KR100931224B1 - 광섬유를 이용한 초음파 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도플러 편이효과를 이용하여 각종 기기의 초음파를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명은, 측정 대상에 조사되는 레이저빔에 의해 발생되는 산란광을 포집하기 위한 포집렌즈를 구비하고, 포집렌즈로부터 산란광이 유입되는 부분반사 거울을 그 선단에 구비하고,후단에 부분반사 거울을 구비한 광섬유를 갖추고, 상기 광섬유를 통과한 간섭 광을 검출하는 고주파 광검출기를 갖는 도플러 편이 센서를 구비하며, 상기 도플러 편이 센서의 고주파 광 검출기가 최적의 상태로 간섭 광을 감지하도록 상기 광섬유가 외면에 감긴 압전소자를 형상변경시키는 제어회로를 구비한 콘트롤러를 포함하는 초음파 측정장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 측정대상의 초음파를 측정하면서, 동시에 소형의 구조를 갖추며 외부적 진동에 무관하고 별도의 광학소자들의 정렬작업이 불필요한 광섬유를 이용함으로서 작업 환경이 열악한 작업현장에 쉽게 적용되는 효과가 있다.

광섬유, 초음파 측정장치, 광 검출기, 도플러 편이, 압전소자

Description

광섬유를 이용한 초음파 측정장치{A DEVICE FOR MEASURING ULTRASONICS USING OPTICAL FIBER}

제 1도는 종래의 기술에 따른 도플러 편이 측정 간섭계를 도시한 개략 구조도;

제 2도는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 초음파 측정장치의 전체 구조를 도시한 구성도;

제 3도는 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 초음파 측정장치에서 시간에 따른 전압과 간섭 광신호의 상관 관계를 도시한 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10.... 포집렌즈 20.... 센서

21,22... 부분반사 거울 23.... 에폭시 본드

30.... 광섬유 40.... 압전소자

41.... 전압 발생기 42.... 제어회로

43.... 저주파 광 검출기 51.... 반파장 판

52.... 편광형 빛살 가르개 53.... 고주파 광검출기

60.... 콘트롤러

100.... 도플러 편이 측정 간섭계(Fabry-Perot interferometer)

101.... 측정대상 102.... 레이저빔

103.... 초음파 104.... 포집렌즈

105,106... 구면거울 107.... 광검출기

본 발명은 도플러 편이효과를 이용하여 각종 기기의 초음파를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 효율이 높고 소형이며, 외부진동에 무관하고 별도의 광학소자 정렬작업이 불필요하여 진동이 발생되는 열악한 작업환경에 적용가능한 광섬유를 이용한 초음파 측정장치에 관한 것이다.

일반적으로, 초음파를 측정하기 위해서는 도 1에 도시된 바와 같은 도플러 편이 측정 간섭계(Fabry-Perot interferometer)(100)를 이용하고 있다.

상기 도플러 편이 측정 간섭계(Fabry-Perot interferometer)(100)는 일측에서 레이저빔을 측정대상(101)의 표면에 조사하면, 측정 대상(101)에서 발생하는 초음파에 의해 측정대상의 표면이 진동하고, 이와 같이 초음파에 의해 측정 대상(101)의 표면이 진동하면, 레이저 산란광의 주파수가 일명, 도플러 편이라 칭하는 작용에 의해 주파수 편이가 발생하게 되며, 이러한 레이저 광의 주파수 편이를 이용하여 측정 대상의 초음파를 측정하고 있다.

이와 같은 도플러 편이의 측정에 사용되는 도플러 편이 간섭계(100)는 측정대상(101)에 대해 레이저빔(102)을 조사한 후, 그로부터 발생되는 초음파(103)에 의하여 주파수 변이된 레이저 산란광을 포집하기 위한 포집렌즈(104)와, 일정한 반사율을 갖는 두개의 구면거울(105)(106)을 구비한다.

상기 포집 렌즈(104)를 통과한 빛의 세기는 두 구면거울(105)(106) 사이의 거리(L)와, 구면거울(105)(106)의 반사율 및, 빛의 주파수에 따라서 결정된다. 또한, 포집 렌즈(104)로 입사하는 산란광은 초음파에 의해 그 주파수가 변하고, 그에 따라서 빛의 세기가 변하므로 상기 도플러 편이 간섭계(100)는 이 산란광의 세기를 광검출기(107)로 측정함으로서 초음파의 측정이 가능한 것이다.

그러나, 안정적인 초음파 측정을 위해서는 간섭계(100)의 내부에서 빛이 동일한 경로로 구면 거울(105)(106)사이에서 계속적인 다중반사를 하여야 하므로, 상기 구면 거울(105)(106)은 정확히 정렬되어 있어야 하며, 또한 두 구면 거울(105)(106) 사이의 거리(L)도 항상 일정하게 유지되어야 하는 문제점이 있다.

그러나, 이와 같은 도플러 편이 간섭계(100)는 그 구성부품들의 정렬상의 곤란함으로 인해 외부적 진동에 매우 민감하여 열악한 환경의 산업현장에서는 적용이 매우 곤란한 문제점이 있다.

더욱이, 종래의 간섭계(100)는 두 구면거울(105)(106) 사이의 거리(L)가 커질수록 측정효율이 증가하므로 고정밀도의 측정을 요구하는 현장에서는 간섭계(100)의 크기가 대형화되어야 하는 단점이 있다.

따라서, 더욱 더 현장 적용에 어려운 문제점이 발생하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 그 목적은 소형으로 형성될 수 있고, 외부적 진동에 민감하게 반응하지 않으며, 유지 및 보수가 용이하고 효율이 높은 광섬유를 이용한 초음파 측정장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 산업현장에서의 적용성이 우수하여 각종 진동이 발생하는 열악한 환경에 쉽게 적용가능한 광섬유를 이용한 초음파 측정장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 도플러 편이 효과를 이용하여 각종 기기의 초음파를 측정하기 위한 장치에 있어서,

측정 대상에 조사되는 레이저빔에 의해 발생되는 산란광을 포집하기 위한 포집렌즈;

그 포집렌즈로부터 산란광이 유입되는 부분반사 거울을 그 선단에 구비하고,후단에 부분반사 거울을 구비한 광섬유를 갖추고, 상기 광섬유를 통과한 간섭 광을 검출하는 고주파 광검출기를 갖는 도플러 편이 센서; 및

상기 도플러 편이 센서의 고주파 광 검출기가 최적의 상태로 간섭 광을 감지하도록 상기 광섬유가 외면에 감긴 압전소자를 형상변경시키는 제어회로를 구비한 콘트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 초음파 측정장치를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 광섬유를 이용한 초음파 측정장치(1)는 도 2에 도시된 바와 같이, 측정 대상(101)에 조사되는 레이저빔(102)에 의해 발생되는 초음파를 포집하 기 위한 포집렌즈(10)를 구비한다. 포집렌즈(10)는 일반적으로 볼록렌즈로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 포집렌즈(10)의 후방에는 그 포집렌즈로부터 산란광의 도플러 편이를 감지하기 위한 센서(20)가 설치된다. 그 도플러 편이 센서(20)는 광섬유(30)를 포함하고, 상기 광섬유(30)는 포집렌즈(10)로 부터의 산란광이 유입되는 부분반사 거울(21)을 그 선단에 포함한다. 상기 부분반사 거울(21)과 광섬유(30)의 한쪽 끝단은 서로 평행하게 밀착된 후 에폭시 본드(23)를 통해 그 밀착상태가 영구히 유지된다.

상기 부분반사 거울(21)은 그 반사율이 높을수록 도플러 편이 센서(20)의 효율은 증대되나, 반사도가 증가하면 광섬유(30)로 유입되는 산란 광량이 저하되므로 이 부분반사 거울(21)의 반사율은 99% 이하인 것이 좋다. 그리고, 상기 광섬유(30)는 그 후단에 또 다른 부분반사 거울(22)을 일체로 장착하고 있으며, 상기 광섬유(30)의 선,후단에 마련된 부분반사 거울(21)(22)들 사이에서 산란광의 다중반사가 이루어진다.

또한, 상기 후단 부분반사 거울(22)의 후방측으로는 반파장 판(51)과 편광형 빛살 가르개(52)및 고주파 광검출기(53)가 차례로 배치되어 도플러 편이 센서(20)를 이루는 것이다.

그리고, 본 발명은 상기 도플러 편이 센서(20)의 고주파 광 검출기(53)가 최적의 상태로 간섭 광을 감지하도록 상기 광섬유(30)의 길이를 최적으로 자동조절하는 콘트롤러(60)를 포함한다.

상기 콘트롤러(60)는 상기 편광형 빛살 가르개(52)에서 인출된 광의 일부를 받는 인접한 저주파 광 검출기(43)를 구비하고, 상기 저주파 광 검출기(43)에 전기적으로 연결된 제어회로(42)를 갖는다. 그리고, 상기 제어회로(42)는 전압 발생기(41)에 전기적으로 연결되고, 상기 전압 발생기(41)는 광섬유(30)가 그 외주면에 감긴 실린더형 압전소자(40)에 공급되는 전원을 제어하도록 전기적으로 연결되는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 초음파 측정장치(1)의 작용효과에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 광섬유를 이용한 초음파 측정장치(1)는, 먼저 작업자 또는 실험자가 측정 대상(101)에 레이저빔(102)을 조사하면, 그 대상(101)에는 산란광이 발생되며 이와 같이 발생된 산란광은 포집렌즈(10)에 의해 포집되어 부분반사 거울(21)을 통해 편광유지 광섬유(30)로 유입된다.

상기 부분반사 거울(21)을 통과하여 광섬유(30)에 유입된 산란 광은 광섬유(30)의 또 다른 한쪽 끝단에 같은 방법으로 부착된 부분반사 거울(22)에 도달한다. 이와 같이 유입된 산란광은 상기 부분반사 거울(22)에서 사전에 설정된 반사율에 따라 일부는 부분반사 거울(22)을 반사하여 상기 광섬유(30) 전단의 부분반사 거울(21)측으로 반사되고, 나머지 일부는 이를 통과하여 그 후방의 반파장 판(51)과 편광형 빛살 가르개(52)를 통과하여 광검출기(53)로 공급되어 그 산란 광의 도플러 편이가 검출된다.

한편, 상기 부분반사 거울(22)에 의해 다시 부분반사 거울(21)측으로 반사되는 산 란 광은 상기 부분반사 거울(21)에 의해 또 다시 부분반사 거울(22)측으로 반사되어 전술된 바와 같은 과정이 반복되는 것이다.

전술된 바와 같이, 상기 부분반사 거울(21)(22)들에 의해 반사되어지는 산란 광은 광섬유(30)의 내부를 계속적으로 왕복 운동하면서, 동시에 그 산란 광의 일부는 후방측의 부분반사 거울(22)을 통하여 광 검출기(53)로 배출되어 정확한 도플러 편이를 측정할 수 있는 것이다.

여기에서, 본 발명은 상기 센서(20)를 형성하는 광섬유(30)를 플렉시블하고 곡선적으로 형성할 수 있으므로, 공간적 또는 위치적 제약을 받지 않게 되어 소형으로 유지되면서 그 적용성이 높아지게 됨은 물론, 외부의 진동에 무관하게 도플러 편이를 정확하게 측정할 수 있는 것이다.

전술된 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 초음파 측정장치(1)는 광섬유(30)및 그 양끝에 부착된 부분반사 거울(21)(22)을 통해 도플러 편이의 측정이 가능하나, 작업자가 항상 안정적으로 도플러 편이를 측정하기 위해서는 광섬유(30)의 길이가 최적의 상태에서 항상 일정하게 유지되어야 한다.

즉, 광섬유(30)의 길이가 길어지면 광 검출기(53)의 측정효율은 이에 비례하여 증대되지만, 광 검출기(53)가 최대 측정 효율을 갖기 위해서는 광섬유(30)의 길이는 미세하게 조절되어야 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 광섬유(30)를 이용한 초음파 측정장치는 광섬유(30)의 길이가 항상 최적의 상태를 유지하도록 하기 위해 콘트롤러(60)가 동작한다.

상기 콘트롤러(60)는 광섬유(30)의 길이를 조절하기 위하여 광섬유(30)를 실린더형 압전소자(40)에 일정한 횟수만큼 밀착하여 감고, 상기 실린더형 압전소자(40)의 내벽과 외벽에 전위차를 인가하면 상기 실린더형 압전소자(40)의 외경은 변하므로, 이 압전소자(40)에 밀착하여 감겨진 광섬유(30)의 길이도 미세하게 변하는 것이다.

이와 같이 실린더형 압전소자(40)에 일정한 전위차를 인가하였을 때 발생하는 광섬유(30)의 길이 변화는 이 압전소자(40)에 감겨진 광섬유(30)의 횟수에 따라 달라진다.

상기와 같이 실린더형 압전소자(40)를 이용하여 광섬유(30)의 길이를 항상 최적의 상태로 유지하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 상기 압전소자(40)에 전압발생기(41)를 이용하여 시간에 선형적으로 비례하여 증대되는 전압을 인가시키면 상기 압전 소자(40)에 감긴 광섬유(30)의 길이도 시간에 비례하여 증대된다.

제 3도는 이와 같이 시간적으로 증대되는 전압과 간섭 광의 세기를 나타낸 것이다. 제 3도에서 (A)는 시간적으로 증대되는 전압을 나타내고, 파형 (B)는 간섭 광의 세기이다. 상기 광 검출기(53)가 도플러 편이 측정시, 가장 효율적인 조건은 도플러 편이가 없을 때, 간섭 광의 세기가 제 3도의 최대 간섭 광의 세기의 반이 될 때이다.

따라서, 콘트롤러(60)는 상기 부분반사 거울(22)을 통과한 간섭 광의 일부를 편광형 빛살 가르개(52)로 반사시켜 저주파 광검출기(43)로 측정한다. 그리고, 상기 광검출기(43)에 전기적으로 연결된 제어 회로(42)에는 항상 최대 간섭 광의 세기의 반에 해당하는 값을 전기적인 신호로 출력시키도록 사전에 설정되어 있으므로, 이 제어회로(42)는 입력된 최대 간섭 광의 세기의 1/2에 해당하는 출력값으로 전압 발 생기(41)를 제어하여 상기 압전소자(40)에 공급되는 전압을 제어하는 것이다.

만일, 편광형 빛살 가르개(52)로 부터 반사되어 저주파 광검출기(43)로 입력되는 간섭 광이 종래의 값보다 큰 새로운 최대 값으로 입력된다면, 상기 제어회로(42)는 이 새로운 최대 간섭 광의 세기의 1/2에 해당하는 출력값으로 전압 발생기(41)를 제어하여 상기 압전소자(40)에 공급되는 전압을 새롭게 제어하는 것이다.

따라서, 이와 같이 하면 작업자가 실험을 수행할 때, 광섬유(30)의 길이는 압전소자(40)의 변형에 따라서 최대 간섭 광의 세기의 1/2에 해당하는 길이로 조절되어 광 검출기(53)는 최적의 검출 조건을 유지하게 되는 것이다,

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 초음파 측정장치(1)에 의하면, 광 검출기(53)에 의해서 측정대상의 초음파를 측정하면서, 동시에 소형의 구조를 갖추며 외부적 진동에 무관하고 별도의 광학소자들의 정렬작업이 불필요한 광섬유(30)를 이용함으로서 작업 환경이 열악한 작업현장에 쉽게 적용되는 효과가 있다. 또한, 전체적인 크기를 작게 하면서 동시에, 광섬유(30)의 길이를 길게 할 수 있으므로 측정 효율및 측정 감도를 현저히 높게 할 수 있어 도플러 편이의 측정 정확성이 향상되는 장점이 있다

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 기술분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술 사상을 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것이며, 이들은 모두 본 발명에 포함되는 것은 명백한 것이다.

Claims (4)

1. 도플러 편이 효과를 이용하여 각종 기기의 초음파를 측정하기 위한 장치에 있어서,

   측정 대상(101)에 조사되는 레이저빔에 의해 발생되는 산란광을 포집하기 위한 포집렌즈(10);

   그 포집렌즈(10)로부터 산란광이 유입되는 부분반사 거울(21)을 그 선단에 구비하고, 후단에 부분반사 거울(22)을 구비한 광섬유(30)를 갖추며, 상기 광섬유(30)를 통과한 간섭 광을 검출하는 고주파 광검출기(53)를 갖는 도플러 편이 센서(20); 및

   상기 도플러 편이 센서(20)의 고주파 광 검출기(53)가 최적의 상태로 간섭 광을 감지하도록 상기 광섬유(30)가 외면에 감긴 압전소자(40)를 형상변경시키는 제어회로(42)를 구비한 콘트롤러(60);를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 초음파 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 콘트롤러(60)는 상기 센서(20)의 고주파 광검출기(53)의 전방측에 마련된 편광형 빛살 가르개(52)에서 인출된 광의 일부를 받는 인접한 저주파 광 검출기(43)를 구비하고, 상기 저주파 광 검출기(43)에 전기적으로 연결된 제어회로(42)를 갖추며, 상기 제어회로(42)는 전압 발생기(41)에 전기적으로 연결되고, 상기 전압 발생기(41)는 광섬유(30)가 그 외주면에 감긴 실린더형 압전소자(40)에 공급되는 전원을 제어하도록 전기적으로 연결되는 것임을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 초음파 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 부분반사 거울(21)(22)과 광섬유(30)의 끝단들은 서로 평행하게 밀착된 후, 에폭시 본드(23)를 통해 그 밀착상태가 영구히 유지되는 것임을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 초음파 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 저주파 광검출기(43)에 전기적으로 연결된 제어 회로(42)는 저주파 광검출기(43)로 부터 입력된 최대 간섭 광의 세기의 1/2에 해당하는 출력값으로 전압 발생기(41)를 제어하여 상기 압전소자(40)에 공급되는 전압을 제어하는 것임을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 초음파 측정장치.

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