KR100338529B1 - 광섬유 외팔보의 공진을 이용한 음향방출 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재료의 탄소성 변형시 검출되는 음향방출 신호(Acoustic Emission; AE)를 측정하는 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광간섭원리와 광섬유의 외팔보진동 원리를 이용하여 음향방출 신호를 측정하는 센서에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은, 광신호를 발생시키기 위한 전압원과 레이저다이오드, 광신호를 1:1 분할하기 위한 2×2 커플러(Coupler), 빛의 간섭을 발생시키는 금박(Gold Coating)반사판, 고주파의 음향방출 신호를 저주파의 신호로 변환해주는 광섬유 외팔보, 광간섭된 신호를 전기신호로 변환해주는 광검출기, 변환된 전기신호의 진폭을 증폭시키는 증폭기, 원하는 대역의 주파수만을 검출하는 대역형 필터, 처리된 신호의 rms 전압을 dc 전압으로 변환하는 rms-to-dc 변환기, 및 변환된 신호를 저장하는 장치를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 외팔보의 공진을 이용한 음향방출 센서{The acoustic emmission sensor by use of the fiber-optic cantilever}

본 발명은 재료의 탄소성 변형시 발생하는 음향방출신호를 검출하기 위한 센서에 관한 것으로서, 더 상세하게는 광간섭원리와 광섬유의 외팔보 진동 원리를 이용하여 음향방출 신호를 측정하는 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 음향방출신호를 측정하는 센서는 전기용량형(capacitative type), 압전형(piezoelectric type) 및 광간섭형(laser interferometric type)이 있다. 이들 중 전기용량형 센서는 최소 10^-11m 까지 측정되며 압전형 센서는 공진형과 광대역형에 따라 10^-12∼10^-13m 까지 측정된다. 압전형 센서는 부착방식이 용이하고 작은 진폭에도 민감하게 반응하므로 가장 보편적으로 사용되고 있으나 전기 신호를 이용하므로 신호 전송 중 잡음 유입 가능성이 크고 고온의 환경에 적용하기 어려운 단점이 있다.

광간섭형 음향방출 센서는 최소 10^-10m 까지 측정이 가능한데 절대 변위를 측정할 수 있고 신호의 왜곡을 최소화할 수 있으므로 센서 보정이나 비교적 큰 변위의 신호 검출에 적용되고 있다. 비파괴검사학회지, Vol.13 No.4, pp.32-40에 개시되어 있는 종래의 음향방출 센서는 보다 정밀한 변위를 측정하였다.

도1은 종래의 음향방출 센서의 한 실시 예를 나타낸 것으로서, 일정한 주파수의 빛을 출력하는 광원(1)과, 상기 광원에서 출력된 빛을 2개의 빛으로 분리하여 하나의 빛은 방출되는 음향에 의해 진동하는 시편(8)에 의해 광간섭 현상을 일으키고 광간섭이 발생한 빛 출력하며, 하나의 빛은 광검출기로 출력하는 광분리기(4)와, 상기 광간섭되어 광분리기(4)로부터 출력된 광간섭된 빛을 보정거울(6)을 통해 입력받아 전기적인 신호로 변환시켜 주는 압전소자(5)와, 상기 압전소자(5)에서 변환된 전기적인 신호를 안정화시키는 안정기(7)와, 상기 광분리기(4)로부터 분리된 원래의 빛을 검출하는 광검출기(2)와, 상기 광검출기에서 검출된 빛의 전기적인 신호를 증폭하는 증폭기(3)와, 상기 안정기(7)와 증폭기(3)에서 출력된 전기적인 신호를 비교하기 위한 오실로스코프(9)로 구성되어 있다. 즉, 종래의 음향방출 센서는 광원(1)에서 출력된 빛을 광분리기(4)를 통하여 2개의 빛으로 분리하고, 시편(8)의 진동에 따라 광간섭 현상이 발생하는 것을 측정하는 것이다. 이 장치의 특징은 압전소자(5)와 보정거울(6), 안정기(7)를 이용하여 저주파수의 진동을 보정함으로써, 고주파인 음향신호를 정밀하게 측정하는 것이다.

상기의 경우와 달리 Applied Optics, Vol.36 No.1, pp.380-385에 개시되어 있는 음향방출 센서는 Sagnac-interferometer를 이용하여 비접촉식으로 작동하는 음향방출센서를 구성하였는데 광섬유를 이용하여 원거리 전송과 고온환경에 적용할 수 있도록 구성하였다.

그러나 도1에 도시된 바와 같은 음향방출 센서는 실제 산업 현장에서는 주변 잡음이 많고 센서와 통제실이 수 백 미터 이상 분리되어 있어 정확한 음향방출 신호의 측정이 어려워 실제 산업현장에서는 적용하기 어렵다는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 음향방출 센서는 광원으로 매우 높은 출력의 레이저 장치(60mW)를 사용할 뿐만 아니라 측정장치가 매우 복잡하고 고가여서 실제 현장에 적용하기 어려운 문제점이 있었다. 따라서, 이를 위해서는 많은 번거로움과 비용을 소모해야 했다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저 출력의 레이저 다이오드와 광섬유를 이용하여 구성이 단순하고 원거리 전송에 적합한 음향방출 센서를 구성함으로서 상시감시 시스템에 적합한 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 고주파수의 음향방출 신호를 저주파수로 변환해 측정함으로써 신호처리의 효율성을 높이고 현장 적용이 용이한 센서를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 음향방출 센서는, 상시감시 시스템에 적합한 센서를 구성하는데 있어서, 광신호를 발생시키기 위한 전압원과 레이저다이오드와, 광신호를 1:1 분할하기 위한 2×2 커플러(Coupler)와, 빛의 간섭을 발생시키는 금박(Gold Coating) 반사판과, 고주파의 음향방출 신호를 저주파의 신호로 변환해주는 광섬유로 구성된 외팔보와, 광간섭된 신호를 전기신호로 변환해주는 광검출기와, 변환된 전기신호의 진폭을 증폭시키는 증폭기와, 원하는 대역의 주파수만을 검출하는 대역형 필터와, 처리된 신호의 rms 전압을 dc 전압으로 변환하는 rms-to-dc 변환기, 및 변환된 신호를 저장하는 장치를 포함하며, 음향방출 센서의 몸체는 시편과 동일한 재질의 재료로 제조되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 광간섭계를 이용한 음향방출센서를 개략적으로 도시한 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 광간섭계를 이용한 음향방출센서의 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 음향방출신호 측정시스템의 구성도.

도 4는 본 발명 음향방출신호 측정시스템을 이용하여 인장시험시 측정한 음향방출신호와 하중의 관계를 도시한 그래프도.

도 5는 본 발명 음향방출센서와 압전 센서의 출력신호를 비교한 그래프도.

도 6은 본 발명 음향방출센서의 검증을 위한 Kaiser effect 확인실험 결과 그래프도.

〈도면의 주요부분에 대한 설명〉

1,22 : 광원 2,24 : 광검출기

3,25 : 증폭기 4 : 광분리기

5 : 압전소자 6 : 보정거울

7 : 안정기 8,16 : 시편

9,27 : 오실로스코프 10 : 광섬유

11 : 외팔보 12 : 반사경

13 : 간섭계 14 : 센서본체

15 : 음향방출신호 21 : 음향방출센서

22 : 2×2 커플러 24 : rms 전압계

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 상세하게 설명한다.

도2는 본 발명의 음향방출 센서에 사용된 광섬유 센서의 한 실시 예를 나타낸 것으로서, 음향방출 신호(15)가 방출되는 시편(16)에 부착하는 외팔보(11)와 동공을 갖는 센서 본체(14)와, 상기 센서 본체와 외팔보(11) 상부에 설치되고 광원의 입력과 간섭광을 출력하는 광섬유(10)와, 상기 외팔보(11)가 형성된 면과 마주보는 측면에 설치된 반사경(12)으로 이루어져 있다. 상기 광섬유는 양호하게는 광원의 파장에 맞는 단일모드 광섬유로 구성된다. 이때 상기 광섬유(10)의 종단에서 출력된 광원은 시편의 떨림에 의해 반사경(12)에 반사되면서 광간섭을 일으키게 되고 간섭광은 다시 광섬유(10)를 통해 출력되는데 이때 반사경(12)과 외팔보(11) 상부의 광섬유 종단을 간섭계(13)라 할 수 있다. 이때 상기 반사경(12)의 표면은 금박으로 코팅할 수도 있다. 또한 상기 외팔보(11)의 길이는 약 2㎚∼20mm로 형성하여 100KHz∼1MHz의 음향방출 신호를 1KHz 부근의 신호로 변환시킬 수 있도록 한다.

즉, 음향방출 신호가 발생되어 센서 본체(14)를 통하여 전달되면 길이 1cm 내외로 구성된 광섬유 외팔보(11)의 공진이 발생되어 간섭계(13)의 간섭을 발생시킨다. 광간섭은 금박 코팅이 된 반사경(12)과 광섬유 끝단에서 출력된 빛에 의해 발생하는데 음향방출신호는 이와 같은 광간섭계와 외팔보의 공진으로 인하여 고주파의 신호가 저주파의 신호로 바뀌게 된다.

다음에 도3은 상기 광센서를 이용하여 음향방출을 측정하는 음향방출 센서를 나타낸 것으로서, 상기 도1의 광센서에 일정한 주파수의 빛을 공급하기 위한 광원(23)과, 상기 광원(23)에서 출력된 광신호를 1:1로 분할하기 위한 2×2 커플러와(22), 상기 커플러(22)에서 분리된 하나의 광신호를 입력받아 시편에서 발생되는 방출음향에 의해 간섭된 광을 출력하는 광센서(21)와, 상기 광센서(21)에서 출력된 간섭광을 상기 커플러(22)를 통해 입력받아 전기적인 신호로 변환시키는 광검출기(24)와, 상기 광검출기(24)에서 검출된 전기적 신호를 증폭시키고 대역형으로 필터링 하는 증폭기/필터(23)와, 상기 증폭기/필터(23)에서 증폭되고 필터링된 전기적 신호를 rms전압으로 변환시키는 rms 변환기(26)와, 상기 rms변환기(26)에서 변환된 신호를 저장하고 디스플레이하는 오실로스코프(27)로 구성된다. 이때 상기 광원(23)으로 레이저 다이오드를 사용하며, 상기 레이저 다이오드에서 발생된 광원의 범위는 600nm-1550nm 이며, 약1mW∼3mW의 저출력 다이오드를 사용한다.

즉, 시편(16)에서 발생된 신호는 도2에서 설명한 바와 같이 광섬유 외팔보의 공진과 광간섭 현상을 발생시키며 2×2커플러(22)를 통하여 광검출기(24)에서 전기 신호로 변환된다. 변환된 전기신호는 증폭기(23)에서 10000배에서 100000배정도 증폭되고 대역형 필터(25)로 여과된 후 rms-to-dc 변환기(26)에서 rms 전압으로 변환되고 오실로스코프(27)에 저장된다.

상기의 센서원리를 수학적으로 모델링하면 시편에서 발생된 음향방출 신호는 센서의 본체에 전달되어 광섬유로 구성된 외팔보의 공진을 발생시키고 광섬유로부터 출력되는 빛의 간섭현상을 일으키므로 다음과 같이 컨볼루션 적분으로 나타낼 수 있다. 이 때 음향방출 신호의 출력(A)은 수학식 1과 같이 음향방출 신호원(S), 외팔보의 공진(R) 및 광검출기를 포함한광간섭계(I)의 컨볼루션 적분으로 표현할 수 있다.

음향방출 신호(S)는 재료의 균열이 진전됨에 따라 균열에 작용하는 하중의 반대 방향으로 반발력이 발생하면서 방출되는데 힘의 평형이 이루어질 때까지 지속적으로 발생된다. 이 과정에서 미세한 균열의 발생은 급작스런 변형 에너지를 유발하고 재료의 기하학적 형상에 따라 다양한 형태의 탄성파를 발생시킨다. 이런 탄성파가 음향방출 신호원이 되고 돌발형 신호를 발생시킨다. 그러나 음향방출 신호의 발생에 관한 정확한 메카니즘은 밝혀지지 않았고 재료의 형상이나 탄소성 변형에 따른 초음파로 분류되고 있다.

음향방출 신호는 연필심 부러뜨림(pencil lead fracture; PLF)시험이나 유리모세관 파괴 시험 등을 통해 실험적으로 모사된다. 실제 음향방출 신호와 PLF 시험의 차이점은 전자는 재료내부에서 방출되고 후자는 재료 표면에서 방출되는 것이다. LF 시험은 센서를 보정하거나 모의실험을 수행하기에 간편하므로 센서를 개발하는데 활용되고 있다. 이와 같은 PLF 시험의 수학적 모델은 보통 반주기의 정현파 형태나 펄스파로 가정되는데 본 연구에서는 펄스파로 가정하였다. 음향방출 신호를 펄스파로 가정할 수 있는 것은 실제 재료의 탄소성 변형시 방출되는 첫 번째 파형만 원신호와 관계된 것이고 그 후에 검출되는 신호는 시편의 형상이나 압전센서의 공진 현상과 관련되기 때문이다.

센서 본체에 전달된 음향방출 신호는 광섬유로 구성된 외팔보의 공진(R)을 발생시키고 광간섭이 발생하는데 이 때 공진주파수는 외팔보의 길이와 광섬유의 물리적 성질로 결정된다. 이와 같은 공진 특성은 잡음을 제거하고 특정 주파수만을 여과하는 필터 기능을 포함하는데 압전형 음향방출 센서는 고주파수인 음향방출 신호에 민감하게 반응하고 저주파 대역의 외부 잡음을 감소시키는 필터 기능을 갖고 있다.

광간섭계(I)는 고전 광학 이론에서 제안되었던 간섭계를 이용한 것으로 광섬유가 가지고 있는 고유한 기계적 특성과 간섭계로서의 센서특성을 함께 나타낸다. 일반적으로 간섭계 센서는 Mach-Zehnder 간섭계, Michelson 간섭계 및 Fabry-Perot 간섭계를 이용하고 있으며, 이 중 Fabry-Perot 간섭계를 이용한 센서의 연구가 가장 활발히 이루어지고 있다. Fabry-Perot 간섭계는 다중광 간섭계로서 코어 부분에 부분반사면(semi-reflective surface)을 형성시켜 반사 또는 투과된 빛의 간섭무늬를 얻게 된다.

음향방출 센서의 몸체는 시편과 같은 재질의 재료를 사용하여 임피던스가 같도록 하였으며 몸체의 크기를 10×1.5×5mm로 가능한 몸체의 크기를 작게 제작하여 신호 감쇠를 줄였다.

도4는 인장 시험시 하중과 광섬유 센서로 측정한 rms 전압 변화를 나타낸 것이다. 인장 시험을 시작하여 탄성 구간을 지날 때 미약한 음향방출 신호가 검출되었으며 약 40초 부근에서 약간 높은 진폭의 신호가 검출되기 시작하여 약 110초에 이르렀을 때 노치를 낸 부분이 급격히 늘어나면서 3V 이상의 rms전압이 검출되었다.

도5는 인장 시험시 균열이 발생할 때 측정한 음향방출 신호로서 1번 채널은 광섬유 센서로 측정한 결과이고 2번 채널은 압전 센서로 측정한 결과이다. 신호 측정시 광섬유 센서와 압전 센서로 측정한 음향방출 신호의 주파수가 각각 수 kHz와 수 백 kHz로서 큰 차이가 있으므로 압전 센서로 나온 신호를 이용하여 음향방출 신호의 문턱값(threshold)을 정하고 동시에 측정하였다. 인장 시험을 수행하는 동안 두 가지 센서로 측정한 신호는 항상 동시에 발생하지는 않았으며 하중 증가에 따라 차이점이 있었다.

도6은 측정된 신호가 음향방출 신호인지 확인하기 위해 Kaiser effect 효과가 발생하는지 검증실험한 결과이다. 하중을 탄소성 영역인 3.5 ton까지 증가시키고 만능 시험기를 하중 제어 방식으로 변환하여 2단으로 하중을 제거하였다. 하중 제거 후 다시 만능 시험기를 변위 제어로 변환하여 처음과 같은 속도로 하중을 증가시킨 결과 하중이 3.5 ton 이상이 된 후에 음향방출 신호를 측정할 수 있었으므로 Kaiser effect를 확인할 수 있었다. 또한 균열이 성장할 때 도5와 같이 높은 rms전압이 측정되었고 시편이 파단될 때까지 음향방출 신호가 측정되었다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 음향방출 센서는, 저출력의 레이저 다이오드와 광섬유를 이용하여 구성이 단순하고 원거리 전송에 적합하므로 상시감시 시스템에 적합한 센서를 제공한다. 또한 수백kHz의 음향방출 신호를 수kHz의 저주파수로 변환해 측정함으로서 신호처리의 효율성을 높이는 이점과 저가격화를 달성하게 하는 이점을 제공한다.

Claims (6)

1. 재료의 탄소성변형시 발생하는 음향방출신호를 측정하는 음향방출 센서에 있어서,

   광신호를 발생시키기 위한 광원과;

   상기 광원에서 발생된 광신호를 1:1 분할하기 위한 2×2 커플러와;

   상기 2×2 커플러에서 분할된 하나의 광신호를 입력받아 빛의 간섭을 발생시키는 반사경과, 고주파의 음향방출 신호를 저주파의 신호로 변환해주는 광섬유로 구성된 외팔보와, 반사판과 광섬유 및 광원으로 구성되는 간섭계를 포함하여 시편에 부착되는 광센서와;

   상기 광센서에서 광간섭된 신호를 전기적 신호로 변환해주는 광검출기와;

   상기 광검출기에서 변환된 전기적 신호의 진폭을 증폭시키고 원하는 대역의 주파수만을 검출하기 위해 필터링하는 증폭기/필터와;

   상기 증폭기/필터에서 처리된 신호의 rms 전압을 dc 전압으로 변환하는 rms-to-dc 변환기와; 그리고

   상기 rms-to-dc 변환기에서 변환된 신호를 저장하고 디스플레이 하는 장치를 포함하며,

   상기 음향방출 센서의 몸체는 시편과 동일한 재질의 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 음향방출 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 광원은 진폭이 600nm∼1550nm인 빛을 발생하며 출력이 1mW∼3mW 정도의 저출력 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 음향방출 센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 광센서의 외팔보의 길이가 2mm∼20mm 사이로 형성되어 100kHz∼1MHz의 음향방출 신호를 1kHz 부근의 신호로 변환시키는 것을 특징으로 하는 음향방출 센서.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 광섬유는 광원의 파장에 맞는 단일모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 음향방출 센서.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 증폭기는 증폭비가 10,000배∼100,000배이고, 상기 필터는 차단주파수가 광센서의 공진주파수와 같은 것을 특징으로 하는 음향방출 센서.