KR100733539B1 - 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치 및방법 - Google Patents
레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치 및방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 측정 대상물에 비접촉식으로 초음파를 발생시키고 발생된 초음파의 세기를 레이저를 이용하여 측정 대상물의 결정 입경 등을 측정할 수 있는 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 측정 대상물(30)의 표면에 펄스 빔 일부를 조사하여 초음파를 발생시키고, 펄스 빔의 다른 일부를 초음파 검지부위에 조사하여 스케일을 제거하는 펄스형 레이저(10); 상기 초음파에 의하여 국부적으로 변형된 측정 대상물(30)의 표면에서 광선이 반사되도록 초음파 검지부위에 연속적으로 광선을 조사하는 단일모드 레이저(60); 상기 반사된 광선을 간섭시키는 패브리-페로 간섭계(100); 상기 간섭된 광선으로부터 초음파 신호를 검지하는 광검지기(140); 및 상기 검지된 초음파 신호에 따라 측정 대상물(30)의 결정 입경 등을 계산하는 신호처리장치(150)를 포함하여 구성된 측정장치와 이를 이용한 측정방법으로 구성되어, 고온의 측정 대상물에 대해서도 초음파 세기의 측정 감도를 향상시킬 수 있게 된다.
펄스형 레이저, 초음파, 스케일, 연속파 레이저
Description
도 1은 일반적인 레이저를 이용한 초음파 측정장치의 구성을 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초음파 측정장치의 구성을 나타내는 개략도.
도 3은 스케일을 제거하지 않은 상태의 온도별 초음파 세기를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 스케일을 제거한 상태의 온도별 초음파 세기를 나타내는 그래프.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 펄스형 레이저 20, 70, 110 : 빛살가르개
30 : 측정 대상물 40, 50, 80, 90 : 거울
60 : 단일모드 레이저 100 : 패브리-페로 간섭계
120, 140 : 광검지기 130 : 피드백 회로
150 : 신호처리장치
본 발명은 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측정 대상물에 비접촉식으로 초음파를 발생시키고 발생된 초음파의 세기를 레이저를 이용하여 측정하되, 측정 대상물의 초음파 검지부위에 발생되는 스케일을 제거함으로써 고온의 측정 대상물에 대해서도 초음파 세기의 측정 감도를 향상시킬 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 고체 물체의 특성은 물체의 내부를 전파하는 초음파의 세기변화를 측정함으로써 구할 수 있다. 이러한 초음파를 이용한 특성평가는 측정대상을 변형시키지 않는 비파괴 검사이기 때문에 산업현장에서 유용한 계측 방법이다.
초음파의 세기를 측정하는 방법으로는, 접촉식 압전변환기를 이용하여 초음파를 인가함과 동시에 이를 이용하여 측정대상 내부를 전파한 초음파를 검지하는 방식이 주로 이용되어 왔다.
이와 같은 압전변환기를 이용한 비파괴 평가는 측정방법이 비교적 간단하고 초음파 에너지의 정량화가 용이한 장점이 있으나 측정방식이 접촉식이기 때문에 측정 대상물이 고온이거나 움직이는 대상에는 적용이 어렵다.
또 다른 방법으로 마이켈슨 간섭계는 초음파에 의한 표면변위를 측정할 수 있다. 이 방법은 거울에서 반사된 레이저 빔과 측정 대상물 표면에서 반사된 레이저 빔을 간섭시키게 되는데, 이 때 두 레이저 빔이 모이는 광검지기에서의 빛의 세기는 두 레이저 빔의 위상차에 따라 달라지며 이 위상차는 두 레이저 빔이 전파한 광경로차에 의해 결정된다.
따라서 측정 대상물 표면에 초음파가 도달하면 측정 대상물에서 반사되는 레이저 빔의 경로차가 발생하므로 두 레이저 빔의 위상차가 변하여 광검지기에서 측정되는 빛의 세기가 변하므로 초음파를 검지할 수 있다.
이 방법은 구성이 간단하고 신호의 해석이 간단한 반면, 측정 대상물 표면의 거칠기가 매우 작아야 하고 외부 진동에 매우 민감한 단점이 있어 산업현장에서의 활용은 어렵다.
한편, 또 다른 종래의 레이저를 이용한 초음파 측정방법 중 하나인 검지빛살 휨 방법이 있다. 이는 초음파가 측정 대상물 표면에 도달하면 표면에 국소적 기울기를 형성하므로 측정 대상물 표면에 레이저 빔이 조사되면 조사되는 레이저 빔의 반사방향을 편향시키게 되고, 이로 인하여 광검지기로 입사하는 레이저 빔의 광량이 변하므로 이로부터 초음파를 측정하는 방법이다.
도 1은 종래의 레이저를 이용한 초음파 측정장치를 나타내는 개략 구성도로서, 펄스레이저(1)로부터 측정하고자 하는 측정 대상물(2)에 레이저 펄스 빔을 입사시켜 초음파를 발생시키고, 발생된 초음파는 연속파레이저(continuous wave laser, CW 레이저 ; 4)를 이용하여 검지한다.
구체적으로 연속파레이저(4)에서 발생된 레이저 광선은 빛살가르개(3)에서 반사되어 측정 대상물(2)에 입사된 후 다시 측정 대상물(2) 표면에서 반사되어 상기 빛살가르개(3)를 통과한 후 패브리-페로 간섭계(5)를 거쳐 광검지기(6)에서 초음파 신호가 검출된다.
이러한 패브리-페로 간섭계(5)는 주파수 영역이 매우 넓으므로 초음파의 주파수에 따른 신호의 왜곡이 없어 데이터 해석을 위한 신호처리가 매우 용이한 특징이 있다.
그러나 위와 같은 종래의 장치는 주로 표면파 측정에 적합하며 종파나 횡파와 같은 부피음파의 측정을 위해서는 신호가 미약하며, 신호 크기가 표면의 거칠기 정도에 영향을 받는 단점이 있었다.
특히, 측정 대상물(2)의 표면 온도가 상승하여 1000℃ 이상의 고온이 되는 경우 측정 대상물(2) 표면에 스케일이 발생되고, 이에 따라 측정되는 초음파 신호의 강도는 매우 낮아져 이를 검지할 수 없게 되어, 고온의 측정 대상물에 대한 초음파 측정에는 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술상의 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 고온의 측정 대상물에 대해서는 스케일을 제거하기 위한 펄스형 레이저를 조사함으로써 측정 대상물의 온도에 무관하여 측정 대상물의 결정 입경 등을 측정할 수 있는 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치는, 레이저에 의하여 측정 대상물에 발생되는 초음파의 세기로부터 측정 대상물을 비접촉식으로 측정할 수 있는 장치에 있어서, 측정 대상물(30)의 표면에 펄스 빔 일부를 조사하여 초음파를 발생시키고, 펄스 빔의 다른 일부를 초음파 검지부위에 조사하여 스케일을 제거하는 펄스형 레이저(10); 상기 초음파에 의하여 국부적으로 변형된 측정 대상물(30)의 표면에서 광선이 반사되도록 초음파 검지부위에 연속적으로 광선을 조사하는 단일모드 레이저(60); 상기 반사된 광선을 간섭시키는 패브리-페로 간섭계(100); 상기 간섭된 광선으로부터 초음파 신호를 검지하는 광검지기(140); 및 상기 검지된 초음파 신호에 따라 측정 대상물(30)의 결정 입경 등을 계산하는 신호처리장치(150)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 펄스형 레이저(10)에 의하여 발진되는 펄스 빔의 일부는 측정 대상물(30)의 표면에 조사되고, 펄스 빔의 다른 일부는 측정 대상물(30)의 배면에 조사되도록 구성되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 펄스형 레이저(10)는, 발진되는 펄스 빔의 일부가 빛살가르개(20)에서 반사되어 측정 대상물(30)의 표면에 조사되고, 펄스 빔의 다른 일부는 2개의 거울(40, 50)을 통하여 측정 대상물(30)의 배면에 조사되도록 구성된다.
또한, 본 발명의 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정방법은, 레이저에 의하여 측정 대상물에 발생되는 초음파의 세기로부터 측정 대상물을 비접 촉식으로 측정하는 방법에 있어서, 측정 대상물(30)의 표면에 펄스 빔 일부를 조사하여 초음파를 발생시키고, 펄스 빔의 다른 일부를 초음파 검지부위에 조사하여 스케일을 제거하는 펄스형 레이저 조사단계; 상기 초음파 검지부위에 연속파 레이저를 조사하여 측정 대상물(30)에 발생된 초음파에 의하여 국부적으로 변형된 측정 대상물(30)의 표면에서 광선을 반사시키는 연속파 레이저 조사단계; 상기 초음파 검지부위에서 반사된 광선을 간섭시키는 간섭단계; 상기 간섭된 광선으로부터 초음파 신호를 검지하는 검지단계; 상기 검지된 초음파 신호로부터 측정 대상물(30)의 결정 입경 등을 계산하는 신호처리단계를 포함하여 구성된다.
이하에서는 본 발명의 구성에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴본다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 초음파 측정장치의 구성도로서, 측정 대상물(30) 내부에 초음파의 발진을 위해 고출력의 펄스형 레이저(10)를 사용하는데, 이러한 펄스형 레이저(10)에 발진되는 펄스 빔은 빛살가르개(20)에 의해 원하는 방향으로 진행 방향이 결정된 후 측정 대상물(30)의 표면에 입사하여 초음파를 발생시킨다.
즉, 시간적으로 짧은 펄스 폭을 갖는 펄스형 레이저(1)에서 발진된 펄스 빔이 측정 대상물(30)의 표면에 부딪쳐 표면 온도를 급격히 상승시킨 후 순간적으로 단열팽창을 일으켜 초음파를 발생시키는 것이다. 이런 초음파에 의해 측정 대상물(30)의 표면에서는 국소적인 표면변위가 발생하게 된다.
이와 같이 발생된 초음파를 본 발명에서는 측정 대상물(30)의 표면에서 패브리-페로 간섭계(100)를 이용하여 측정하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 단일모드 레이저(60)에서 발진된 광선을 빛살가르개(70)를 통과시킨 후 거울(80)로 반사시켜 측정하고자 하는 측정 대상물(30)의 표면에 입사시킨다.
측정 대상물(30)에 입사된 광선은 측정 대상물(30)에서 국부적으로 발생하는 표면변위에 따라 반사되어 거울(80), 빛살가르개(70) 및 거울(90)을 거쳐 패브리-페로 간섭계(100)에 입사된다.
상기 패브리-페로 간섭계(100)로 입사된 광선 중 측정 대상물(30)에서 반사되어 입사한 광선은 패브리-페로 간섭계(100) 내에서 왕복하며 간섭을 일으킨다.
그 결과 패브리-페로 간섭계(100)를 통과한 광선 중 일부는 빛살가르개(110)를 통과하여 광검지기(140)에서 초음파 신호가 검지되고, 이렇게 검지된 신호에 따라 신호처리장치(150)를 사용하여 결정입경을 구하게 된다.
이때 상기 패브리-페로 간섭계(100)를 통과한 광선 중 일부는 빛살가르개(110)에 반사되어 광검지기(120)에서 초음파 신호가 검지되고, 그 신호는 피드백 회로(130)에 의하여 패브리-페로 간섭계(100)에 피드백 된다. 이는 광선의 투과율이 패브리-페로 간섭계(100)의 길이에 매우 민감하므로 파장 변화를 측정하기 위하여 패브리-페로 간섭계(100)의 길이를 항상 일정하게 유지하여야 하는데, 이를 위하여 피드백 회로(130)가 사용된다.
한편, 펄스형 레이저(10)로부터 발생된 펄스 빔의 일부는 거울(40, 50)을 통하여 초음파 검지부위에 입사된다. 이와 같이 초음파 발생을 위하여 사용되는 펄스 빔의 일부를 초음파 검지부위에 입사시킴으로써 고온으로 인해 발생된 측정 대상물(30) 표면의 스케일을 제거할 수 있으며, 이로 인하여 고온의 경우에도 초음파의 측정 효율을 높일 수 있다.
이때, 상기 초음파 검지부위는 초음파 발생을 위하여 펄스 빔이 입사되는 측정 대상물(30)의 표면에 위치할 수도 있으나, 측정대상물(30)의 배면에 위치할 수도 있다. 이는 측정 목적에 부합하도록 선택적으로 사용할 수 있는 것이며, 각각의 경우 거울이나 빛살가르개 등의 배열을 다르게 함으로써 구성할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 일실시예는 초음파의 측정부위가 측정 대상물(30)의 배면에 위치한 경우이며, 도면 역시 이를 기준으로 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않음은 물론이다.
본 발명의 일실시예로부터 본 발명의 작용 및 효과를 확인하기 위한 실험으로서, 스케일 제거를 위하여 펄스 빔 일부를 초음파 검지부위에 조사하지 않은 경우(도 3)와, 본 발명의 실시예에 따라 펄스 빔 일부를 조사한 경우(도 4)로 나누어, 측정 대상물(30)의 온도를 변화시키면서 시간에 따른 초음파의 세기를 측정하였고, 그 결과를 도 3, 도 4의 그래프로 표시하였다.
먼저, 스케일을 제거하기 위하여 펄스 빔의 일부를 측정 대상물(30)에 조사하지 않은 경우에는 도 3의 그래프에서 보이는 바와 같이, 측정 대상물(30)의 온도가 1000℃가 되는 경우 초음파의 다중 반사에 의한 제1에코(1st echo)와 제2에코(2nd echo)를 검출할 수 없다. 이는 측정 대상물(30)의 온도가 높아질수록 초음파 검지부위에 스케일이 발생하여 초음파를 측정할 수 없게 되기 때문이다.
그러나 본 발명의 일실시예에 따라 펄스 빔 일부를 측정 대상물(30)에 조사하여 스케일을 제거한 경우 도 4에 나타나는 바와 같이, 1000℃는 물론 1200℃에서도 제1에코(1st echo)와 제2에코(2nd echo)를 명확하게 확인할 수 있었다. 이로부터 측정 대상물(30)의 온도에 영향을 받지 않고 초음파의 세기를 비접촉식 및 비파괴식으로 측정할 수가 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 형태에 관해 설명하였으나, 이는 단지 예시적인 것이며 본 발명의 기술적 사상의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치 및 방법에 의하면, 초음파 발생을 위하여 사용되는 펄스 빔의 일부를 고온으로 인해 발생된 측정 대상물 표면의 스케일 제거에 사용함으로써 고온의 측정 대상물에 대해서도 초음파의 세기를 높은 감도로 측정할 수 있어 측정 대상물에 대한 비접촉식 측정 효율을 현저히 높일 수 있는 효과가 있게 된다.
Claims (4)
- 삭제
- 삭제
- 레이저에 의하여 측정 대상물에 발생되는 초음파의 세기로부터 측정 대상물을 비접촉식으로 측정할 수 있는 장치에 있어서,측정 대상물(30)의 표면에 펄스 빔 일부를 조사하여 초음파를 발생시키고, 펄스 빔의 다른 일부를 초음파 검지부위에 조사하여 스케일을 제거하는 펄스형 레이저(10);상기 초음파에 의하여 국부적으로 변형된 측정 대상물(30)의 표면에서 광선이 반사되도록 초음파 검지부위에 연속적으로 광선을 조사하는 단일모드 레이저(60);상기 반사된 광선을 간섭시키는 패브리-페로 간섭계(100);상기 간섭된 광선으로부터 초음파 신호를 검지하는 광검지기(140); 및상기 검지된 초음파 신호에 따라 측정 대상물(30)의 결정 입경 등을 계산하는 신호처리장치(150)를 포함하여 구성되고,상기 펄스형 레이저(10)에 의하여 발진되는 펄스 빔의 일부는 측정 대상물(30)의 표면에 조사되고, 펄스 빔의 다른 일부는 측정 대상물(30)의 배면에 조사되며,상기 펄스형 레이저(10)는, 발진되는 펄스 빔의 일부가 빛살가르개(20)에서 반사되어 측정 대상물(30)의 표면에 조사되고, 펄스 빔의 다른 일부는 2개의 거울(40, 50)을 통하여 측정 대상물(30)의 배면에 조사되도록 구성됨을 특징으로 하는 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정장치.
- 레이저에 의하여 측정 대상물에 발생되는 초음파의 세기로부터 측정 대상물을 비접촉식으로 측정하는 방법에 있어서,측정 대상물(30)의 표면에 펄스 빔 일부를 조사하여 초음파를 발생시키고, 펄스 빔의 다른 일부를 초음파 검지부위에 조사하여 스케일을 제거하는 펄스형 레이저 조사단계;상기 초음파 검지부위에 연속파 레이저를 조사하여 측정 대상물(30)에 발생된 초음파에 의하여 국부적으로 변형된 측정 대상물(30)의 표면에서 광선을 반사시키는 연속파 레이저 조사단계;상기 초음파 검지부위에서 반사된 광선을 간섭시키는 간섭단계상기 간섭된 광선으로부터 초음파 신호를 검지하는 검지단계;상기 검지된 초음파 신호로부터 측정 대상물(30)의 결정 입경 등을 계산하는 신호처리단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저를 이용한 고온 측정 대상물의 초음파 측정방법.
Priority Applications (1)
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