KR101551486B1

KR101551486B1 - 전단간섭법을 이용한 변형측정장치

Info

Publication number: KR101551486B1
Application number: KR1020140005281A
Authority: KR
Inventors: 김경석; 정현철; 선상우; 최태호; 강찬근
Original assignee: 조선대학교산학협력단
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-09-08
Also published as: KR20150085424A

Abstract

본 발명은 전단간섭법을 이용한 변형측정 장치에 관한 것으로서, 측정대상체를 지지할 수 있도록 지지부와, 지지부에 지지된 측정대상체에 광을 조사하는 메인 광원부와, 측정대상체에 조사된 후 반사된 광을 제1경로와 제1경로와 직교되는 방향인 제2경로로 분할하여 출력하는 빔스플릿터와, 빔스플릿터에서 제1경로로 진행되는 광을 반사시켜 빔스플릿터로 재입사되게 설치된 기준미러와, 빔스플릿터에서 제2경로로 진행되는 광을 반사시켜 빔스플릿터로 재입사되게 설치된 가변미러와, 가변미러를 제2경로를 중심으로 좌우방향 및 상하방향에 대해 틸팅시킬 수 있도록 된 틸팅부와, 기준미러와 가변미러로부터 빔스플릿터에 재입사되어 제3경로로 출력되는 광을 촬상하는 촬상부와, 틸팅부를 제어하여 가변미러의 틸팅각도를 조정하면서 촬상부에 의해 촬상된 간섭무늬를 수신하여 표시부를 통해 표시되게 처리하는 처리유니트를 구비한다. 이러한 전단간섭법을 이용한 변형측정장치에 의하면, 가변미러가 두 축방향에 대해 기울임이 가능하여 결함측정 정밀도를 높일 수 있다.

Description

전단간섭법을 이용한 변형측정장치{DEFORMATION MEASURING APPARATUS USING SHEAROGRAPHY}

본 발명은 전단간섭법을 이용한 변형측정장치에 관한 것으로서, 상세하게는 측정대상체로부터 반사된 광에 간섭을 유도하기 위한 가변미러를 틸팅시킬 수 있도록 된 전단간섭법을 이용한 변형측정장치에 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 이용하여 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, 비파괴검사분야에서 유용한 방법으로 활용이 되고 있다.

이러한 전단간섭계를 이용한 변형측정장치가 국내 공개특허 제10-2008-0065784호에 개시되어 있다.

그런데, 종래의 전단간섭계를 이용한 변형측정장치는 기준미러에 대해 간섭패턴을 유도하는 가변미러를 한 축에 대해서만 기울울 수록 되어 있어 측정대상체의 결함 방향에 대응하는 간섭패턴을 측정하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 가변미러를 두 축방향에 대해 입체적으로 기울일 수 있는 전단간섭법을 이용한 변형측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정장치 측정대상체를 지지할 수 있도록 지지부와; 상기 지지부에 지지된 측정대상체에 광을 조사하는 메인 광원부와; 상기 측정대상체에 조사된 후 반사된 광을 제1경로와 상기 제1경로와 직교되는 방향인 제2경로로 분할하여 출력하는 빔스플릿터와; 상기 빔스플릿터에서 상기 제1경로로 진행되는 광을 반사시켜 상기 빔스플릿터로 재입사되게 설치된 기준미러와; 상기 빔스플릿터에서 상기 제2경로로 진행되는 광을 반사시켜 상기 빔스플릿터로 재입사되게 설치된 가변미러와; 상기 가변미러를 상기 제2경로를 중심으로 좌우방향 및 상하방향에 대해 틸팅시킬 수 있도록 된 틸팅부와; 상기 기준미러와 상기 가변미러로부터 상기 빔스플릿터에 재입사되어 제3경로로 출력되는 광을 촬상하는 촬상부와; 상기 틸팅부를 제어하여 상기 가변미러의 틸팅각도를 조정하면서 상기 촬상부에 의해 촬상된 간섭무늬를 수신하여 표시부를 통해 표시되게 처리하는 처리유니트;를 구비한다.

상기 틸팅부는 상기 가변미러의 상기 빔스플릿터와 대향되는 면 맞은편의 배면 중앙에 형성된 구형홈에 일단이 삽입되어 상기 가변미러를 상기 구형홈을 중심으로 회동가능하게 지지하는 볼조인트와; 상기 볼조인트의 타단을 고정하는 고정 프레임과; 상기 고정프레임에 일단이 고정되게 설치되고 타단은 상기 가변미러에 결합되어 상기 처리유니트의 제어에 의해 길이가 신축되어 상기 가변미러를 상기 볼조인트를 중심으로 틸팅시키는 복수의 액추에이터;를 구비한다.

또한, 상기 가변미러의 틸팅각도를 좌우방향과 상하방향에 대해 검출할 수 있도록 상기 고정프레임의 상기 가변미러와 대향되는 면에 상기 가변미러에 광을 조사하는 보조 광원과, 상기 상기 가변미러의 배면으로부터 반사된 광을 수신하여 상기 처리유니트에 제공하는 광검출기로 된 광센서가 상기 고정프레임에 이격되게 복수개 마련되어 있다.

또한, 상기 지지부를 통해 상기 측정대상체에 변형을 유도하기 위한 변형력 또는 열을 인가하는 변형유도부;를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정장치에 의하면, 가변미러가 두 축방향에 대해 기울임이 가능하여 결함측정 정밀도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 가변미러의 틸팅구조를 설명하기 위한 부분 발췌 사시도이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 가변미러의 틸팅구조를 나타내 보인 측면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정장치를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정장치를 나타내 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 가변미러의 틸팅구조를 설명하기 위한 부분 발췌 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전단간섭법을 이용한 변형측정장치(100)는 지지부(110), 메인 광원부(120), 빔스플릿터(130), 기준미러(140), 가변미러(150), 틸팅부(160), 촬상부(180) 및 처리유니트(190)를 구비한다.

지지부(110)는 측정대상체(10)를 지지할 수 있도록 되어 있다.

지지부(110)는 측정대상체(10)의 양단을 지지할 수 있도록 되어 있고, 지지구조는 다양하게 적용될 수 있음은 물론이다.

메인 광원부(120)는 지지부(110)에 지지된 측정대상체(10)의 측정 표면에 광을 조사한다.

메인 광원부(120)는 레이저 광을 출사하는 레이저 광원이 적용되는 것이 바람직하다.

빔 스플릿터(130)는 측정대상체(10)로부터 반사된 광을 입사받을 수 있는 위치에 설치되어 측정대상체(10)의 측정 표면에 조사된 후 반사된 광을 제1경로(131)와 제1경로(131)와 직교되는 방향인 제2경로(132)로 분할하여 출력한다.

기준 미러(140)는 빔스플릿터(130)에서 제1경로(131)로 진행되는 광을 반사시켜 빔스플릿터(130)로 재입사되게 설치되어 있다.

여기서 기준 미러(140)의 위치는 고정되어 있다.

가변미러(150)는 빔스플릿터(130)에서 제2경로(132)로 진행되는 광을 반사시켜 빔스플릿터(130)로 재입사시킬 수 있도록 설치되어 있다.

가변미러(150)는 틸팅부(160)에 의해 제2경로(132)를 중심으로 좌우방향 및 상하방향에 대해 틸팅시킬 수 있도록 되어 있다.

틸팅부(160)는 볼조인트(162), 고정프레임(161), 4 개의 액추에이터(164) 및 구동부(168)를 구비한다.

볼 조인트(162)는 가변미러(150)의 빔스플릿터(130)와 대향되는 면 맞은편의 배면(152) 중앙에 형성된 구형홈(154)에 일단이 삽입되어 가변미러(150)를 구형홈(154)을 중심으로 회동가능하게 지지하도록 되어 있다.

볼조인트(162)는 구형홈(154)에 구속상태로 삽입되어 가변미러(150)를 회전가능하게 지지하는 볼부분(162a)과, 볼부분(162a)으로부터 연장되어 지지프레임에 고정되게 결합된 지지바(162b)로 되어 있다.

고정 프레임(161)은 볼조인트(162)의 타단 즉, 지지바(162b)를 고정할 수 있도록 되어 있다.

액추에이터(171 내지 174)는 고정프레임(161)에 일단이 고정되게 설치되고 타단은 가변미러(150)에 결합되어 후술되는 처리유니트(190)의 제어에 의해 로드(171a 내지 174a)의 길이가 신축되어 가변미러(150)를 볼조인트(162)를 중심으로 틸팅시킨다.

도시된 예에서는 4 개의 액추에이터(171 내지 174)가 볼조인트(162)가 결합된 구형홈(154)을 중심으로 상부 및 하부와, 좌측 및 우측에 각각 결합된 구조로 되어 있다.

엑추에이터(171 내지 174)는 구동부(168)의 구동에 의해 로드(171a 내지 174a)의 진퇴길이를 조절할 수 있는 실린더가 적용되었고, 도시된 예와 다르게, 길이를 가변하여 가변미러(150)를 틸팅시킬 수 있는 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.

이러한 엑추에이터(171 내지 174)는 도 2의 Y축을 중심으로 가변미러(150)를 상부가 뒤로 재껴지는 방향으로 틸팅시키고자 하는 경우 상부 및 하부에 있는 엑추에이터(171)(172)중 상부에 있는 엑추에이터(171)의 로드(17164a)의 길이가 줄어들고 하부에 있는 액추에이너(172)의 로드(164a)의 길이는 늘어나게 제어하면 된다.

또한, 도 2의 X축을 중심으로 왼쪽부분이 뒤로 재껴지는 방향으로 가변미러(150)를 틸팅시키고자 하는 경우 좌측에 있는 엑추에이터(173)의 로드(173a)의 길이가 축소되고, 우측에 있는 엑추에이터(174)의 로드(174a)의 길이가 늘어나게 제어하면 된다.

특히, X방향과 Y방향 모두에 대해 틸팅시키고자 하는 경우 그에 대응되게 엑추에이터(171 내지 174)의 로드(171a 내지 174a)의 길이를 조정하면 된다.

이러한 가변미러(150)의 틸팅각도를 상하 및 좌우에 대해 모두 조정할 수 있게 되면 측정대상체에 대한 결합영역의 연장방향에 대응되는 각도로 가변미러(150)를 틸팅시킨 상태에서 간섭무늬를 얻을 수 있어 결합영역에 대한 측정정밀도를 높일 수 있다.

엑추에이터(171 내지 174)는 가변미러(150)의 배면의 결합위치에 형성된 구형홈(177)에 구속되게 볼 형태로 결합된 구조가 예시되어 있고, 도시된 예와 다르게 도 3에 도시된 바아 같이 고리(178)를 통해 회동가능하게 결합될 수 있음은 물론이다.

구동부(168)는 처리유니트(190)의 제어신호에 대응되게 액추에이터(171 내지 174)를 구동한다.

한편, 도시된 예와 다르게, 상부 엑추에이터(171)와 좌측 엑추에이터(173)만 적용하여 틸팅각도를 조정할 수 있도록 구축될 수 있음은 물론이다.

촬상부(180)는 기준미러(140)와 가변미러(150)로부터 빔스플릿터(130)에 재입사되어 제3경로(133)로 출력되는 광을 촬상하고, 촬상된 이미지를 처리유니트(190)에 제공한다.

변형유도부(185)는 지지부(110)를 통해 지지된 측정대상체(10)에 변형을 유도하기 위한 변형력 또는 열을 인가할 수 있도록 되어 있다.

변형유도부(185)는 외력을 인가하도록 된 경우 지지부(110)를 통해 설정된 외력이 인가되도록 구축될 수 있고, 열을 인가하도록 된 경우에는 열을 인가하는 가열부를 적용하면 된다.

한편, 가변미러(150)의 틸팅각도를 좌우방향과 상하방향에 대해 각각 검출할 수 있도록 고정프레임(161)의 가변미러(150)와 대향되는 면에 설치되어 가변미러의 배면(152)에 광을 조사하는 보조 광원(187a)과, 가변미러(150)의 배면(152)으로부터 반사된 광을 수신하여 처리유니트(190)에 제공하는 광검출기(187b)가 한 조로 된 광센서(187)가 고정프레임(161)에 이격되게 복수개 마련되어 있다.

처리유니트(190)는 촬상부(180)에 의해 촬상된 간섭무늬를 수신하여 표시부(194)를 통해 표시되게 처리한다.

처리유니트(190)는 분석부(192), 표시부(194) 및 조작부(195)를 구비한다.

분석부(192)는 틸팅부(160)를 설정된 구동조건에 따라 제어하고, 촬상부(180)로부터 수신된 이미지를 표시부(194)에 표시되게 처리한다. 여기서, 분석부(192)는 초기에 가변미러(150)가 제2경로(132)에 대해 직교하는 방향이 되게 유지된 상태에서 촬상부(180)로부터 초기 이미지를 저장하고, 이후 설정된 틸팅패턴에 따라 틸팅부(160)를 제어하면서 촬상부(180)에서 촬상된 간섭무늬를 수신하여 저장 및 표시부(194)에 표시되게 처리한다.

또한, 분석부(192)는 틸팅부(160)를 제어하여 틸팅각도를 변화시킨 다음 광센서(187)를 구동하여, 보조광원(187a)에서 출사된 광이 광검출기(187b)에 수신되기까지의 시간으로부터 이격거리의 변화를 산출하고 이로부터 틸팅각도로 변환하여 틸팅각도가 설정된 각도만큼 변화됐는지를 판단한다.

또한, 분석부(192)는 변형유도량이 설정된 경우 변형유도부(185)를 제어하고, 이후 측정을 수행한다.

조작부(195)는 적용되는 측정대상체(10)에 대응한 틸팅각도 변환 조건, 변형유도량등 지원되는 기능을 설정할 수 있도록 되어 있다.

이상에서 설명된 전단간섭법을 이용한 변형측정장치에 의하면, 가변미러(150)를 두 축방향에 대해 모두 기울임 조정을 할 수 있어 결함측정 정밀도를 높일 수 있다.

110: 지지부 120: 메인 광원부
130: 빔스플릿터 140: 기준미러
150: 가변미러 160: 틸팅부
180: 촬상부 190: 처리유니트

Claims

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측정대상체를 지지할 수 있도록 지지부와;
상기 지지부에 지지된 측정대상체에 광을 조사하는 메인 광원부와;
상기 측정대상체에 조사된 후 반사된 광을 제1경로와 상기 제1경로와 직교되는 방향인 제2경로로 분할하여 출력하는 빔스플릿터와;
상기 빔스플릿터에서 상기 제1경로로 진행되는 광을 반사시켜 상기 빔스플릿터로 재입사되게 설치된 기준미러와;
상기 빔스플릿터에서 상기 제2경로로 진행되는 광을 반사시켜 상기 빔스플릿터로 재입사되게 설치된 가변미러와;
상기 가변미러를 상기 제2경로를 중심으로 좌우방향 및 상하방향에 대해 틸팅시킬 수 있도록 된 틸팅부와;
상기 기준미러와 상기 가변미러로부터 상기 빔스플릿터에 재입사되어 제3경로로 출력되는 광을 촬상하는 촬상부와;
상기 틸팅부를 제어하여 상기 가변미러의 틸팅각도를 조정하면서 상기 촬상부에 의해 촬상된 간섭무늬를 수신하여 표시부를 통해 표시되게 처리하는 처리유니트;를 구비하고,
상기 틸팅부는
상기 가변미러의 상기 빔스플릿터와 대향되는 면 맞은편의 배면 중앙에 형성된 구형홈에 일단이 삽입되어 상기 가변미러를 상기 구형홈을 중심으로 회동가능하게 지지하는 볼조인트와;
상기 볼조인트의 타단을 고정하는 고정 프레임과;
상기 고정프레임에 일단이 고정되게 설치되고 타단은 상기 가변미러에 결합되어 상기 처리유니트의 제어에 의해 길이가 신축되어 상기 가변미러를 상기 볼조인트를 중심으로 틸팅시키는 복수의 액추에이터;를 구비하며,
상기 가변미러의 틸팅각도를 좌우방향과 상하방향에 대해 검출할 수 있도록 상기 고정프레임의 상기 가변미러와 대향되는 면에 상기 가변미러에 광을 조사하는 보조 광원과, 상기 상기 가변미러의 배면으로부터 반사된 광을 수신하여 상기 처리유니트에 제공하는 광검출기로 된 광센서가 상기 고정프레임에 이격되게 복수개 마련된 것을 특징으로 하는 전단간섭법을 이용한 변형측정 장치.
제3항에 있어서, 상기 지지부를 통해 상기 측정대상체에 변형을 유도하기 위한 변형력 또는 열을 인가하는 변형유도부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전단간섭법을 이용한 변형측정 장치.