레이져

11, 13 : 거울

본 발명은 레이저를 이용하여 물체의 내부 결함을 비접촉식으로 탐상하는 방법과 그 장치에 관한 것으로, 특히 펄스 레이저와 헬륨-네온레이저 광선을 동시에 물체의 표면에 주사하고, 초음파 영역의 탄성파가 결함에 의해 산란되는 현상을 간섭계로 탐지하여 내부 결함을 검출함으로써, 원격적으로 물체 결함의 크기와 형태를 손쉽고 용이하게 측정할 수 있는 레이저를 이용한 내부결함 검출방법 및 그 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 물체의 표면에 펄스 레이저를 입사시키면 열 탄성효과(thermoelastic effect)에 의해 열팽창(thermal expansion)이 일어나기 때문에 초음파가 발생된다.

즉, 짧은 펄스폭의 레이저 광선이 매질에 집속되면 레이저 광선이 매질에 흡수되어 극소적인 부분이 순가적으로 가열되고, 레이저의 펄스폭이 매질의 열확산시간(thermal diffusion tiome)보다 매우 짧으므로 단열팽창(adiabatic expansion)에 의해 탄성파가 발생된다.

이러한 초음파는 물체의 내부를 전파하고 물체의 경계면에서 반사를 일으키므로 이 초음파를 검지하면 내부 결함을 탐상할 수 있다.

상기 초음파를 검지하여 내부결함을 탐상하기 위하여 사용되는 마이켈슨 간섭계는, 물체의 표면에서 반사된 레이저 광선과 다른 한쪽의 거울에서 반사된 광선의 간섭에 의한 빛의 세기 변화를 측정함으로써 미소변위를 구하는 방법으로써 다음과 같은 식으로 표현된다.

1 ∝ 2 cos[4π(1₁- 1₂+ △X) / λ].

여기에서 1₁- 1₂는 초음파에 의한 미소변위가 없는 경우의 경로차이고, △X 는 초음파에 의한 미소변위이다.

따라서, 레이저 광선의 세기가 초음파에 의한 미소 변위의 코사인(cosine) 함수로써 변한다. 이 간섭게는 경로차(1₁- 1₂)에 따라서 레이저 출력변화를 나타내며 1₁- 1₂= λ/4 (m ± 1/2)(m은 정수)일때 가장 높은 출력 변화를 얻을 수 있다.

이와 같은 기술과 관련된 종래의 레이저를 이용한 내부 결함 검출방법에 있어서는, 미국특허 제4,659,224,호와 동 특허 제 4,298,808호등이 알려져 있다.

상기 공보들에 의하면, 전자의 경우 검사대상의 한 지점에 레이저를 입사시켜 초음파를 발생시키고 이와 동일 지점에서 초음파를 검출하므로 초음파의 최적 검지 지점을 알 수 없어 검출능력이 약화되며, 후자의 경우에는 내부결함을 검출하기 위해서 복잡한 시간지연 회로와 진동수에 따라 서로 다른 투과특성을 가진 필터를 사용하여 결함의 종류를 구별하는 것으로써, 그 장치가 복잡하고, 결함의 영상화가 불가능한 문제점이 있었던 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 여러 문제점들을 개선시키기 위한 것으로서, 그 목적은, 원격적으로 내부결함을 탐상하는 것이 용이할 뿐 아니라 비교적 간단한 광학계를 통하여 최적 검지지점에서 초음파를 검지할 수 있어 검출성능이 우수하며, 또한, 결함의 영상화가 가능하므로 결함의 형태를 시각적으로 판별할 수 있는 레이저를 이용한 내부 결함 검출 방법및 그 장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써 본 발명은, 펄스 레이저와 헬륨- 네온 레이저의 복수의 광원을 갖추고, 상기 펄스 레이저를 검출하는 광검출기와 오실로 스코프를 갖추며, 상기 헬륨-네온 레이저의 광선을 측정물체에 반사시켜 상기 오실로 스코프로 전달하는 트랜스 레이터와 광검출기와 구비하는 한편, 상기 오실로 스코우프의 출력이 측정물체의 내부결함을 나타내는 신호파형으로 저장되도록 하는 컴퓨터;를 포함하는 내부결함 검출장치에 있어서, 상기 펄스 레이저는 측정물체에서 초음파를 발생시키도록 광선이 두 갈래로 나누어지고, 일측 광선은 2개의 빛살 가르개를 개재하여 측정물체의 표면에 입사토록 되며, 다른 광선은 광검출기에 입력되어 그 출력전압을 동작신호로 나타내는 오실로 스코우프로에 입력되고; 상기 헬륨-네온 레이저는 측정물체에서 발생된 초음파를 검출하도록 광선이 두 갈래로 나누어지고, 일측 광선은 트랜스 레이터의 빛살 가르개에 반사되어 측정물체에 입사되고, 다른 광선은 상기 빛살 가르개를 투과하여 거울과 빛살 가르개에 반사되어 광 검출기로 입력되며; 상기 트랜스 레이터에 장착되는 거울은 좌우측으로 이동가능하게 설치되어 측정물체상에서 펄스 레이저 광선이 비추는 지점과 헬륨-네온 레이저 광선이 비추는 지점 사이의 거리조정이 가능하도록 구성되고; 상기 광검출기에 입사된 두개의 광선이 서로 간섭되어지는 것을 오실로 스코우프로에서 검출하여 측정물체의 내부결함을 탐상하도록 구성됨을 특징으로 하는 레이저를 이용한 내부결함 검출장치를 마련함에 의한다.

또한, 본 발명은, 초음파를 발생하기 위한 펄스 레이저의 광선이 빛살 가르개에 입사되어 두 갈래로 나뉘어 지도록 하며, 나뉘어진 하나의 광선이 2개의 빛살 가르개에서 반사되어 측정물체 표면에 입사되고, 상기 빛살 가르개의 다른 광선이 광검출기에 입력되어 그 출력 전압을 오실로 스코프의 동작 신호로 사용하는 단계;와, 상기 측정물체의 초음파를 검지하기 위한 헬륨-네온 레이저의 광선이 거울과 빛살가르개에 반사되어 측정물체에 반사토록 되며, 상기 측정물체의 반사광선이 광검출기에 입사되고, 상기 빛살 가르개의 투과 광선은 거울과 빛살 가르개에서 반사된 후 광 검출기에 입사되어 오실로 스코프에 입력되는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 내부결함 검출방법에 있어서, 상기 측정물체상에서 펄스 레이저 광선이 비추는 초음파 발생지점과 헬륨-네온 레이저 광선이 비추는 초음파 탐지 지점사이의 간격을 트랜스 레이터에 설치되는 거울을 이동시켜 최적 측정조건으로 설정하는 단계;와, 상기 광검출기에 입사된 2개의 헬륨-네온 레이저 광선이 서로 간섭되어 세기의 변화되는 것을 상기 오실로 스코프에 의해 출력전압으로 측정함으로서 측정물체의 내부 결함을 검출토록 하는 단계를 추가 포함하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 레이저를 이용한 내부결함 검출방법을 마련함에 의한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 따른 레이저를 이용한 내부결함 검출장치의 구성도로서, 펄스레이저(1)의 전방으로 광원이 두 갈래로 나뉘어지도록 빛살 가르개(2)가 설치되어 광선이 두갈래로 나뉘어지며, 일측 광원은 2개의 빛살 가르개(3)(4)를 개재하여 측정물체(6)의 표면에 입사토록 되며, 다른 광원은 광검출기(7)에 입력되어 발생되는 출력전압을 동작신호로 나타내는 오실로 스코우프(8)로 입력되며, 초음파 검지를 위한 헬륨-네온 레이저(10)의 전방에 트랜스 레이터(12)의 거울(11)과 트랜스 레이터(5)의 빛살 가르개(4)가 설치되어 광선이 측정물체(6)에 반사토록 하며, 상기 측정물체(6)의 반사광선이 입사토록 광 검출기(14)가 설치되며, 상기 빛살가르개(4)의 다른 투과광선은 거울(13)과 빛살가르개(4)에 반사토록 되어 상기 광검출기(14)에 입사토록 되며, 상기 광검출기(14)의 입사광선이 상기 오실로 스코우프(8)에 전달되어 신호 파형으로 저장토록 검퓨터(9)가 설치되어 내부 결함을 검출하는 구성으로 이루어진다.

이와 같은 구성으로 된 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

제1도에 도시한 바와같이, 초음파를 발생시키기 위하여 펄스 레이저(1)에서 발생된 광선은 빛살가르개(2)에 입사하여 두 갈래로 나뉘어져 그중 하나는 투과되어 빛살가르개(3)(4)에서 반사되어 측정물체(6)의 표면에 입사된다.

레이저 펄스가 시편 표면에 입사하는 순간에 오실로 스코우프를 동작시키기 위하여 빛살가르개(2)에서 반사된 다른 하나의 광선은 광검출기(7)에 입력되고, 상기 광검지기(7)에서 발생된 출력전압을 오실로 스코우프(8)의 동작신호로 사용한다. 그리고 발생된 초음파가 물체내부를 진행한 후의 초음파를 검지하기 위하여 헬륨-네온레이저를 사용한다. 상기 헬륨-네온 레이저(10)에서 발생된 광선은 거울(11)과 빛살가르개(4)에서 반사되어 측정물체(6)에서 반사되고 광검출기(14)에 입사되며, 빛살가르개(4)에서 투과된 광선은 거울(13)과 빛살가르개(4)에서 반사된 후 광검출기(14)에 입사된다.

이와 같이 광검출기(14)에 입사된 두개의 광선은 서로 간섭을 일으켜 세기가 변화된 후, 오실로 스코우프에 의하여 출력전압이 측정된 후 신호 파형이 컴퓨터에 저장된다.

이때 최저의 검지지점을 구하기 위하여 트랜스 레이터(12)에 장착된 거울(11)을 이동시켜 측정물체 상에서 펄스 레이저 광선이 비추는 지점 A 와 일정한 거리를 유지한 B 지점에서 헬륨-네온 레이저로 신호파를 검지할 수 있는 것이다.

제2도는 본 발명의 실시예에 따른 레이저의 측정지점 거리변화에 따라 측정된 초음파 신호 파형도로서, 제2(a)도는 초음파 발생지점과 초음파 검지지점사이의 거리가 10mm일 경우로써, 내부결함에 영향을 받지 않고 펄스 레이저 입사지점에서 검지위치로 직접 도달한 신호와 첫번째 에코(echo) 신호만이 검지되고 있다.

제2(b)도는 두 지점 사이의 거리가 2mm 인 경우로써 직접 도달한 초음파 신호와 함께 내부결함에 의해 반사된 신호가 직접 도달한 신호와 첫번재 에코 신호 사이에서 검지되고 있다.

또한 제2(c)도는 초음파 발생지점과 검지점이 동일한 경우로써 내부결함이 검지위치에 직접 도달하는 초음파를 다른 방향으로 반사 또는 산란시키기 때문에 초음파 신호의 크기가 매우 작아지고 있다.

따라서, 이러한 경우는 제2(b)도와 같이 초음파 발생지점과 검지지점이 조금 어긋나는 것이 내부 결함 측정에 가장 적합한 경우로써 본 발명을 이용하면 이러한 최적조건을 쉽게 구할 수 있으며 이러한 조건하에서 내부 결함을 탐상하므로 탐상능이 우수하다.

또한 실험을 통해서 최적거리를 구한 후에 트랜스 레이터(5)에 장착된 빛살가르개(4)를 이동시키면서 신호파를 측정하면 내부 결함을 2차원적으로 구할 수 있는 것이다.

한편, 제3도는 본 발명을 이용하여 물체의 내부에 존재하는 결함을 영상화한 예시도로서, 펄스 레이저와 헬륨-네온 레이저를 측정물체의 표면에서 주사(scanning)하며 결함신호의 크기를 측정하여 컴퓨터 화면상에 나타낸 것이다.

즉, 결함에 의해 신호 크기가 감쇄되어 가장 낮은 수준의 신호 크기(4mV)가 측정되었을 경우에는 가장 밝게 나타내고, 결함의 영향이 없어 가장 높은 수준의 신호 크기를 형성하였을 경우(10mV)에는 가장 어둡게 나타내는 것이다. 그 결과 내부결함의 형태가 제3도에서와 같이 탐상됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명을 이용하면 펄스 레이저와 헬륨-네온 레이저 광선을 동시에 물체의 표면에 주사하고, 초음파 영역의 탄성파가 결함에 의해 산란되는 현상을 마이켈슨 간섭계로 탐지하여 내부결함을 탐상함으로써, 원격적인 방법으로 결함의 크기와 형태를 측정할 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 초음파의 발생지점과 검지지점이 물체의 동일면에 놓여 있어 원격적으로 내부결함을 탐상하는 것이 용이할 뿐만 아니라, 비교적 간단한 광학계를 통하여 최적 검지지점에서 초음파를 검지할 수 있게 되어 검출성능이 우수하며, 또한 결함의 영상화가 가능하게 되어 결함의 형태를 시각적으로 판별할수 있게 되는 우수한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 펄스 레이저(1)와 헬륨-네온 레이저(10)의 복수의 광원을 갖추고, 상기 펄스 레이저(1)를 검출하는 광검출기(7)와 오실로 스코프(8)를 갖추며, 상기 헬륨-네온 레이저(10)의 광선을 측정물체에 반사시켜 상기 오실로 스코프(8)로 전달하는 트랜스 레이터(12)와 광검출기(14)를 구비하는 한편, 상기 오실로 스코우프(8)의 출력이 측정물체의 내부결함을 나타내는 신호 파형으로 저장되도록 하는 컴퓨터(9);를 포함하는 내부결함 검출장치에 있어서, 상기 펄스 레이저(1)는 측정물체에서 초음파를 발생시키도록 광선이 두 갈래로 나누어지고, 일측 광선은 2개의 빛살 가르개(3)(4)를 개재하여 측정물체(6)의 표면에 입사토록 되며, 다른 광선은 광검출기(7)에 입력되어 그 출력전압을 동작신호로 나타내는 오실로 스코우프로(8)에 입력되고; 상기 헬륨-네온 레이저(10)는 측정물체에서 발생된 초음파를 검출하도록 광선이 두 갈래로 나누어지고, 일측 광선은 트랜스 레이터(5)의 빛살 가르개(4)에 반사되어 측정물체에 입사되고, 다른 광선은 상기 빛살 가르개(4)를 투과하여 거울(13)과 빛살 가르개(4)에 반사되어 광 검출기(14)로 입력되며; 상기 트랜스 레이터(12)에 장착되는 거울(11)은 좌우측으로 이동가능하게 설치되어 측정물체(6) 상에서 펄스 레이저 광선이 비추는 지점 A 와 헬륨-네온 레이저 광선이 비추는 지점 B사이의 거리조정이 가능하도록 구성되고; 상기 광검출기(14)에 입사된 두개의 광선이 서로 간섭되어지는 것을 오실로 스코우프로(8)에서 검출하여 측정물체의 내부결함을 탐상하도록 구성됨을 특징으로 하는 레이저를 이용한 내부결함 검출장치.
2. 초음파를 발생하기 위한 펄스 레이저(1)의 광선이 빛살 가르개(2)에 입사되어 두 갈래로 나뉘어 지도록 하며, 나뉘어진 하나의 광선이 2개의 빛살 가르개(3)(5)에서 반사되어 측정물체(6) 표면에 입사되고, 상기 빛살 가르개(2)의 다른 광선이 광검출기(7)에 입력되어 그 출력 전압을 오실로 스코프(8)의 동작 신호로 사용하는 단계;와, 상기 측정물체의 초음파를 검지하기 위한 헬륨-네온 레이저(10)의 광선이 거울(11)과 빛살 가르개(4)에 반사되어 측정물체(6)에 반사토록 되며, 상기 측정물체(6)의 반사광선이 광검출기(14)에 입사되고, 상기 빛살 가르개(4)의 투과 광선은 거울(13)과 빛살 가르개(4)에서 반사된 후 광 검출기(14)에 입사되어 오실로 스코프(8)에 입력되는 단계를 포함하는 레이저를 이용한 내부결함 검출방법에 있어서, 상기 측정물체(6) 상에서 펄스 레이저 광선이 비추는 초음파 발생지점 A 와 헬륨-네온 레이저 광선이 비추는 초음파 탐지 지점 B사이의 간격을 트랜스 레이터(12)에 설치되는 거울(11)을 이동시켜 최적 측정조건으로 설정되는 단계;와 상기 광검출기(14)에 입사된 2개의 헬륨-네온 레이저(10) 광선이 서로 간섭되어 세기의 변화되는 것을 상기 오실로 스코프(8)에 의해 출력전압으로 측정함으로서 측정물체(6)의 내부 결함을 검출토록 하는 단계를 추가 포함하도록 이루어진 것을 특징을 하는 레이저 이용한 내부결함 검출방법.