KR101079780B1 - 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치 - Google Patents

마이크로 입자 영상 유속계 교정장치 Download PDF

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Abstract

마이크로 입자 영상 유속계 교정장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 마이크로 입자 영상 유속계에 의해 측정된 영상과 실질적인 측정대상의 오차를 확인하고 교정시킬 수 있도록 현미경용 길이 기준물을 회전판 위에 형성하고, 일정한 속도로 회전시키면서 micro-PIV에서 촬영하는 영상을 분석하여 기준물의 속도벡터까지 측정하여 카메라 픽셀 간의 거리에 대한 B형 불확도(교정 성적서)와 회전판의 움직임에 의한 A형 불확도(측정 통계량)를 모두 제시하여 보다 향상된 교정이 가능하게 하는 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치에 관한 것이다.

Description

마이크로 입자 영상 유속계 교정장치{Micro Particle Imaging Velocimetry Calibrator}
마이크로 입자 영상 유속계 교정장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 마이크로 입자 영상 유속계에 의해 측정된 영상과 실질적인 측정대상의 오차를 확인하고 교정시킬 수 있도록 현미경용 길이 기준물을 회전판 위에 형성하고, 일정한 속도로 회전시키면서 micro-PIV에서 촬영하는 영상을 분석하여 기준물의 속도벡터까지 측정하여 카메라 픽셀 간의 거리에 대한 B형 불확도(교정 성적서)와 회전판의 움직임에 의한 A형 불확도(측정 통계량)를 모두 제시하여 보다 향상된 교정이 가능하게 하는 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치에 관한 것이다.
micro-PIV는 마이크로 단위의 유동현상을 관찰하기 위한 비접촉식 유속분포 측정 장치로서 광학 현미경에 PIV용 광원과 카메라를 부착하고, 짧은 시간 동안 2장의 영상을 연속으로 촬영하여 영상에 나타난 산란 입자 영상을 분석해 일정 시간 동안 산란 입자의 위치 변화를 계산함으로써 속도 벡터를 구할 수 있다. 이 때 PIV용 광원으로는 Nd:Yag 레이저나 LED가 사용되고, 카메라로는 CCD 또는 CMOS 카메라를 사용한다. 이러한 방식의 micro-PIV는 미세 유체 역학적인 현상을 고찰하기 위한 필수 연구 장치로서, 이 분야에서는 보편화되고 있는 장치이다.
상기 micro-PIV는 실질적인 측정 대상과 측정된 영상 사이에 오차가 발생할 수 있으므로, 이를 확인하고 교정할 수 있는 방법이 필요하다. 현재 제시되고 있는 상기 micro-PIV에 대한 교정 방법으로는 길이 기준물을 이용한 정적인 교정 방법에 주로 국한되어 왔다.
예를 들면, 1951 USAF Resolution Test Target과 같은 현미경용 길이 기준물을 micro-PIV용 대물렌즈의 초점면에 놓고, 카메라의 픽셀들 사이의 거리를 길이 기준물에 의한 기준 거리로 환산한다. 이러한 방법은 정적인 교정 방법으로 속도 측정에 대한 B형 불확도를 제시할 수 있다. 즉, 직선이동판에 규칙적으로 길이기준물을 표시하고, 상기 직선이동판을 병진운동시키며 일정한 시간간격을 두고 micro-PIV로 영상을 획득하여 이를 분석함으로써 카메라 픽셀 간의 거리에 대한 B형 불확도를 제시할 수 있는 것이다. 그러나 상기 방법은 고속에서의 불확도를 제시하지 못하고 있으며, 미세 유로 내의 유체의 움직임에 의한 A형 불확도를 제시하지 못하고 있기 때문에 이 방법만으로는 micro-PIV의 속도 측정 불확도를 완전하게 산출하기가 어렵다.
따라서, A형 불확도와 B형 불확도를 동시에 제시하여 micro-PIV를 정밀하게 교정할 수 있는 장치에 대한 연구가 필요하다.
이에 본 발명에 따른 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치는,
현미경용 길이 기준물을 회전판 위에 형성하고, 일정한 속도로 회전시키면서 micro-PIV에서 촬영하는 영상을 분석하여 기준물의 속도벡터까지 측정해 카메라 픽셀 간의 거리에 대한 B형 불확도와 회전판의 움직임에 의한 A형 불확도를 모두 제시하여 교정할 수 있는 교정장치의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치는,
규칙적으로 이동되는 길이기준물과, 상기 길이 기준물의 영상을 현미경을 통해 촬영하는 마이크로 입자 영상 유속계(micro-PIV)와, 상기 마이크로 입자 영상 유속계에 의해 획득한 영상과 길이기준물의 정보를 대비 분석하여 불확도성분을 산출 및 교정하는 장치에 있어서, 상기 길이기준물은 모터에 의해 고속회전이 가능한 회전판에 형성되어 속도벡터 교정과 고속에서의 측정이 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 길이기준물은 회전판에 형성된 원형 또는 다각형의 마이크로 도트이고, 회전판의 중심으로부터 방사상으로 다수 형성된다.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치는,
길이 기준물을 회전판에 도트형태로 형성하여 단위시간에 따른 이동거리 및 거리를 계산하여 속도벡터를 제공할 수 있으며, 동시에 회전판의 회전수를 조절하여 고속의 입자 운동을 구현하는 등 카메라 픽셀 간의 거리에 대한 B형 불확도와 회전판의 움직임에 의한 A형 불확도를 모두 제시하여 교정의 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치의 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 회전판을 도시한 평면도.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치의 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 회전판을 도시한 평면도이다.
도시된 바와같이 본 발명에 따른 마이크로 입자 영상 유속계(Micro Particle Imaging Velocimetry; micro-PIV) 교정장치(10)는, 모터(30)에 의해 회전되는 회전판(20)과, 상기 모터의 회전속도를 측정하는 주파수카운터(40)와, 상기 회전판에 근접설치되는 현미경(50)과, 상기 현미경에 설치되는 micro-PIV(60)와, 상기 주파수카운터 신호와 micro-PIV에서 획득한 영상을 전송받아 유속교정을 수행하는 PC(70)를 포함하여 구성한다.
상기 회전판(20)은 도 2에 도시된 바와같이 원형판으로 중앙에 모터축이 연결되어 회전이 이루어지도록 한다. 상기 회전판(20)은 상하부 중 어느 일면에 모터축이 연결되고, 다른면에 길이기준물(21)이 형성되며, 상기 길이기준물이 형성된 면은 후술되는 현미경과 대향되도록 한다. 상기 길이기준물은 도시된 바와같이 회전판에 다수 형성된 마이크로 도트(22)로 형성하고, 교정특성에 따라 다양한 배열로 형성할 수 있다. 상기 길이기준물의 형태로도 도시된 원형의 마이크로 도트 형태 이외에 사각형 또는 육각형 등 다각형으로 형성하거나, 화살표, 점선, 단선, 복선 등 교정특성을 잘 표현할 수 있는 다양한 형태로 표시될 수 있다. 또한, 길이기준물의 배열로는 회전 중심으로부터 방사상으로 다수 형성되거나, 바둑판 형태로 배열하는 규칙적인 배열 이외에 특정한 규칙이 없는 불규칙적인 배열로 형성되게 할 수 있다. 상기 방사상으로 마이크로도트(22)를 형성할 경우에는 회전중심축에 가까울수록 인접 마이크로도트와의 간격이 조밀해지고, 회전중심축과 멀어질수록 인접 마이크로 도트와의 간격이 넓어지게 된다. 또한, 회전중심축과 거리가 멀어질수록 회전속도가 증가하여 다양한 속도벡터의 계산이 가능하도록 한다.
이러한 회전판은 상술된 바와같이 일면에는 마이크로 도트로 구성된 길이기준물(21)이 형성되고, 타측에는 DC모터(30)의 축이 연결되어 회전이 이루어지도록 한다. 여기서 상기 회전판(20)을 회전시키는 DC모터(30)에는 엔코더(31)가 더 부착된다. 상기 엔코더는 회전판의 속도를 제어하거나, 회전판의 일정한 위치에서 트리거가 가능하도록 펄스를 출력하도록 한다. 예컨대 후술되는 micro-PIV에서 측정하는 속도에 따라 모터의 회전 속도를 충분히 조절하게 한다. 또한, 회전속도를 정밀하게 제어하기 위해서는 optical encoder가 부착된 링을 별도로 부착하여 사용할 수도 있다. 아울러 상기 DC모터 이외에 스텝핑모터 서보모터 등 다양한 모터가 사용될 수 있으며, 길이기준물도 도시된 바와같이 회전판의 일면에 형성되는 형태 이외에 회전판의 내부 또는 복수가 적층된 회전판 내측에 형성되도록 할 수 있다.
다음으로 상기 주파수카운터(40)는 상기 DC모터(30)에 부착된 엔코더(31)에서 출력되는 엔코더펄스를 입력받아 회전수를 측정하게 된다. 이러한 회전수는 후술되는 PC(70)에 전달되어 회전판 길이기준물(21)인 마이크로 도트의 기준속도를 측정할 수 있다. 즉, 회전판(20)에 형성된 마이크로도트(22)는 회전중심으로부터 거리가 정해져 있으므로, 이 거리를 미리 측정해 놓으면 회전판에서 발생되는 기준속도를 구할 수 있는 것이다. 또한, 상기 마이크로도트(22)는 회전판의 회전중심으로부터 다양한 거리로 이격되어 있으므로 이격거리에 따른 기준속도를 제공할 수 있다.
또한, 상기 현미경(50)은 회전판(20)의 설치위치에 따라 도 1에 도시된 바와같이 정립되거나, 미도시되었지만 회전판의 하부설치되어 상부를 향하게하는 도립형태로 설치될 수 있다. 상기 현미경(50)은 길이기준물인 마이크로도트(22)가 형성된 회전판(20)의 면에 근접되도록 설치되는 대물렌즈(51)와, 상기 대물렌즈를 통해 입사된 영상을 필터링하는 필터(52)와, 상기 필터링된 영상을 반사시키는 미러(53)를 포함하여 구성되는 통상의 구조를 갖는다.
상기 미러(53)에 의해 반사된 영상은 micro-PIV(60)에 의해 촬영된다. 상기 micro-PIV의 대표적인예로는 CCD카메라가 있다. 상기 micro-PIV에 의해 촬영된 영상은 PC(70)로 전송하여 촬영된 영상을 분석하여 길이기준물 속도를 측정한다.
상기 PC(70)는 상기 주파수카운터(40)로부터 입력된 값에 의해 계산된 기준속도와 micro-PIV(60)에 의해 촬영된 영상으로부터 구해진 속도를 이용하여 불확도를 얻을 수 있으며 이러한 불확도는 교정프로그램에 적용하여 기존보다 정교한 교정이 이루어지도록 한다.
즉, 기준속도와 촬영영상 속도로부터의 B형 불확도과, 회전판의 중심과 마이크로 도트간의 거리 비율에 따른 속도비를 이용하여 유체 움직임에 대한 A형 불확도를 비교적 간단한 구동에 의해 제시할 수 있게 되었다.
본 발명은 상기 실시예에 한정하는 것이 아니며, 조명 광학계 및 현미경 광학계, 광검출기, 모터 등을 동일한 기능의 다른 장치로 대체하여 사용할 수 있으며, 회전판의 도트는 크기 및 배열은 교정하고자 하는 대상의 성격과 목적에 따라 다양하게 형성할 수 있는 것을 포함한다.
10 : 교정장치
20 : 회전판 21 : 길이기준물
22 : 마이크로 도트
30 : 모터 31 : 엔코더
40 : 주파수카운터
50 : 현미경 51 : 대물렌즈
52 : 필터
53 : 미러
60 : PIV
70 : PC

Claims (3)

  1. 규칙적으로 이동되는 길이기준물(21)과, 상기 길이 기준물의 영상을 현미경을 통해 촬영하는 마이크로 입자 영상 유속계(micro-PIV; 60)와, 상기 마이크로 입자 영상 유속계에 의해 획득한 영상과 길이기준물의 정보를 대비 분석하여 불확도성분을 산출 및 교정하는 장치에 있어서,
    상기 길이기준물(21)은 모터에 의해 고속회전이 가능한 회전판(20)에 형성되어 속도벡터 교정과 고속에서의 측정이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 길이기준물(21)은 회전판에 형성된 원형 또는 다각형의 마이크로 도트임을 특징으로 하는 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 길이기준물(21)은 회전판의 중심으로부터 방사상으로 다수 형성됨을 특징으로 하는 마이크로 입자 영상 유속계 교정장치.
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