KR101101413B1 - 비파괴검사를 위한 레이저 시스템 - Google Patents

비파괴검사를 위한 레이저 시스템 Download PDF

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KR101101413B1
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손훈
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박현준
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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에 관한 것으로서, 구조물에 부착되고 진동을 유발하는 가진부와, 구조물에 부착되고 진동을 감지하는 감지부와, 레이저신호를 생성하는 레이저발생부와, 레이저발생부에 일단부가 연결되고 가진부에 타단부가 연결되는 가진케이블부와, 가진케이블부와 연결되고 감지부와 연결되는 감지케이블부 및 감지케이블부와 연결되어 데이터를 취득하는 데이터취득부를 포함한다.
본 발명에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템은 레이저신호가 광섬유를 통해 전달됨으로써, 레이저신호의 감쇠와 왜곡이 방지되어 비파괴검사에 대한 신뢰도가 향상된다.
또한, 본 발명에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템은 복수개의 가진부와 감지부를 사용하여 구조물의 다양한 지점에 대한 검사가 가능하다.

Description

비파괴검사를 위한 레이저 시스템{LASER SYSTEM FOR NONDESTRUCTIVE TESTING}
본 발명은 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자기적 간섭에 의한 신호 파형의 왜곡을 해소하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 구조물은 콘크리트 외에도 강재 등을 재료로 하여 일정한 설계에 따라 건설되는 것으로서, 거주용 건물과 비거주용 건물이 포함된다.
거주용 건물에는 아파트는 주택 등이 포함되고, 비거주용 건물에는 사회기반시설인 터널, 대교, 원전 또는 플랜트 배관 등이 포함된다.
구조물의 강도는 시간이 지남에 따라 저하되므로, 구조물에 대한 안전한 사용을 위해서는 구조물에 대한 검사가 꾸준히 이루어져야 된다.
구조물에 대한 안전 검사 중에서는 비파괴검사는 구조물에 대한 파괴 없이 구조물 내부의 기공이나 균열 등의 결함, 용접부의 내부 결함 등을 검사한다.
상기한 기술구성은 본 발명의 이해를 돕기 위한 배경기술로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 알려진 종래기술을 의미하는 것은 아니다.
종래의 비파괴검사는 구조물에 부착된 압전소자가 가진과 센싱 기능을 하고, 전력케이블은 압전소자와 연결되어 신호를 송수신하고 있으나, 전력케이블의 길이가 길어질수록 신호 감쇠 및 왜곡이 발생하여 구조물 검사에 대한 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 전력케이블을 광섬유로 대체하고, 레이저신호가 광섬유를 통해 전달됨으로써, 신호에 대한 왜곡을 억제하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구조물에 부착되고, 진동을 유발하는 가진부; 상기 구조물에 부착되고, 진동을 감지하는 감지부; 레이저신호를 생성하는 레이저발생부; 상기 레이저발생부와 상기 가진부에 연결되는 가진케이블부; 상기 가진케이블부와 연결되고, 상기 감지부와 연결되는 감지케이블부; 및 상기 감지케이블부와 연결되어 데이터를 취득하는 데이터취득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템은 상기 가진케이블부에 장착되고, 상기 레이저신호를 변환하는 변조부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 감지케이블부는 상기 레이저발생부와 상기 변조부 사이에 배치되는 상기 가진케이블부와 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 가진부는 압전소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 감지부는 광섬유 격자 센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 가진케이블부와 상기 감지케이블부는 광섬유를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 가진케이블부에는 복수의 가진부가 연결되고, 상기 감지케이블부에는 상기 가진부에 각각 대응되는 복수개의 감지부가 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 구조물에 부착되고, 진동을 유발하는 가진부; 상기 구조물에 부착되고, 진동을 감지하는 감지부; 레이저신호를 공급하는 레이저공급부; 상기 레이저공급부와 연결되고, 상기 가진부와 상기 감지부를 경유하는 단일케이블부; 및 상기 단일케이블부와 연결되어 데이터를 취득하는 데이터취득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템을 제공한다.
상기 가진부는 압전소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 감지부는 광섬유 격자 센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 단일케이블부는 광섬유를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 단일케이블부에는 복수의 가진부가 연결되고, 상기 단일케이블부에는 상기 가진부에 각각 대응되는 복수개의 감지부가 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템은 광섬유와 레이저신호를 활용하여, 가진부와 감지부의 신호 왜곡을 방지함으로써, 비파괴검사의 신뢰도가 향상되는 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템은 복수개의 가진부와 감지부가 구조물에 장착되어 구조물의 다중 지점에 대한 비파괴검사가 가능한 효과가 있다.
본 발명에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템은 광섬유가 복수개의 가진부 또는 감지부와 연결되어 신호를 전달함으로써, 네트워크 구축이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에서 복수개의 가진부와 감지부가 사용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에서 복수개의 가진부와 감지부가 사용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1,제2실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에서 광섬유 격자 센서와 레이저신호의 스펙트럼을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에서 복수개의 가진부와 감지부가 사용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템(100)에는 가진부(110), 감지부(120), 레이저발생부(130), 가진케이블부(140), 감지케이블부(150) 및 데이터취득부(160)가 구비된다.
가진부(110)와 감지부(120)는 검사대상물인 구조물(1)에 부착된다. 가진부(110)는 구조물(1)에 진동을 유발하고, 감지부(120)는 가진부(110)에 의한 진동을 감지한다.
레이저발생부(130)는 레이저신호를 생성한다. 이러한 레이저신호는 가진케이블부(140)나 감지케이블부(150)를 통해 이동된다.
가진케이블부(140)는 일단부가 레이저발생부(130)와 연결되고, 타단부가 가진부(110)와 연결된다. 이러한 가진케이블부(140)는 레이저신호를 가진부(110)로 전달한다.
감지케이블부(150)는 일단부가 가진케이블부(140)와 연결되고, 감지부(120)와 연결된다. 이러한 감지케이블부(150)는 레이저신호를 감지부(120)로 전달한다.
데이터취득부(160)는 감지케이블부(150)와 연결된다. 이러한 데이터취득부(160)는 감지케이블부(150)의 단부에 연결되고, 레이저신호가 감지부(120)를 통과하면서 수신하는 진동신호를 수신한다.
데이터취득부(160)는 감지부(120)를 통과한 레이저신호를 수신함으로써, 궁극적으로 감지부(120)가 감지한 진동신호를 수신하게 된다. 이때, 데이터취득부(160)는 수신된 신호를 통해 구조물(1)에 대한 손상 여부를 파악한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템(100)에는 변조부(170)가 더 구비된다. 변조부(170)는 레이저발생부(130)와 가진부(110) 사이에 배치되고, 가진케이블부(140)에 장착된다.
변조부(170)는 레이저신호를 임의파형으로 변조하고, 증폭시킨다. 변조부(170)를 통해 변환된 임의파형은 가진케이블부(140)를 통해 가진부(110)에 도달된다.
감지케이블부(150)는 레이저발생부(130)와 변조부(170) 사이에 배치되는 가진케이블부(140)와 연결된다. 이러한 감지케이블부(150)를 통해 레이저발생부(130)에서 생성된 레이저신호가 감지부(120)에 도달된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가진부(110)는 압전소자를 포함하여 이루어진다. 가진부(110)에는 변조부(170)를 통해 변환된 임의파형의 레이저신호를 전류로 전환하는 포토다이오드와, 변환전류를 증폭하는 변압기가 구비되고, 압전소자는 전류를 공급받아 구조물(1)을 가진시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감지부(120)는 광섬유 격자 센서를 포함하여 이루어진다.
광섬유 격자 센서는 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.
광섬유 격자 센서는 각 격자의 반사 파장을 다르게 함으로써, 반사된 빛의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다.
가진케이블부(140)와 감지케이블부(150)는 광섬유를 포함하여 이루어진다. 이러한 광섬유는 길이에 따른 신호의 왜곡이나 에너지 감쇠현상이 방지되며, 전력케이블이 야기하는 스파크 현상을 야기하지 않는다.
구조물(1)에는 복수의 가진부(110)와 감지부(120)가 구비된다, 각 감지부(120)는 서로 다른 파장을 가지며, 각 가진부(110)는 서로 다른 파장을 갖는 감지부(120)에 대응된다.
가진케이블부(140)에는 복수의 가진부(110)가 연결되고, 감지케이블부(150)에는 복수의 감지부(120)가 연결된다.
각 가진부(110)에서 가진된 구조물(1)의 진동신호는 이에 대응되는 감지부(120)가 수신하므로, 복수개의 가진부(110)와 감지부(120)는 구조물(1)의 다양한 지점에 대한 검사를 할 수 있다
도 1과 도 2를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
레이저발생부(130)에 의해 발생된 레이저신호는 가진케이블부(140)를 통해 가진부(110)로 전달되고, 감지케이블부(150)를 통해 감지부(120)로 전달된다.
레이저신호를 수신하는 가진부(110)는 구조물(1)을 가진시키고, 레이저신호를 수신하는 감지부(120)는 가진부(110)에 의해 가진된 구조물(1)의 신호를 수신한다.
감지부(120)를 통해 수신된 신호는 데이터취득부(160)로 전달되고, 데이터취득부(160)는 수신된 신호를 분석하여 구조물(1)에 대한 안전성 여부를 추정한다.
한편, 구조물(1)에 복수개의 가진부(110)와, 각 가진부(110)에 대응되는 감지부(120)가 구비되면, 구조물(1)의 다양한 지점에 대한 검사가 가능하다.
이때, 각 감지부(120)는 서로 다른 파장을 가지며, 레이저신호에 대한 파장 대역을 변화하면, 가진부(110) 중 어느 하나가 순차적으로 가진되고, 이러한 가진부(110)에 대응되는 감지부(120)가 순차적으로 가진된 신호를 센싱한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에서 복수개의 가진부와 감지부가 사용되는 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템(200)에는 가진부(210), 감지부(220), 레이저공급부(230), 단일케이블부(240), 및 데이터취득부(260)가 구비된다.
가진부(210)와 감지부(220)는 검사대상물인 구조물(1)에 부착된다. 가진부(210)는 구조물(1)에 진동을 유발하고, 감지부(220)는 가진부(210)에 의한 진동을 감지한다.
레이저공급부(230)는 레이저신호를 공급한다. 이러한 레이저공급부(230)는 레이저신호를 생성하여 임의파형으로 변조하고 증폭하며, 변조된 임의파형은 단일케이블부(240)를 통해 이동된다.
단일케이블부(240)는 일단부가 레이저공급부(230)와 연결되고, 가진부(210)와 감지부(220)를 경유한다. 이러한 단일케이블부(240)는 레이저신호를 가진부(210)와 감지부(220)에 전달한다.
데이터취득부(260)는 단일케이블부(240)와 연결된다. 이러한 데이터취득부(260)는 단일케이블부(240)의 단부에 연결되고, 레이저신호가 감지부(220)를 통과하면서 수신하는 진동신호를 수신한다.
데이터취득부(260)는 감지부(220)를 통과한 레이저신호를 수신함으로써, 궁극적으로 감지부(220)가 감지한 진동신호를 수신하게 된다. 이때, 데이터취득부(260)는 수신된 신호를 통해 구조물(1)에 대한 손상 여부를 파악한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가진부(210)는 압전소자를 포함하여 이루어진다. 가진부(210)에는 레이저신호를 전류로 변환하는 포토다이오드와, 변환전류를 증폭하는 변합기가 구비되고, 압전소자는 전류를 공급받아 구조물(1)을 가진시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감지부(220)는 광섬유 격자 센서를 포함하여 이루어진다.
광섬유 격자 센서는 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.
광섬유 격자 센서는 각 격자의 반사 파장을 다르게 함으로써, 반사된 빛의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다.
단일케이블부(240)는 광섬유를 포함하여 이루어진다. 이러한 광섬유는 길이에 따른 신호의 왜곡이나 에너지 감쇠현상이 방지되며, 전력케이블이 야기하는 스파크 현상을 야기하지 않는다.
구조물(1)에는 복수의 가진부(210)와 감지부(220)가 구비된다, 각 감지부(220)는 서로 다른 파장을 가지며, 각 가진부(210)는 서로 다른 파장을 갖는 감지부(220)에 대응된다.
단일케이블부(240)에는 복수의 가진부(210) 및 복수의 감지부(220)가 연결된다.
각 가진부(210)에서 가진된 구조물(1)의 진동신호는 이에 대응되는 감지부(220)가 수신하므로, 복수개의 가진부(210)와 감지부(220)는 구조물(1)의 다양한 지점에 대한 검사를 할 수 있다.
도 3과 도 4를 참조하여 본 발명의 제2실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
레이저공급부(230)에 의해 공급되는 레이저신호는 단일케이블부(240)를 통해 가진부(210)와 감지부(220)로 전달된다.
레이저신호를 공급받은 가진부(210)는 구조물(1)을 가진시키고, 레이저신호를 공급받은 감지부(220)는 가진부(210)에 의해 가진된 구조물(1)의 신호를 수신한다.
감지부(220)를 통해 수신된 신호는 데이터취득부(260)로 전달되고, 데이터취득부(260)는 수신된 신호를 분석하여 구조물(1)에 대한 안전성 여부를 추정한다.
한편, 구조물(1)에 복수개의 가진부(210)와, 각 가진부(210)에 대응되는 감지부(220)가 구비되면, 구조물(1)의 다양한 지점에 대한 검사가 가능하다.
이때, 각 감지부(220)는 서로 다른 파장을 가지며, 레이저신호에 대한 파장 대역을 변화하면, 가진부(210) 중 어느 하나가 순차적으로 가진되고, 이러한 가진부(210)에 대응되는 감지부(220)가 순차적으로 가진된 신호를 센싱한다.
한편, 광섬유 격자 센서를 이용한 유도파 감지 방법은 다음과 같다.
Figure 112010029354974-pat00001
수학식 1은 광섬유 격자 센서의 파장을 나타내는 것으로서,
Figure 112010029354974-pat00002
는 광섬유 격자 센서의 파장이고,
Figure 112010029354974-pat00003
는 평균 굴절률이며,
Figure 112010029354974-pat00004
는 광섬유 격자 센서의 격자 주기이다.
Figure 112010029354974-pat00005
수학식 2는 구조물 변위 변화에 따른 광섬유 격자 센서의 파장 변화를 나타내는 것으로서,
Figure 112010029354974-pat00006
는 광섬유 격자 센서의 파장 변화량이고,
Figure 112010029354974-pat00007
는 외부 하중에 의한 변위이며,
Figure 112010029354974-pat00008
는 재료 물성치와 연관된 변위계수이다.
도 5는 본 발명의 제1,제2실시예에 따른 비파괴검사를 위한 레이저 시스템에서 광섬유 격자 센서와 레이저신호의 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 가진부(110,210)에서 발생되는 유도파로 인해 구조물(1)에는 변위가 생성되고, 이러한 변위에 따라 광섬유 격자 센서의 격자 간격이 변화된다.
이러한 광섬유 격자 센서의 파장 변화는 도 3의 격자 스펙트럼을 수평방향으로 변화시키고, 이에 따라 광섬유 격자 센서에서 반사되는 레이저신호의 세기도 변화하게 된다. 즉, 레이저신호 세기의 변화는 유도파 파형의 변화와 대응된다.
따라서, 광섬유 격자 센서에서 반사되는 레이저신호의 세기를 측정함으로써, 구조물(1) 내부의 유도파 파형을 파악하고, 구조물(1)의 손상 여부를 추정할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
110 : 가진부 120 : 감지부
140 : 가진케이블부 150 : 감지케이블부
240 : 단일케이블부

Claims (12)

  1. 구조물에 부착되고, 진동을 유발하는 가진부;
    상기 구조물에 부착되고, 진동을 감지하는 감지부;
    레이저신호를 생성하는 레이저발생부;
    상기 레이저발생부와 상기 가진부에 연결되는 가진케이블부;
    상기 가진케이블부와 연결되고, 상기 감지부와 연결되는 감지케이블부; 및
    상기 감지케이블부와 연결되어 데이터를 취득하는 데이터취득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가진케이블부에 장착되고, 상기 레이저신호를 변환하는 변조부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 감지케이블부는 상기 레이저발생부와 상기 변조부 사이에 배치되는 상기 가진케이블부와 연결되는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가진부는 압전소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 감지부는 광섬유 격자 센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1항에 있어서,
    상기 가진케이블부와 상기 감지케이블부는 광섬유를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 1항에 있어서,
    상기 가진케이블부에는 복수의 가진부가 연결되고,
    상기 감지케이블부에는 상기 가진부에 각각 대응되는 복수개의 감지부가 연결되는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  8. 구조물에 부착되고, 진동을 유발하는 가진부;
    상기 구조물에 부착되고, 진동을 감지하는 감지부;
    레이저신호를 공급하는 레이저공급부;
    상기 레이저공급부와 연결되고, 상기 가진부와 상기 감지부를 경유하는 단일케이블부; 및
    상기 단일케이블부와 연결되어 데이터를 취득하는 데이터취득부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 가진부는 압전소자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 감지부는 광섬유 격자 센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 8항에 있어서,
    상기 단일케이블부는 광섬유를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 8항에 있어서,
    상기 단일케이블부에는 복수의 가진부가 연결되고,
    상기 단일케이블부에는 상기 가진부에 각각 대응되는 복수개의 감지부가 연결되는 것을 특징으로 하는 비파괴검사를 위한 레이저 시스템.
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