KR101131596B1 - 전단간섭법을 이용한 변형측정방법 및 이를 이용한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 측정대상물에 발생하는 면외변형을 전단량의 차이를 이용하여 정량적으로 계측하고, 압력 변화에 따른 비결함부의 변형을 정량적으로 계측할 수 있도록 함으로써 전단간섭계의 산업적 활용성을 높일 수 있는 전단간섭법을 이용한 변형측정방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정방법은 전단간섭계를 이용해 전단량을 변화시켜가며 각각의 전단량에 따른 측정대상물의 결함부의 복수개의 위상지도를 획득하는 위상지도 획득단계와, 상기 위상지도 획득단계를 통해 얻어진 결과를 이용해 전단량에 따른 결함부의 변형 선도를 구하는 변형선도 산출단계와, 전단량에 따른 결함부의 변형 선도를 통해 전단량 변화와 변형량 사이의 선형구배를 계산하여 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 구하는 최대 변형량 선도 산출단계와, 상기 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 통해 전단량이 0인 점의 변형량을 추정하는 면외변형 추정단계를 구비한다.

Description

전단간섭법을 이용한 변형측정방법 및 이를 이용한 장치 {QUNTITATIVE OUT-OF-PLAN DEFORMATION MEASURING METHOD AND APPARATUS USING SHEAROGRAPHY}

본 발명은 전단간섭법을 이용한 변형측정방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 측정대상물에 발생하는 면외변형을 전단량의 차이를 이용하여 정량적으로 계측하고, 압력 변화에 따른 비결함부의 변형을 정량적으로 계측할 수 있도록 함으로써 전단간섭계의 산업적 활용성을 높일 수 있는 전단간섭법을 이용한 변형측정방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.

일반적으로 변형을 측정하는 방법은 크게 접촉식과 비접촉식으로 구분된다.

대표적인 접촉식 변형측정 방법은 스트레인게이지와 가속도계이며, 비접촉식 변형측정 방법은 도플러의 원리를 이용하여 레이저 도플러 진동계가 있으며, 대표적인 방법은 전자처리 스페클 패턴 간섭법(ESPI)으로 레이저의 시간적, 공간적인 가간섭성을 이용하여, 정밀한 수준으로 대상물 전체 영역에 걸쳐 실시간측정 및 해석할 수 있다. 그러나 ESPI는 외부에서 발생하는 외란에 매우 민감하여 외부진동을 감쇠하는 방진 테이블이 없는 산업현장에서는 그 적용성이 극히 낮다는 문제점이 있었다.

스페클을 이용하는 또 다른 방법인 전단간섭법(Shearography)은 광학간섭계를 적절하게 구성하여 변형의 도함수 성분을 구할 수 있다는 개념으로 개발되었다. 대상물에 결함이 있는 경우, 외력이 가해지면 응력집중이 발생하며, 강체변형은 변형률 변화를 발생시키지 않기 때문에 전단간섭법은 대상물의 결함을 계측하는데 매우 우수하며, 외란에 매우 강한 장점을 바탕으로 산업현장에서 비파괴검사 기법으로 많이 사용되고 있다. 또한, ESPI보다 간섭계의 구성이 간단하고, 레이저의 가간섭거리가 상대적으로 짧아도 측정이 가능하여, 비파괴 검사분야에서 유용한 방법으로 활용이 되고 있다.

그러나 현재 사용되고 있는 전단간섭법을 이용한 계측방법 및 계측장치의 경우 면외변형 측정 시 대상물에 발생하는 변형에 대하여 상대적인 변형만 측정이 가능하여 베이스(BASE) 변형을 측정할 수 있는 기술에 관한 개발이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 측정대상물의 전단량 차이를 두어 상대적인 변형 뿐 아니라 결함이 없는 부분의 베이스 변형도 측정함으로써 측정대상물 전체의 변형을 측정할 수 있는 전단간섭법을 이용한 변형측정방법 및 이를 이용한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정방법은 상호 다른 전단량으로 전단시켜 복수개의 위상지도를 획득할 수 있는 전단간섭계를 이용하여 측정대상물의 결함부에 대하여 전단량이 다른 복수개의 위상지도를 획득하는 위상지도 획득단계와, 상기 위상지도 획득단계를 통해 얻어진 결과를 이용해 전단량에 따른 결함부의 변형 선도를 구하는 변형선도 산출단계와, 전단량에 따른 결함부의 변형 선도를 통해 전단량 변화와 변형량 사이의 선형구배를 계산하여 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 구하는 최대 변형량 선도 산출단계와, 상기 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 통해 전단량이 0인 점의 변형량을 추정하는 면외변형 추정단계를 구비한다.

상기 목적을 달성하기 위한 전단간섭법을 이용한 변형측정장치는 측정대상물을 지지하며, 상기 측정대상물에 설정된 압력을 부가하는 지지부와, 상기 측정대상물의 변형량 측정을 위해 레이저광을 조사하는 광조사기와, 상기 측정대상물에서 반사된 광을 수광하고 이를 분할하는 빔스플리터와, 분할된 광 중 하나를 임의의 각도로 전단시키기 위한 전단거울 및 상기 전단된 광의 영상을 획득하는 씨씨디카메라를 포함하는 전단간섭계와, 상기 씨씨디카메라에서 획득한 각각의 전단량에 따른 위상지도를 통해 전단량에 따른 결함부의 변형선도를 산출하고 각각의 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 통해 전단량이 0인 점의 변형량을 추정하는 변형량 추정수단을 구비한다.

상기 전단간섭계는 다양한 전단량에 따른 위상지도를 동시에 획득할 수 있도록 상기 측정대상물에서 반사되는 레이저광을 제1 내지 제3 방향으로 분할하는 제1 빔스플리터와, 상기 제1 빔스플리터에 의해 분할된 레이저광들이 수광되고 각각 두 방향으로 분할시키는 제2 내지 제4 빔스플리터와, 상기 제2 내지 제4 빔스플리터에서 각각 분할된 하나의 광을 반사하도록 상기 제2 내지 제4 빔스플리터와 인접하게 각각 설치된 제1 내지 제3 피지티(PZT) 미러와, 상기 제2 내지 제4 빔스플리터에서 분할된 다른 하나의 광을 전단시켜 반사하도록 상기 제2 내지 제4 빔스플리터와 인접하게 각각 설치된 제1 내지 제3 전단미러 및 상기 제2 내지 제4 빔스플리터를 통해 각각의 제1 내지 제3 피지티미러와 제1 내지 제3 전단미러에서 반사된 광을 수광하여 이미지를 획득하는 제1 내지 제3 씨씨디카메라를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정방법 및 이를 이용한 장치는 전단간섭법을 이용해 측정대상물에 발생하는 베이스변형을 측정할 수 있어, 측정대상물의 변형 전체를 측정할 수 있고 또한 결함계측이 가능하며, 면외변형 정량계측의 정밀도를 향상시켜 비파괴검사의 활용효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정장치를 도시한 구성도,
도 2는 도 1의 전단간섭계를 도시한 사시도,
도 3a 내지 도 3c는 측정대상물 전단량을 상호 달리하여 획득한 측정대상물의 위상지도,
도 4는 위상지도를 통해 산출한 각각의 전단량에 대한 변형선도,
도 5는 최대변형선도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정방법 및 이를 이용한 장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1에는 본 발명에 다른 전단간섭법을 이용한 변형측정장치(이하 '변형측정장치'라 함,100)의 구성도가 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 변형측정장치(100)는 측정대상물(10)을 지지하는 지지부(110)와, 상기 측정대상물(10)에 레이저광을 조사하는 광조사기(120)와, 측정대상물(10)에서 반사된 광을 분할 및 전단시키는 전단간섭계(130)와, 전단간섭계(130)에서 획득한 이미지를 통해 전단량이 0인 점에서의 변형량을 추정하는 변형량 추정수단(150)을 포함한다.

상기 지지부(110)는 측정대상물(10)을 지지하면서 측정대상물(10)에 설정된 압력을 부가하는 것이다. 본 실시예에서는 측정대상물(10)이 원통형의 용기형태로 되어 있으며, 지지부(110)는 이 측정대상물(10)의 양 단부를 지지하는 지지대(111)와, 측정대상물(10)의 내부로 압력을 가하기 위한 압력펌프(112)를 포함한다.

상기 광조사기(120)는 측정대상물(10)에 광을 조사하는 것으로서, 하나의 확산광이 측정대상물(10)에 조사될 때 측정대상물(10)에 스페클이 발생하며, 난반사된 광은 전단간섭계(130)로 입사하게 된다.

전단간섭계(130)는 측정대상물(10)에서 난반사된 광을 분할하고, 분할된 하나의 광을 전단시켜 기준광과 전단된 광이 씨씨디카메라에 맺히도록 하기 위한 것이다.

본 실시예의 전단간섭계(130)는 도 2에 도시된 것처럼 전단량을 각각 달리한 세 개의 이미지를 동시에 획득할 수 있도록 구성되어 있는데, 그 구성을 살펴보면, 먼저 측정대상물(10)에서 난반사된 광을 수광하여 세 방향으로 분할하는 제1 빔스플리터(131)와, 제1 빔스플리터(131)에서 세 방향으로 분할된 각각의 광을 다시 두 방향으로 분할하도록 상기 제1 빔스플리터(131)와 인접하게 설치된 제2 내지 제4 빔스플리터(132~134)와, 제2 내지 제4 빔스플리터(132~134)에 인접하도록 설치된 제1 내지 제3 피지티미러(135~137)와, 제1 내지 제3 전단미러(138~140) 및, 제2 내지 제4 빔스플리터(132~134)와 인접하게 설치되어 전단된 광의 영상을 획득하는 제1 내지 제3 씨씨디카메라(141~143)를 포함한다.

후술하는 변형량 추정수단(150)에서 전단량이 0인 점에서의 변형량을 추정하기 위해서는 복수의 전단량에 따른 변형선도를 구할 필요가 있다. 따라서 한번에 세 가지 전단량에 따른 변형선도를 동시에 구할 수 있도록 함으로써 변형량 측정시간을 단축하고 변형량 측정의 정확도를 높일 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

제2 내지 제4 빔스플리터(132~134)는 제1 빔스플리터(131)에서 분할된 세 개의 광을 다시 두 방향으로 분할시키며, 분할된 광은 각각 제1 내지 제3 피지티미러(135~137)와 제1 내지 제3 전단미러(138~140)에서 반사된 후 제2 내지 제4 빔스플리터(132~134)를 통해 제1 내지 제3 씨씨디카메라(141~143)로 조사되어 영상을 맺게 된다.

상기 제1 내지 제3 피지티미러(135~137)는 제2 내지 제4 빔스플리터(132~134)에서 분할된 하나의 광을 제1 내지 제3 씨씨디카메라(141~143)로 반사하여 전단되지 않은 이미지가 맺히도록 한다.

제1 내지 제3 전단미러(138~140)는 제2 내지 제4 빔스플리터(132~134)에서 분할된 다른 하나의 광을 각각 다른 전단각으로 전단시켜 반사하며, 제1 내지 제3 씨씨디카메라(141~143)에는 전단된 이미지가 맺히게 된다.

이렇게 본 실시예의 전단간섭계(130)에서는 상호 다른 세 가지의 전단량으로 전단된 이미지가 제1 내지 제3 씨씨디카메라(141~143)에 동시에 획득됨으로써 한번의 영상획득을 통해 후술하는 변형량 추정수단(150)에 의한 변형량 추정이 가능하게 된다.

미설명부호인 145는 제1 빔스플리터(131)에서 분할된 광을 필터링하기 위한 필터이다.

변형량 추정수단(150)은 다음과 같은 단계들을 통해서 전단량이 0인 점에서의 변형량을 추정한다.

먼저 상기 전단간섭계(130)를 통해 상호 다른 전단량에 따른 측정대상물(10)의 결함부의 복수개의 위상지도를 획득한다.

도 3a 내지 도 3c는 측정대상물(10)에 가해진 압력이 동일할 때 전단량이 각각 10, 20, 30일 때의 위상지도를 표시한 것이다.

도시된 것과 같이 위상지도를 획득하면, 전단량 변화에 따른 결함부 변형의 구배를 적분한 후 전단픽셀 값으로 나누어 결함의 정량적 변형 선도를 구한다.

도 4에는 각각의 전단량에 따른 변형선도가 표시되어 있다.

이렇게 변형선도를 구한 다음 전단량 변화와 변형량 사이의 선형구배를 계산하여 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 구하는 최대 변형량 선도를 산출한다.

최대 변형량 선도는 도 5에 도시된 것처럼 표시되며, 이를 통해 측정대상물(10)에 가해지는 압력의 크기에 관계없이 전단량이 증가할 때 최대 변형은 선형적으로 감소함을 알 수 있다.

이렇게 최대 변형량 선도를 구한 뒤에는 이를 토대로 전단량이 0일 때의 정량적인 최대 변형의 값을 유추한다.

100; 전단간섭법을 이용한 변형측정장치
110; 지지부
120; 광조사기
130; 전단간섭계
131~134; 제1 내지 제4 빔스플리터
135~137; 제1 내지 제3 피지티미러
138~140; 제1 내지 제3 전단미러
141~143; 제1 내지 제3 씨씨디카메라
150; 변형량 추정수단

Claims (3)

1. 상호 다른 전단량으로 전단시켜 복수개의 위상지도를 획득할 수 있는 전단간섭계를 이용하여 측정대상물의 결함부에 대하여 전단량이 다른 복수개의 위상지도를 획득하는 위상지도 획득단계와;
   상기 위상지도 획득단계를 통해 얻어진 결과를 이용해 전단량에 따른 결함부의 변형 선도를 구하는 변형선도 산출단계와;
   전단량에 따른 결함부의 변형 선도를 통해 전단량 변화와 변형량 사이의 선형구배를 계산하여 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 구하는 최대 변형량 선도 산출단계와;
   상기 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 통해 전단량이 0인 점의 변형량을 추정하는 면외변형 추정단계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 전단간섭법을 이용한 변형측정방법.
2. 측정대상물의 변형량 측정을 위해 상기 측정대상물을 향해 레이저광을 조사하는 광조사기와;
   상기 측정대상물에서 반사된 광을 수광하고 이를 분할하는 빔스플리터와, 분할된 광 중 하나를 임의의 각도로 전단시키기 위한 전단거울 및 상기 전단된 광의 영상을 획득하는 씨씨디카메라를 포함하는 전단간섭계와;
   상기 씨씨디카메라에서 획득한 각각의 전단량에 따른 위상지도를 통해 전단량에 따른 결함부의 변형선도를 산출하고 각각의 전단량에 따른 최대 변형량 선도를 통해 전단량이 0인 점의 변형량을 추정하는 변형량 추정수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 전단간섭법을 이용한 변형측정장치.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 전단간섭계는 다양한 전단량에 따른 위상지도를 동시에 획득할 수 있도록
   상기 측정대상물에서 반사되는 레이저광을 제1 내지 제3 방향으로 분할하는 제1 빔스플리터와;
   상기 제1 빔스플리터에 의해 분할된 레이저광들이 수광되고 각각 두 방향으로 분할시키는 제2 내지 제4 빔스플리터와;
   상기 제2 내지 제4 빔스플리터에서 각각 분할된 하나의 광을 반사하도록 상기 제2 내지 제4 빔스플리터와 인접하게 각각 설치된 제1 내지 제3 피지티(PZT) 미러와;
   상기 제2 내지 제4 빔스플리터에서 분할된 다른 하나의 광을 전단시켜 반사하도록 상기 제2 내지 제4 빔스플리터와 인접하게 각각 설치된 제1 내지 제3 전단미러; 및
   상기 제2 내지 제4 빔스플리터를 통해 각각의 제1 내지 제3 피지티미러와 제1 내지 제3 전단미러에서 반사된 광을 수광하여 이미지를 획득하는 제1 내지 제3 씨씨디카메라를 구비하는 것을 특징으로 하는 전단간섭법을 이용한 변형측정장치.

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