KR100344344B1 - 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기에 관한 것으로, 보다 상세히는 대상물의 변형 정보를 계측하는데 있어서 보다 정확하고, 대상물의 손상을 유발하지 않는 레이저를 이용한 계측기에 관한 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 레이저로부터 광을 유도하는 광유도 케이블과 케이블 고정장치와; 광을 물체광과 참조광으로 분배하는 광분리기와; 광을 확산시키기 위한 광확산기와; 대상물에 광을 확산하면서 직접 조사하는 오목거울설치 아암과; 물체광과 참조광의 변위정보를 받아들이는 렌즈가 부착된 카메라와; 카메라의 촬영을 조절하는 제어부가 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기가 제공된다.

Description

휴대용 비파괴 비접촉 광계측기{Potable Nondestructive and Noncontact Optical Measurement System}

본 발명은 광계측기에 관한 것으로, 보다 상세히는 대상물의 변형의 정도나 결함의 검출을 하는 방법으로서 보다 정밀한 결과를 획득하고 이를 이동이 가능한 수단으로 하는 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기에 관한 것이다.

현재의 과학기술 발달의 추세는 소형화, 고정밀화 등으로 대별되며, 사용자가 사용의 편리성을 갖춘 장비가 요구된다. 이러한 목적의 장비들이 지속적으로 개발되는데 방사선투과검사, 자분탐상검사, 침투탐상검사 등은 세심한 주의를 하지 않으면 인체 또는 대상물에 치명적인 손상을 일으킬 수 있으며, 압력용기나 복합재에 발생한 결함 및 변형의 정도를 검출하는 방법은 기존의 검사 방법으로도 가능하나 원자로 압력용기내의 미세한 기공이나 균열, 항공기의 동체나 날개에 사용된 복합재가 얇은 조각으로 갈라지는 현상인 박리(delamination), 새와 같은 부드러운 물체의 충격에 의한 손상 정도 등의 검출 등에는 어려움이 있으며, 측정의 정밀도 또한 밀리미터단위로 제한을 받는다. 이러한 이유로 레이저 광을 이용하는 방법이 개발되었는데 미국특허 5,920,017에 따르면 유동 온도 지시 코팅을 이용한 잔류응력을 측정하는 방법이 개발되었다. 이 방법은 대상물의 잔류응력을 쉽게 가시화하 수 있지만 이 방법은 대상물에 코팅을 해야하는 단점이 있다. 또한 미국 특허 5,419,405에 따르면 펄스레이저를 이용하여 대상물의 진동특성을 해석하는 방법을 개발하였는데 이는 진동특성을 정밀하게 측정할 수 있으나 고가의 펄스레이저를 사용해야 한다. 따라서 검사대상의 형상, 주변조건에 제한을 받지 않으며 마이크로미터단위의 고정밀도로 대상물의 변형 정도를 측정하고, 통상 사용되는 연속 레이저를 사용하여 사용자가 이를 쉽게 이해할 수 있도록하는 비접촉에 의한 방법이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점에서 착안하여 제안된 것으로, 그 목적은 대상물의 변형의 정보나 결함의 정보를 비파괴 비접촉식으로 측정하며, 사용자로 하여금 사용이 편리하고 이동이 가능하게 하는 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 광자를 이용하는 방법으로서 레이저의 여러 가지 특성 중 가간섭성, 직진성 등을 이용하며, 또한 컴퓨터 기술의 발달로 이미지의 실시간 처리가 가능하여 현장에서 실시간으로 결과의 출력이 가능하다. 레이저로부터 광을 유도하는 광유도 케이블과 케이블 고정장치와; 광을 물체광과 참조광으로 분배하는 광분리기와; 광을 확산시키기 위한 광확산기와; 대상물에 광을 확산하면서 직접 조사하는 오목거울설치 아암과; 물체광과 참조광의 변위정보를 받아들이는 렌즈가 부착된 카메라와; 카메라의 촬영을 조절하는 제어부가 포함되어 구성된 것을 특징으로 하는 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기가 제공된다.

도 1은 본 발명의 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기를 나타낸 사시도

도 2는 본 발명의 주요부인 광확산용 오목거울과 아암의 평면도

도 3은 계측장치와 화상처리 장치 및 위상이동 제어장치 구성도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 광유도 케이블 110 : 광유도 케이블 고정장치

120 : 입출력 단자 및 케이블 120' : 입출력 단자 및 케이블

200 : 편광기능 광분배기 200' : 편광기능 광분배기

210 : 광결합기 220 : 거울

220' : 거울 230 : 광확산용 렌즈

230' : 광확산용 렌즈 240 : 반사광 수광창

300 : 압전소자 거울 310 : 광확산기

320 : 광 검출기 330 : 씨씨디 카메라

400 : 광조사방향 조절나사 410 : 광확산용 오목거울

420 : 외장결합용 아암

이하 본 발명인 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명인 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기를 나타낸 사시도이고,

도 2는 본 발명의 주요부인 광확산용 오목거울과 아암의 평면도이다.

도시한 바와 같이 본 발며의 실시예에 따른 휴대용 비파고 비접촉 광계측기는 레이저 광이 유도되는 광유도 케이블(100)과, 광유도 케이블을 외장에 결합하는 광유도 케이블 고정장치(110)와, 유도된 레이저 광을 분배하는 광분배기(200)(200')와, 분배된 광을 반사하는 거울(220)(220')과, 거울에서 반사된 광을 확산시켜주는 광확산용 렌즈(230)(230')와, 확산된 광을 2차확산하는 광확산용 오목거울(410)과, 확산된 관의 조사방향을 조절하는 광조사방향 조절나사(400)와, 오목거울(410)을 본체에 고정하는 아암(420)과, 레이저 광의 위상의 변화를 조절하는 압전소자 거울(300)과, 면외 변위계측시에 본체 내부에서 광을 확산하는 광확산기(310)와, 레이저광량을 검출하는 광검출기(320)와, 반사광 수광창(240)을 통하여 광결합기(210)에서 결합된 광에 대한 이미지를 결상하는 씨씨디 카메라(330)로 구성된 것으로, 상기 광확산용 오목거울(410)에서 광을 조사하여 대상물에 손상을 주지 않고 비파괴 비접촉으로 대상물의 변형의 정보 또는 결함을 정보를 반사광 수광창(240)을 통하여, 씨씨디 카메라(330)에 결상된 이미지를 화상처리를 통하여 실시간으로 얻을 수 있도록 구성되어 있다.

상기 광유도 케이블(100)은 광유도 케이블 고정장치(110)에 의하여 본체에 고정되며, 광분배기(200)(200') 및 거울(220)(220'), 광확산용 렌즈(230)(230')는 광유도 케이블(100)의 높이와 중심이 일치하도록 고정되며, 압전소자 거울(300)과 광검출기(320)는 수광부의 중심이 광의 중심과 일치하도록 고정되며, 광확산기(310)는 바늘구멍에 광이 통과하도록 중심에 정확이 일치하도록 구성되며,본체에 고정되는 아암(420)에 부착되어 있는 광확산용 오목거울(410)은 광조사방향 조절나사(400)로 조절이 가능하도록 되어있으며, 대상물에 광이 반사하여 수광되는 반사광 수광창(240)은 반사광의 광량을 감소시키지 않는 투명한 재료로 되어있으며 먼지와 이물의 침투를 방지하도록 본체에 접착되어 있으며, 수광된 광으로 이미지를 결상하는 씨씨디 카메라(330)은 외부진동에 둔감하도록 구성되어있다.

이와 같이 구성된 본 발명이 휴대용 비파고 비접촉 광계측기는 작용은 다음과 같다. 광유도 케이블(100)에서 유도된 광은 광분배기(200)에서 둘로 분배되고, 둘로 분배된 광중에서 직진하는 광은 거울(220')과 광확산용 렌즈(230')를 통하여 1차확산되고 광확산용 오목거울(410)을 통하여 2차확산되며 대상물에 조사된다. 둘로 분배된 광중에서 다른 하나는 거울(220)과 광분배기(200')를 통하여 2차분배되며 압전소자 거울(300)에서 위상변화에 대한 정보를 입출력 케이블 및 단자(120')를 통하여 컴퓨터에 입력되며, 다른 분배광은 면내 변위 측정시 3차 광분배기를 통하여 광검출기(320)에서 광량을 측정하며, 다른 하나는 거울(220')과 광확산용 렌즈(230'), 광확산용 오목거울(410)을 통하여 대상물에 조사된다. 면외 번위를 측정할 때는 3차 광분배기(200')를 통과과 광이 4차 분배기(200')를 통하여 광확산기(310)의 바늘구멍을 통하여 광이 확산되며 거울(220')을 통하여 광결합기(210)로 입력된다. 면내 변위 정보나 면외 변위 정보 모두 광을 결합한 상태에서 씨씨디 카메라(330)에 수광되어 결상되고 결상된 이미지를 컴퓨터에서 저장한다.

[실시예]

도 5는 본 발명인 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기에 의해 도 4와 같은 맞대기 용접부의 기계적 거동 중 용접부의 변형율을 보여주고 있으며 도 5의 줄무늬는 용접에 나타나는 변형율의 분포 및 응력의 분포를 가시적으로 보여준다. 도 7과 도 8은 본 발명에 의해 도 6과 같은 볼트 체결부의 기계적 거동해석의 결과를 정량화된 3차원 변형율그래프로 보여주고 있으며 도 7은 도 6의 정량화된 3차원변형율을 나타내며 도 8은 변형률분포와 변형 전의 실제 사진을 합성하여 보여준다.

본 발명의 광자를 직접 이용하므로 간섭성, 직진성, 집속성이 우수하여 초고온, 초저온, 다습, 방사선, 고전압, 고전류 등의 열악한 환경에 있는 대상물에도 적용이 가능하며, 대상물의 형상이 복잡하거나, 접촉을 할 수 없는 연질의 대상물도 측정이 가능하다. 또한 컴퓨터 기술의 발달과 화상처리 기법의 향상으로 측정결과를 현장에서 실시간으로 출력할 수 있다. 또한 검사 또는 계측을 위하여 전처리가 필요하지 않으며, 검사결과의 출력이 이미지로 나타나기 때문에 비전문가도 그 결과를 쉽게 이해할 수 있다. 검사결과의 정밀도는 마이크로 단위의 측정이 가능하며, 대상물을 부분 측정하여 전체영역에 이용하는 방법과는 달리 대상물 전영역을 동시에 검사 계측할 수 있다. 또한 대상물을 비접촉하여 검사 계측을 실시하였으므로 대상물자체에 대한 후처리가 필요하지 않다.

이러한 휴대용 비접촉 비파괴 광계측기는 계측의 산업 전반에 대한 응용범위가 넓다. 전자제품의 제조라인 상에서 제품의 품질 수준의 향상, 철교 및 철탑과 같은 구조물의 결함 측정 및 수명예측, 공작기계의 변형해석 및 안전진단에 이용가능하다.

또한 제작된 시작품의 형상을 측정하여 원형제품과 비교하고 제품의 생산공정 라인에서 신제품의 품질검사에 이용하므로 제품의 생산에 있어서 시간적 경제적 인적자원의 효율적 이용이 가능, 측정에 대한 선행처리 및 검사후 처리가 간단하여 비전문가도 사용이 가능한 계측시스템의 구축가능, 대형 구조물(교량, 철탑)의 상시 안전 진단 감시 시스템의 운용이 가능하다. 현재 레이저를 이용한 응용 계측 기술은 레이저 가공 기술과 접목되어 레이저를 이용한 생산기술의 효율성을 재래 방법에 비해 접합, 절단의 신뢰성이 크게 향상될 뿐만 아니라 신소재의 성분분석이나 복합재로 구성된 제품의 결함 검출이 용이하게 되는 등 생산분야에서 새로운 기술혁신을 유발한다.

Claims (3)

1. 대상물에 조명광을 조사하고, 상기 조명광에 의하여 대상물의 표면에서 발생된 반사광을 수광창(240)을 통하여 입력하여 대상물의 변형 전의 제 1차 입력 화상에 의한 기본 정보와 대상물의 변형 후의 제 2차 입력 화상의 비교 정리에 의한 대상물의 변위 정보의 검출방법으로 면내 변위 정보를 계측할 수 있는 한 쌍의 광확산용 렌즈(230)(230')와 광확산용 오목거울(410)을 사용하고, 면외 변위 정보를 계측할 수 있는 내부 광확산기(310)를 사용하고, 결함의 검출을 위하여 압전소자 거울(300)과 거울(220')을 이용하는 것을 통합한 것을 특징으로 하는 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기
2. 제 1항에 있어서 대상물에 조명광을 조사하는 방법으로 광확산용 오목거울(410)의 방향을 조절하는 광확산용 조절나사(400)를 이용하는 것을 특징으로 하는 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기
3. 제 1항에 있어서 면내 변위 정보를 계측하는 방법으로 대상물의 조명광을 조사를 광확산기 대용으로 광확산용 렌즈를 사용하는 것을 특징으로 하는 휴대용 비파괴 비접촉 광계측기