KR100797354B1 - 산업용 레이저 속도 측정장치 - Google Patents

산업용 레이저 속도 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산업용 레이저 속도 측정장치에 관한 것으로서, 디지탈 신호 처리(DSP) 통합 보드 기술을 이용하여 센서와 프로세서를 분리하지 않고 일체형으로 통합하여, 산업현장에서 안정적이고 용이하게 강판의 속도측정이 가능하도록 한 것이다.
본 발명은, 속도 측정을 위한 복수 개의 레이저 빔을 강판에 조사하여 산란 광을 검출하고, 상기 산란 광으로부터 강판의 이동속도 및 길이를 연산하여 출력하는 속도 측정 센서 부를 포함하고, 상기 속도 측정 센서 부는, 속도 측정을 위한 복수 개의 레이저 빔을 주행 강판에 조사하는 레이저 빔 조사수단과, 상기 복수 개의 레이저 빔에 의해 강판에서 산란되는 광을 검출하는 산란 광 검출수단과, 상기 검출된 산란 광으로부터 주행 강판의 이동속도 및 길이를 연산하여 출력하는 속도연산수단, 및 상기 속도 연산수단에서 출력되는 연산 결과를 사용자의 요구에 맞는 TCP/IP 통신수단 또는 무선 통신수단을 통해 출력 가능한 신호로 변환하는 유저 인터페이스 수단을 포함하는 산업용 레이저 속도 측정장치를 제공한다.
레이저 빔, 속도, 측정, 산란 광, 일체형, 속도계

Description

산업용 레이저 속도 측정장치{Industrial laser speed measurement apparatus}
도 1은 움직이는 입자 또는 물체에 입사광이 산란되었을 때의 도플러 효과를 설명하기 위한 참고도
도 2는 통상적인 레이저 속도계에서 두 개의 레이저 빔이 중첩되었을 때의 이송속도 측정을 위한 원리의 이해를 돕기 위한 참고도
도 3은 종래 기술에 의한 레이저 속도 측정장치의 개략 구성도
도 4는 종래의 다른 기술에 의한 레이저 속도 측정장치의 개략 구성도
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 산업용 레이저 속도 측정장치의 개략도
도 6은 도 5의 속도 측정 센서 부에 내장되는 속도 연산수단의 내부 구성을 예시한 블록도
도 7은 도 5의 속도 측정 센서 부에 내장된 속도 연산수단에서 이루어지는 속도 측정방법에 대한 동작 흐름을 예시한 순서도
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 강판 105 : 전원
107 : 표시부 110 : 속도 측정 센서 부
111 : 레이저 다이오드 112,113 : 빔 스프리터(beam splitter)
114,115 : 거울 116,117 : 레이저 빔
118,119 : 필터 렌즈 120 : 산란 광
121 : 수광 렌즈 122 : 포커싱 렌즈
123 : 광 검출기 124 : 광 증폭기
125 : 속도연산수단 125a : 성분 분석부
125b : 강판 유/무 검출 부 125c : 강판 속도/길이 연산 부
126 : 유저 인터페이스 수단
본 발명은 산업용 레이저 속도측정장치에 관한 것으로, 특히 제철공정에서 레이저를 이용하여 강판의 이송속도를 측정함에 있어 DSP(Digital Signal Processor)통합 보드 기술을 이용하여 센서와 프로세서를 분리하지 않고 일체형으로 통합하여 구성함으로써 산업현장에서 보다 안정적이면서도 용이하게 속도 측정이 가능하도록 한 산업용 레이저 속도 측정장치에 관한 것이다.
통상적으로 레이저를 이용한 종래의 속도측정장치는 도플러 효과와 맥놀이 현상을 이용한다. 도 1은 움직이는 입자(6a) 또는 물체(6b)에 입사광이 산란 되었 을 때의 도플러 효과를 설명하기 위한 참고도로서, 도 1에 도시된 바와 같이 움직이는 입자(6a) 또는 물체(6b)에 입사된 광선의 주파수(fi)와 산란된 광선의 주파수(fs)와의 차이는 움직이는 입자 또는 물체의 속도(
Figure 112006052596366-pat00001
)에 따라서 일정하게 아래의 수학식1과 같이 비례한다.
Figure 112006052596366-pat00002
여기서, fs는 산란 광의 주파수이고, fi는 입사광의 주파수이고, λi는 입사광의 파장이고,
Figure 112006052596366-pat00003
는 피측정물의 속도이고,
Figure 112006052596366-pat00004
는 산란 광의 단위벡터이고,
Figure 112006052596366-pat00005
는 입사광의 단위벡터이다.
또한 상기 수학 식1에서 fs를 도플러 주파수 fd 라 한다. 이러한 도플러 주파수는 움직이는 물체에 빛이 부딪친 후의 주파수 변화량을 의미하나 fs와 fi는 거의 1016[Hz] 단위이므로 산란 광의 주파수인 fs는 아무리 성능이 좋은 광검출기(Photo detector)를 사용한다 할지라도 직접 검출할 수 없다. 따라서 도플러 주파수를 알아내기 위하여 광검출기로 직접 검출하는 대신 광학장치를 사용하여 입사 광과 산란 광을 중합시키거나 혹은 서로 다른 두 산란 광을 중합시키면 맥놀이 주파수(Beat frequency; fb)가 나타나는데, 이는 106[Hz] 단위이기 때문에 광 검출기로 검출이 가능하다. 즉, 두 개의 레이저 빔을 간섭시켜 낮은 주파수의 맥놀이(beating) 현상을 발생시킨다. 이때 맥놀이 주파수(fb)와 도플러 주파수(fd)는 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112006052596366-pat00006
또한, 레이저 속도계의 이송속도는 수학식 3과 같다.
d=λ/2sin K, V=d*t, t =1/fd
여기서, fd는 도플러 주파수, t는 주기, d는 레이저 빔 교차점에서 측정되는 줄무늬 간격, λ는 레이저 빔의 파장(예, 650nm), V는 강판의 이속속도, K는 두 개의 레이저빔이 중첩되는 각도의 1/2이다.
도 2에는 이러한 원리의 이해를 돕기 위한 참고도가 도시되어 있으며, a)는 두 개의 레이저 빔의 중첩각도의 1/2인 K값이, b)는 빔 교차점에서의 줄무늬 간 격(d)이, c)는 주파수의 전기적인 신호가 도시되어 있다. 따라서 상기의 수학식 3을 이용하면 주행하는 강판의 이송속도(V)를 알 수가 있으며, 이와 같은 원리와 수학식을 이용하여 강판의 이송방향 및 속도를 측정하는 종래의 통상적인 레이저 속도계는 도 3과 도 4와 같이 구성되어 있다.
먼저, 도 3에 도시되 바와 같이 종래의 레이저 속도계는 측정대상인 강판(6)과 근접하게 위치하는 센서 헤드(10)와, 이런 센서 헤드(10)에서 감지한 산란 광의 세기를 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단(11) 및, 이런 센서 헤드(10)의 구성요소와 속도측정수단(11)을 서로 연결하는 전기 케이블(12)로 구성되어 있다.
도 3에 도시된 종래의 레이저 속도계는 반도체 레이저(1)에서 발생된 주파수(f)를 갖는 레이저 빔은 빛살 가르개(2)에 의해 두 개의 빔으로 분리된 후, 빛살 조절기(3; beam steering optics)에 의해 각각 측정대상인 강판(6)의 동일위치에 조사된다. 이때, 강판(6)은 V의 속도로 이송되는 상태이다. 이런 강판(6)에서 산란된 두 레이저 빔(4,5)의 산란 광(7)은 그 세기가 검출기(8)에 의해 전기적인 신호로 변환된다. 이런 산란 광(7)에는 강판(6)으로 조사되는 두 레이저 빔의 산란 광이 혼합되어 있으며, 이 두 산란 광은 서로 간섭을 일으킨다. 이러한 간섭효과에 의한 광검출기(8)의 출력은 PCB 보드(9)를 통해 전기 케이블(12)에 의해 속도측정수단(11)에 전송되며, 이 속도측정수단(11)에서 강판(6)의 이송속도가 계산된다.
이와 같은 레이저를 이용하는 속도계에 있어서 중요한 점은 강판으로 조사되는 두 레이저 빔(4,5)의 편광(polarization) 방향이 동일해야 한다는 것이다. 일반적으로 반도체 레이저의 출력 빔은 하나의 방향으로 편광되어 있다. 즉, 도 3에 도시된 레이저 속도계에서는 빛살 가르개(2) 및 빛살 조절기(3)가 레이저 빔의 편광 방향을 그대로 유지하기 때문에, 강판(6)으로 조사되는 두 레이저 빔(4, 5)의 편광방향은 동일하게 된다.
그러나, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 종래의 레이저 속도계를 산업현장에 사용할 경우에는 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 통상적으로 산업현장에서 상기 센서 헤드(10)는 강판(6)의 생산라인에 근접되어 설치되고, 속도측정수단(11)은 운전실에 설치되므로 전기 케이블(12)의 길이가 매우 길며 이에 따라 측정 신호의 감쇠, 전기적 잡음 유입과 같은 문제점이 상존한다.
둘째, 상기 센서 헤드(10) 내에는 반도체 레이저(1)와 광검출기(8), 그리고 이를 구동하기 위한 PCB 보드(9)와 같은 전기적 장치들이 다수 장착되어 있고, 속도측정수단(11) 내에는 속도를 계산 및 처리하기 위한 수많은 고가의 프로세서 칩등이 장착된 PCB와 장치들로 구성되어 있으므로 고장요인이 많다는 단점이 있다.
셋째, 상기 센서 헤드(10)와 속도측정수단(11)의 구성이 복잡하고 전자소자들이 많아 발열이 높으며, 이러한 발열로 인해 PCB보드와 속도 측정 센서 부의 열화 발생에 의한 센서와 부품들의 수명단축 등의 문제점이 있다.
또한 이에 대한 부수적인 열화 방지 장치들이 복잡하게 추가된다.
한편, 도 4와 같은 종래의 또 다른 레이저 속도계는 운전실(20)에 설치되는 다수의 장치들과, 측정대상인 강판(6)에 근접하게 설치되는 센서 헤드(40)와, 상기 센서 헤드(40)의 구성요소와 운전실(20)의 장치들을 서로 연결하는 다수의 광섬유(31,32)로 구성되어 있다.
상기 운전실(20)에는 레이저 빔을 출력하는 반도체 레이저(21)와, 이런 반도체 레이저(21)에서 하나의 방향으로 선편광되게 출력되는 레이저 빔에서 편광성을 제거하는 편광 변환기(22)와, 반도체 레이저(21)에서 출력된 후 강판(6)에서 산란된 산란 광의 세기를 검출하는 광검출기(23) 및, 이런 광검출기(23)에서 검출한 산란 광의 세기를 통해 강판(6)의 이송속도를 측정하는 속도측정수단(24)이 각각 설치되어 있다.
상기 편광 변환기(22)는 통과하는 빛이 모든 방향으로 균일한 편광방향을 갖게 한다. 그리고, 상기 센서 헤드(40)는 편광 변환기(22)와 광섬유(31)로 연결되어 있으며, 편광된 레이저 빔을 수집하는 제 1 빔 콜리메이터(41; beam collimeter)와, 이런 빔 콜리메이터(41)에 수집된 레이저 빔을 2개의 빔으로 분할하는 프리즘(42)과, 이 프리즘(42)을 통해 각각 분할된 2개의 레이저 빔(47,48)이 강판(6)의 동일지점에 조사되도록 각각 반사하는 거울(43,44)과, 이런 거울(43,44)에 의해 강판(6)에 조사되는 빔 중 어느 하나(48)를 편광방향으로 90도 회전시키는 편광회전기(46)와, 강판(6)에서 산란된 산란 광(45)을 수집하는 제 2 빔 콜리메이터(49)가 각각 설치되어 있다. 이 빔 콜리메이터(49)는 광섬유(32)에 의해 운전실에 설치되 는 광검출기(23)에 연결되어 있고 광검출신호는 속도측정수단(24)에 의해 처리되어 이송속도의 계산이 가능하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이 구성된 종래의 레이저 속도계를 산업현장에 사용할 경우에는 다음과 같은 단점이 있다.
첫째, 통상 산업현장에서 센서 헤드(40)는 강판(6)의 생산라인에 근접되어 설치되고, 속도측정수단(24)은 운전실에 설치되므로 광 케이블(32)의 길이가 매우 길며, 이에 따라 신호의 광 잡음 유입과 같은 문제점이 상존한다.
둘째, 센서 헤드(40)와 운전실에 설치된 광검출기(23)를 연결하는 광섬유 케이블(32)의 코어의 표준 직경은 멀티코어인 경우 62.5[㎛], 싱글코어인 경우 9[㎛]로 통상 산업용 광학기의 경우 멀티 코어를 주로 사용하나 일반적인 광 수광소자(코어직경 1[㎜])에 비해 수십 배 이상 직경이 적음으로써 피 측정 재질의 미세한 진동, 슬립 등에 의해서 광신호가 광섬유 케이블(32)의 코어중심으로부터 벗어나는 문제점이 있다.
셋째, 광섬유 케이블(32)의 코어로 입력되는 광 신호량이 적어 광검출 신호세기가 약하기 때문에 강판(6)의 표면 조도에 따라 검출이 안되는 문제점이 있다. 즉 표면 밝기가 어두울수록 검출신호가 약해지는 문제점이 있다.
넷째, 콜리메이터(49)로부터 광 신호를 수집해 광섬유 케이블(32)로 전송하는 과정에서 광섬유 케이블(32)의 코어에 정확히 광 신호를 맞추기가 어려운 문제점이 있다.
또한 상기와 같은 종래의 속도측정 수단을 산업용 레이저 속도측정장치에 내장함에 있어서, 가장 큰 문제점은 기존의 속도측정수단 내에는 센서 RF 보드, 센서 컨트롤 보드, 마이크로 프로세서 보드, 스테이터스 보드, 속도와 길이 출력 보드, 외부 인터페이스 보드 등 수많은 PCB로 이루어져 있고, 따라서 속도 측정 센서 부의 크기가 커져서 산업현장에서의 설치공간, 내부 발열 등을 고려할 때 적용하기가 어렵다는 것이다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 제철공정에서 레이저를 이용하여 강판의 이송속도를 측정함에 있어 디지탈 신호 처리(DSP) 통합 보드 기술을 이용하여 센서와 프로세서를 분리하지 않고 일체형으로 완벽하게 통합함으로써, 산업현장에서의 속도 측정을 보다 안정적이고 용이하게 할 수 있는 산업용 레이저 속도 측정장치를 제공하는 데 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
동력을 제공하는 전원;
상기 전원에 연결되고, 속도 측정을 위한 복수 개의 레이저 빔을 강판에 조사하여 산란 광을 검출하며, 상기 산란 광으로부터 강판의 이동속도 및 길이를 연 산하여 출력하는 속도 측정 센서 부; 및
상기 속도 측정 센서 부에서 측정된 값을 외부로 출력하는 표시부;를 구비한 것을 특징으로 하는 산업용 레이저 속도 측정장치를 제공한다.
상기 본 발명에 의한 산업용 레이저 속도 측정장치에서 상기 속도 측정 센서 부는, 속도 측정을 위한 복수 개의 레이저 빔을 주행 강판에 조사하는 레이저 빔 조사수단과, 상기 복수 개의 레이저 빔에 의해 강판에서 산란되는 광을 검출하는 산란 광 검출수단과, 상기 검출된 산란 광으로부터 주행 강판의 이동속도 및 길이를 연산하여 출력하는 속도연산수단을 포함하여 일 실시 예를 구성할 수 있으며, 게다가 상기 속도연산수단에서 출력되는 연산 결과를 사용자의 요구에 맞는 TCP/IP 통신수단 또는 무선 통신수단을 통해 출력 가능한 신호로 변환하는 유저 인터페이스 수단을 더 포함하여 다른 실시 예를 구성할 수도 있을 것이다.
상기 본 발명의 각 실시 예에 의한 산업용 레이저 속도 측정장치에서, 상기 레이저 빔 조사수단은, 레이저 빔을 방출하는 레이저 다이오드와, 레이저 다이오드에서 출력되는 하나의 레이저 빔을 편광방향이 다르고 크기가 동일한 두 개의 레이저 빔으로 분할하는 1,2차 빔 스프리터와, 상기 1, 2차 빔 스프리터를 통해 분할된 2개의 레이저 빔이 강판의 동일지점에 조사되도록 각각 반사하는 거울과, 상기 분할된 두 레이저 빔의 원하는 파장대만을 통과시키는 필터 렌즈로 구성될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 각 실시 예에 의한 산업용 레이저 속도 측정장치에서, 상기 산란 광 검출수단은, 산란 광을 수집하는 수광 렌즈와, 상기 수광 렌즈를 통해 수집된 산란 광을 집광시키는 포커싱 렌즈와, 상기 집광된 산란 광을 검출하는 광 검출기와, 상기 검출된 산란 광을 증폭하여 아날로그 형태로 상기 속도연산수단에 전송하는 광 증폭기로 구성될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 각 실시 예에 의한 산업용 레이저 속도 측정장치에서, 상기 속도 연산수단은, 수집된 산란 광의 성분을 분석하여 교류 주파수 성분과 직류성분으로 분리하는 성분 분석부와, 상기 분석된 직류성분을 기준치와 비교하여 강판 유/무를 판단하는 강판 유/무 검출부와, 상기 분석된 교류 주파수 성분을 일정 주기로 샘플링하여 도플러 주파수를 산출하고 상기 산출된 주파수값으로부터 강판의 이송 속도 및 길이를 연산하는 강판 속도/길이 연산 부로 구성될 수 있을 것이다.
아래에서, 본 발명에 따른 산업용 레이저 속도 측정장치의 양호한 실시 예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 산업용 레이저 속도 측정장치(150)의 개략도로서, 동력을 제공하는 전원(105)을 구비하고, 상기 전원(105)에 연결되며, 속도 측정을 위한 복수 개의 레이저 빔(116,117)을 강판(100)에 조사하고 강판의 산란 광(120)을 검출하여 그 검출된 산란 광(120)으로부터 강판의 이동속도 및 길 이를 연산하여 출력하는 속도 측정 센서 부(110)를 구비하고 있다.
또한, 상기 속도 측정 센서 부(110)에서 측정된 값을 외부로 출력하는 표시부(107)를 포함하는 구성이다.
상기 동력을 제공하는 전원(105)은 레이저 다이오드(111)의 구동 동력원으로서 예를 들면, 교류 ±18 Volt를 제공하고, 직류 변환기(18a)를 통하여 상기 레이저 다이오드(111)에 직류를 공급한다.
상기 속도 측정 센서 부(110)는 레이저 빔을 방출하는 레이저 다이오드(111)와, 레이저 다이오드에서 출력되는 하나의 레이저 빔을 편광방향이 다르고 크기가 동일한 두 개의 레이저 빔으로 분할하는 1,2차 빔 스프리터(112,113)와, 상기 1, 2차 빔 스프리터를 통해 분할된 2개의 레이저 빔이 강판의 동일지점에 조사되도록 각각 반사하는 거울(114,115)과, 상기 분할된 두 레이저 빔의 원하는 파장대만을 통과시키는 필터 렌즈(118,119)로 구성되는 레이저 빔 조사수단(109a)을 포함한다.
그리고 상기 속도 측정 센서 부(110)는 강판으로부터 산란 광(120)을 수집하는 수광 렌즈(121)와, 상기 수광 렌즈를 통해 들어온 산란 광을 집광시키는 포커싱 렌즈(122)와, 상기 집광된 산란 광을 검출하는 광 검출기(123)와, 상기 검출된 광신호를 증폭하여 아날로그 형태로 속도 연산수단에 전송하는 광 증폭기(124)로 구성되는 산란 광 검출수단(109b)을 포함한다.
또한 상기 속도 측정 센서 부(110)는 상기 광 증폭기(124)에서 출력되는 아날로그 신호인 광신호를 입력으로 하여 주행 강판의 이동속도와 길이를 연산하여 출력하는 속도 연산수단(125)을 포함한다.
또한 상기 속도 측정 센서 부(110)는 상기 속도 연산수단(125)에서 출력되는 연산 결과를 사용자의 요구에 맞는 TCP/IP 통신수단 또는 무선 통신수단을 통해 출력 가능한 신호로 변환하는 유저 인터페이스 수단(126)을 구비한다.
도 6은 속도 측정 센서 부(110)에 내장되는 속도 연산수단(125)의 내부 구성을 예시한 블록도로서, 상기 속도 연산수단(125)은 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 수집된 산란 광의 성분을 분석하여 교류와 직류 성분으로 분리하는 성분 분석부(125a)와, 상기 분석된 직류성분을 기설정된 기준치와 비교하여 강판 유/무를 판단하는 강판 유/무 검출부(125b)와, 상기 분석된 교류의 주파수 성분을 일정 주기로 샘플링하여 도플러 주파수를 산출하고 상기 산출된 주파수값으로부터 강판의 이송 속도 및 길이를 연산하는 강판 속도/길이 연산부(125c)를 포함한다.
이러한 속도 측정장치(150)에서 상기 속도 측정 센서 부에 의해 이루어지는 속도 측정방법은, (a) 하나의 레이저 빔으로부터 동일한 크기와 위상을 가진 두 개의 레이저 빔을 각각 분할하여 강판의 동일지점에 조사하는 레이저 빔 조사단계와, (b) 상기 강판에서 산란되는 산란 광의 세기를 수집하고 집광시켜 산란 광을 검출 하는 산란 광 검출단계와, (c) 상기 검출된 산란 광의 세기를 통해 강판의 이송속도 및 길이를 연산하여 출력하는 속도 연산단계로 이루어지며, 또한 (d) 상기 연산 결과를 사용자 요구에 맞는 TCP/IP 통신수단 또는 무선 통신수단을 통해 출력 가능한 신호로 변환하는 유저 인터페이스 단계를 더 가질 수 있다.
상기 레이저 빔 조사단계에서는 레이저 다이오드(111)에서 출력되는 하나의 레이저 빔을 1,2차 빔 스프리터(112,113)를 통해 편광방향이 다르고 크기가 동일한 두 개의 레이저 빔으로 분할하고, 이렇게 분할된 2개의 레이저 빔을 두 개의 거울(114,115)로 각각 반사시켜 강판의 동일지점을 향하도록 한 후 두 개의 필터 렌즈(118,119)를 통해 레이저 빔의 원하는 파장대만을 통과시켜 레이저 빔을 강판에 조사하게 된다.
상기 산란 광 검출단계에서는 상기 조사된 레이저 빔에 의해 강판으로부터 산란 광(120)을 수광 렌즈(121)와 포커싱 렌즈(122)를 통해 수집 및 집광한 후 광 검출기(123) 및 광 증폭기(124)를 통해 검출 및 증폭하여 아날로그 형태로 속도 연산수단에 전송하게 된다.
도 7은 상기 속도 측정 센서 부에 내장된 속도 연산수단에서 이루어지는 속도 측정방법에 대한 동작 흐름을 예시한 순서도로서, 상기 (c) 속도 연산단계는 (c1) 상기 수집된 산란 광의 성분을 분석하여 레이저 빔의 주파수 검출을 위한 교류성분과 강판 유/무를 검출하기 위한 직류성분으로 분리하는 성분 분석단 계(S701~S703)와, (c2) 상기 분석된 직류성분을 기준치와 비교하여 강판 유/무를 판단하는 강판 유/무 검출단계(S705-S709)와, (c3) 상기 분석된 교류의 주파수 성분을 일정 주기로 샘플링하여 도플러 주파수를 산출하고 상기 산출된 주파수값으로부터 강판의 이송 속도 및 길이를 연산하는 강판 속도/길이 연산단계(S711-S735)를 포함하여 이루어진다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 성분 분석단계는 산란 광을 수집하는 단계(S701)와, 산란 광의 성분을 분석하는 단계(S703)로 이루어진다. 이 성분 분석단계는 레이저 빔 중첩에 의한 산란 광으로부터 강판의 속도값을 알 수 있는 교류(AC)의 주파수 성분과 강판의 유/무를 알 수 있는 직류(DC) 성분을 구별하기 위하여 이루어진다.
상기 강판 유/무 검출단계는 상기 분석된 직류성분을 체크하는 단계(S705)와, 그 값을 기 설정된 기준치와 비교하는 단계(S707)와, 상기 비교 결과로 강판 유/무 구별을 위한 파라미터(MP)를 온/오프시키는 단계(S709)로 이루어진다. 특히 직류 성분에는 주변에서 혼입된, 원치 않는 노이즈에 의한 값도 함께 포함할 수 있으므로 본 발명에서는 노이즈에 의해 검출된 값인지 강판에 의해 검출된 값인지를 구별하기 위하여 속도 연상수단(125)에 미리 기준치를 설정하여 두고 그 값을 이용하여 노이즈 혼입에 의한 직류성분을 찾아낼 수 있게 한다.
상기 강판 속도/길이 연산단계는 샘플링 시작 전에 타이머를 작동시키는 단계(S711)와, 상기 분석된 교류의 주파수 성분을 일정 주파수를 기준으로 샘플링하 는 단계(S713)와, A/D 버퍼에 메모리를 할당하고 상기 샘플링값을 퓨리에(Fourier) 변환하여 해당 주파수 값을 기록하는 동작을 설정치 만큼 반복하는 단계(S715-S721)와, 상기 각 버퍼에 설정치 만큼 반복 기록된 열값의 해당 주파수 값의 평균을 구하여 새로운 버퍼에 기록하는 단계(S723,S725)와, 상기 버퍼의 평균 주파수값 중에서 최대값을 찾고, 레이저 빔의 파장(λ)과 두 개의 레이저빔이 중첩되는 각도의 절반값(K)으로부터 수학식 3에 의해 레이저 빔 교차점에서 측정되는 줄무늬 간격(d) 및 강판의 이송속도(V)를 연산하고 타이머를 종료시키는 단계(S727-S731)와, 강판의 이송 속도(V)와 타이머 시간값으로부터 강판의 길이를 연산하는 단계(S733)로 이루어진다.
이 속도/길이 연산단계에서는 특히 강판의 길이를 연산하기 위하여 목적으로 샘플링 시작 전에 타이머를 온시키고 속도 연산을 위한 하나의 루프(loop)가 끝나면 타이머를 오프시키는 동작을 반복하여 실행함으로써, 매 루프마다 타이머에 의한 강판의 누적길이를 측정할 수 있게 된다.
또한 이 단계에서 교류 성분인 아날로그 신호는 시간의 축으로 발생되고 있기 때문에 속도 신호를 연산하기 위해서는 시간의 축으로 발생되는 교류신호를 주파수의 축으로 변환하기 위해 퓨리에 변환을 실시하게 된다.
이와 같이 상기 속도 연산단계에서는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 수집된 산란 광의 성분을 성분 분석부(125a)에서 분석하여 교류와 직류 성분으로 분리하 고, 상기 분석된 직류성분을 강판 유/무 검출부(125b)에서 기설정된 기준치와 비교하여 강판 유/무를 판단하게 되며, 강판 속도/길이 연산부(125c)에서 상기 분석된 교류의 주파수 성분을 일정 주기로 샘플링하여 도플러 주파수(fd)를 산출하고 상기 산출된 주파수값으로부터 강판의 이송 속도 및 길이를 연산하게 된다.
이와 같이 구성되는 본 발명에 의한 산업용 레이저 속도 측정정치(150)의 전체적인 동작 및 그에 의한 작용 효과를 도 5 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명은 전원(105)으로부터 예를 들면, 교류 ±18 Volt를 제공하고, 직류 변환기(18a)를 통하여 상기 레이저 다이오드(111)에 직류전원을 공급한다.
그러한 경우, 속도 측정 센서 부(110)의 내부에 장착된 반도체 레이저 다이오드(111)로부터 레이저 빔이 방출되면 출력 빔은 1차 빔 스프리터(beam splitter) (112)와 2차 빔 스프리터(113)를 통과하면서 2개의 레이저 빔으로 분할된다. 이때 1차 빔 스프리터(112)에서는 90도 수직으로 동일한 크기를 갖는 레이저 빔이 2개로 분할되고, 2차 빔 스프리터(113)에서는 2개의 레이저 빔이 동일한 방향을 갖게 된다. 이렇게 분할된 2개의 레이저 빔(116,117)은 각각 거울(114,115)을 통해 렌즈 필터(118,119)를 통과한 후 이송 강판(100)의 동일지점에 조사된다.
상기와 같은 레이저 빔 조사단계를 거쳐 강판(100)의 동일지점에 조사된 2개의 레이저 빔 (116,117)은 간섭과 중첩현상으로 인해 산란 광(120)을 발생시키고, 이렇게 산란된 광(120)은 수광 렌즈(121)에 의해 수집되고, 포커싱 렌즈(122)에 의해 집광되어 광 검출기(123)로 인가된다. 그러면, 광 검출기(123)에서는 산란 광의 세기를 검출하고 광 증폭기(124)에서 산란 광 세기에 비례한 값을 증폭 출력하게 된다.
상기와 같은 산란 광 검출단계를 거쳐 상기 광 증폭기(124)에서 출력된 산란 광 세기는 속도 연산수단(125)에 내장된 DSP(Digital Signal Processor) 통합 보드에 의해 산란 광의 세기를 통해 강판(100)의 이송속도 및 길이를 연산하여 출력하게 된다.
그리고 상기 속도 연산 수단(125)은 이후의 연산 결과를 디스플레이인 표시부를 통하여 외부로 출력하거나 그리고/또는 유서 인터페이스 수단(126)을 통해 사용자 요구에 맞는 TCP/IP 통신수단 또는 무선 통신수단을 통하여 출력 가능한 신호로 변환 및 출력할 수 있는 것이다.
상기와 같이 본 발명에 의한 속도 연산수단이 일체형으로 내장된 산업용 레이저 속도 측정장치에 의하면, DSP 통합 기술로 하나의 DSP 보드 안에 하나의 칩을 내장하여 단일 보드를 속도 측정 센서 부에 내장하고, 또한 속도 측정 센서 부 내부에 간단한 빔 발생수단과 광학 소자들을 장착한 것이기 때문에 속도 측정 센서 부의 소형화를 이룰 수 있고, 낮은 가격으로 간단한 시스템 구현이 가능하게 되는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 산업용 레이저 속도 측정장치는 속도 측정 센서 부와 프로세서를 따로 분리하지 않고 완벽하게 통합된 일체형 장치로써 신호 케이블이나 광신호 전송 케이블이 필요 없기 때문에 신호 감쇠나 전자기 잡음의 유입을 최소화하여 정확한 측정 결과를 얻을 수 있게 된다.
또한 본 발명은 강판의 산란 광을 광 검출기에서 직접 수광하기 때문에 기존의 광섬유 멀티 코어를 이용한 산란 광 수집시보다 10배 이상의 산란 광을 수집할 수 있게 되므로 표면 조도에 의한 검출 오류를 방지할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 속도측정수단을 내장한 산업용 레이저 속도측정장치 및 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 이와 같은 특정 구조로 한정하려는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능한 것임은 명백한 사실이다.

Claims (6)

  1. 동력을 제공하는 전원;
    상기 전원에 연결되고, 속도 측정을 위한 복수 개의 레이저 빔을 강판에 조사하여 산란 광을 검출하며, 상기 산란 광으로부터 강판의 이동속도 및 길이를 연산하여 출력하는 속도 측정 센서 부; 및
    상기 속도 측정 센서 부에서 측정된 값을 외부로 출력하는 표시부;를 구비하고,
    상기 속도 측정 센서 부는,
    속도 측정을 위한 복수 개의 레이저 빔을 주행 강판에 조사하는 레이저 빔 조사수단과;
    상기 복수 개의 레이저 빔에 의해 강판에서 산란되는 광을 검출하는 산란 광 검출수단과;
    상기 검출된 산란 광으로부터 주행 강판의 이동속도 및 길이를 연산하여 출력하는 속도연산수단을 포함하며,
    상기 속도 연산수단은,
    수집된 산란 광의 성분을 분석하여 교류와 직류 성분으로 분리하는 성분 분석부와;
    상기 분석된 직류성분을 기준치와 비교하여 강판 유/무를 판단하는 강판 유/무 검출 부와;
    상기 분석된 교류의 주파수 성분을 일정 주기로 샘플링하여 도플러 주파수를 산출하고 상기 산출된 주파수값으로부터 강판의 이송 속도 및 길이를 연산하는 강판 속도/길이 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 레이저 속도 측정장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 속도 측정 센서 부는,
    상기 속도연산수단에서 출력되는 연산 결과를 사용자의 요구에 맞는 TCP/IP 통신수단 또는 무선 통신수단을 통해 출력 가능한 신호로 변환하는 유저 인터페이스 수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 산업용 레이저 속도 측정장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 레이저 빔 조사수단은,
    레이저 빔을 방출하는 레이저 다이오드와,
    레이저 다이오드에서 출력되는 하나의 레이저 빔을 편광방향이 다르고 크기가 동일한 두 개의 레이저 빔으로 분할하는 1,2차 빔 스프리터와,
    상기 1, 2차 빔 스프리터를 통해 분할된 2개의 레이저 빔이 강판의 동일지점에 조사되도록 각각 반사하는 거울과,
    상기 분할된 두 레이저 빔의 원하는 파장 대만을 통과시키는 필터 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 산업용 레이저 속도 측정장치.
  5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 산란 광 검출수단은,
    산란 광을 수집하는 수광 렌즈와,
    상기 수광 렌즈를 통해 들어온 산란 광을 집광시키는 포커싱 렌즈와,
    상기 집광된 산란 광을 검출하는 광 검출기와,
    상기 검출된 광을 증폭하여 아날로그 형태로 상기 속도연산수단에 전송하는 광 증폭기로 구성되는 것을 특징으로 하는 산업용 레이저 속도측정장치.
  6. 삭제
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