KR20020050831A

KR20020050831A - 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치 및 방법

Info

Publication number: KR20020050831A
Application number: KR1020000080015A
Authority: KR
Inventors: 임충수; 박형국; 김달우
Original assignee: 신현준; 재단법인 포항산업과학연구원; 이구택; 주식회사 포스코
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-06-28

Abstract

본 발명은 제철공정에서 레이저를 이용하여 강판의 이송속도를 측정함에 있어 광섬유를 이용함으로써 산업현장에서의 속도측정을 보다 안정적이고 용이할 수 있는 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 속도측정장치는, 강판(30)의 생산라인에 근접하게 설치되는 센서헤드(40)와, 생산라인과 거리를 두는 운전실(20)에 설치되는 다수의 장치들과, 센서헤드의 구성요소와 운전실의 장치들을 서로 연결하는 다수의 광섬유(31, 32)를 포함한다. 운전실에는 레이저(21)와, 레이저에서 출력되는 레이저 빔에서 편광성을 제거하는 편광 변환기(22 ; polarization scrambler)와, 강판에서 산란된 산란광의 세기를 검출하는 광검출기(23) 및, 산란광의 세기를 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단(24)이 각각 설치되어 있다. 센서헤드(40)에는 편광 변환기를 통과한 레이저 빔을 광섬유(31)를 통해 전송받아 2개의 빔으로 분할하는 윌라스톤 프리즘(42 ; wallaston prism)과, 윌라스톤 프리즘을 통해 각각 분할된 2개의 레이저 빔이 강판의 동일지점에 조사되도록 각각 반사하는 거울(43, 44) 및, 거울에 의해 강판에 조사되는 레이저 빔 중 어느 하나를 편광방향 90°회전시키는 편광회전기(46)가 각각 설치되어 있으며, 강판에서 산란된 산란광(45)은 광섬유(32)를 통해 광검출기(23)로 전송된다.

Description

광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치 및 방법{Industrial laser speed measurement apparatus and method using optical fiber}

본 발명은 산업용 레이저 속도측정장치에 관한 것이며, 특히, 제철공정에서레이저를 이용하여 강판의 이송속도를 측정함에 있어 광섬유를 이용하는 산업용 레이저 속도측정장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 제철공정에서 레이저를 이용하여 강판의 이송속도를 측정함에 있어 광섬유를 이용하는 산업용 레이저 속도측정방법에 관한 것이기도 하다.

통상 레이저를 이용한 속도계는 빛이 물체에 조사되었을 때 물체의 이동속도에 따라 산란되는 빛의 주파수가 변하는 도플러 효과를 이용한다. 즉, 물체에 주파수가 F 인 빛이 조사되면 도플러 효과에 의해 산란되는 빛의 주파수는 FS(= F + ΔF)로 천이되며 천이량(ΔF)을 알면 강판의 속도를 알 수 있다. 그러나, 빛의 주파수는 매우 높으며 도플러 효과에 의한 천이량은 이에 비해 극히 작으므로 이 주파수 천이량을 직접 측정하는 것은 매우 어렵고 대규모의 분석장치를 사용되어야 하는 바, 통상 두 개의 빛살(빔)을 간섭시켜 낮은 주파수의 맥놀이(beating) 현상을 발생시킨다. 이 맥놀이 주파수는 주파수 천이량에 비례하며 주파수 영역이 낮아 분석이 용이하다.

이와 같은 원리를 이용하여 강판의 이송방향 및 속도를 측정하는 종래의 통상적인 레이저 판속계는 도 1과 같이 구성되어 있다.

도 1에 보이듯이, 종래의 레이저 속도계는 측정대상과 근접하게 위치하는 센서헤드(10)와, 이런 센서헤드(10)에서 감지한 산란광의 세기를 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단(11) 및, 이런 센서헤드(10)의 구성요소와 속도측정수단(11)을 서로 연결하는 전기 케이블(12)로 구성되어 있다.

도 1에 도시된 종래의 레이저 속도계는 반도체 레이저(1)에서 발생된주파수(F)를 갖는 레이저 빔은 빛살 가르개(2)에 의해 두 개의 빔으로 분리된 후, 빛살 조절기(3 ; beam steering optics)에 의해 각각 측정대상인 강판(6)의 동일위치에 조사된다. 이 때, 강판(6)은 V 의 속도로 이송되는 상태이다. 이런 강판(6)에서 산란된 두 레이저 빔(4, 5)의 산란광(7)은 그 세기가 광검출기(8)에 의해 전기적인 신호로 변환된다. 이런 산란광(7)에는 강판(6)으로 조사되는 두 레이저 빔의 산란광이 혼합되어 있으며, 이 두 산란광은 서로 간섭을 일으킨다. 이러한 간섭효과에 의한 광검출기(8)의 출력 주파수(F_T)는 수학식 1과 같다.

상기의 수학식 1을 이용하면 강판(6)의 이송속도(V)를 알 수가 있다. 광검출기(8)의 출력은 전기 케이블(10)에 의해 속도측정수단(11)에 전송되며, 이 속도측정수단(11)에서 강판(6)의 이송속도가 계산된다. 이와 같은 레이저를 이용하는 속도측정에 있어서 중요한 점은 강판으로 조사되는 두 레이저 빔(4, 5)의 편광(polarization) 방향이 동일해야 한다는 것이다. 일반적으로 반도체 레이저의 출력 빔은 하나의 방향으로 편광되어 있다. 즉, 도 1에 도시된 레이저 판속계에서는 빛살 가르개(2) 및 빛살 조절기(3)가 레이저 빔의 편광방향을 그대로 유지하기 때문에, 강판(6)으로 조사되는 두 레이저 빔(4, 5)의 편광방향은 동일하게 된다.

앞서 설명한 바와 같이 구성된 종래의 레이저 속도계를 산업현장에 사용할 경우에는 다음과 같은 단점이 있다.

첫째, 통상 산업현장에서 센서헤드(10)는 강판(6)의 생산라인에 근접되어 설치되고, 속도측정수단(11)은 운전실에 설치되므로 전기 케이블(10)의 길이가 매우 길며 이에 따라 신호의 감쇠, 전기적 잡음 유입과 같은 문제점이 상존한다.

둘째, 센서헤드(10) 내에 반도체 레이저(1)와 광검출기(8), 그리고 이를 구동하기 위한 PCB 보드(9)와 같은 전기적 장치들이 다수 장착되어 있으므로 고장요인이 많다는 단점이 있다.

셋째, 센서헤드(10)는 주로 열악한 환경의 생산 라인에 설치되어 있으므로 정비작업이 매우 어려운 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으서, 제철공정에서 레이저를 이용하여 강판의 이송속도를 측정함에 있어 광섬유를 이용함으로써 산업현장에서의 속도측정을 보다 안정적이고 용이할 수 있는 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래기술에 따른 산업용 레이저 응용 속도계의 개략도이고,

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치의 개략도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

20 : 운전실 21 : 반도체 레이저

22 : 편광 변환기 23 : 광검출기

24 : 속도측정수단 30 : 강판

31, 32 : 광섬유 40 : 센서헤드

41, 49 : 빔 콜리메이터 42 : 윌라스톤 프리즘

43, 44 : 거울 45 : 산란광

46 : 편광회전기 47, 48 : 레이저 빔

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 속도측정장치는, 강판의 생산라인에 근접하게 설치되는 센서헤드와, 생산라인과 거리를 두는 운전실에 설치되는 다수의 장치들과, 상기 센서헤드의 구성요소와 운전실의 장치들을 서로 연결하는 다수의 광섬유를 포함한다.

본 발명의 운전실에는 레이저와, 상기 레이저에서 출력되는 레이저 빔에서편광성을 제거하는 편광 변환기(polarization scrambler)와, 강판에서 산란된 산란광의 세기를 검출하는 광검출기 및, 산란광의 세기를 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단이 각각 설치되어 있다. 그리고, 상기 센서헤드에는 상기 편광 변환기를 통과한 레이저 빔을 상기 광섬유를 통해 전송받아 2개의 빔으로 분할하는 윌라스톤 프리즘(wallaston prism)과, 상기 윌라스톤 프리즘을 통해 각각 분할된 2개의 레이저 빔이 강판의 동일지점에 조사되도록 각각 반사하는 거울 및, 상기 거울에 의해 강판에 조사되는 레이저 빔 중 어느 하나를 편광방향 90°회전시키는 편광회전기가 각각 설치되어 있으며, 상기 강판에서 산란된 산란광은 상기 광섬유를 통해 상기 광검출기로 전송된다.

또한, 본 발명의 속도측정방법은, 레이저 빔을 출력하는 출력단계와, 출력되는 레이저 빔에서 편광성을 제거하는 편광제거단계와, 편광이 제거된 레이저 빔을 2개의 빔으로 분할하는 분할단계와, 분할된 2개의 레이저 빔 중 어느 하나를 편광방향 90°회전시키는 회전단계와, 회전된 하나의 빔과 다른 하나의 빔을 강판의 동일지점에 조사하는 조사단계와, 상기 강판에서 산란된 산란광의 세기를 검출하는 검출단계 및, 산란광의 세기를 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정단계를 포함한다.

아래에서, 본 발명에 따른 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치 및 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치의 개략도이다.

광섬유를 산업용 레이저 속도측정장치에 이용함에 있어서, 가장 큰 문제점은 측정대상인 강판으로 조사되는 두 레이저 빔의 편광방향과 세기를 향상 일정하게 유지하기가 어렵다는 것이다. 즉, 레이저 빔이 광섬유에 의해 전송될 때 광섬유의 구부러짐이나 뒤틀림 등에 의해 편광방향이 회전할 수 있어 효율적인 속도측정이 어렵다는 것이다.

그래서, 본 발명에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 편광 변환기 (polarization scrambler)와 윌라스톤 프리즘(wallaston prism)을 이용하였다.

도 2에 보이듯이, 본 발명의 산업용 레이저 속도측정장치는 운전실(20)에 설치되는 다수의 장치들과, 측정대상인 강판(30)의 생산라인에 근접하게 설치되는 센서헤드(40)와, 센서헤드(40)의 구성요소와 운전실(20)의 장치들을 서로 연결하는 다수의 광섬유로 구성되어 있다.

상기 운전실(20)에는 레이저 빔을 출력하는 반도체 레이저(21)와, 이런 반도체 레이저(21)에서 하나의 방향으로 선편광되게 출력되는 레이저 빔에서 편광성을 제거하는 편광 변환기(22)와, 반도체 레이저(21)에서 출력되어 강판(30)에서 산란된 산란광의 세기를 검출하는 광검출기(23) 및, 이런 광검출기(23)에서 검출한 산란광의 세기를 통해 강판(30)의 이송속도를 측정하는 속도측정수단(24)이 각각 설치되어 있다. 상기 편광 변환기(22)는 통과하는 빛이 모든 방향으로 균일한 편광방향을 갖게 한다.

그리고, 센서헤드(40)에는 편광 변환기(22)와 광섬유(31)로 연결되어 있으며 편광된 레이저 빔을 수집하는 빔 콜리메이터(41 ; beam collimeter)와, 이런 빔 콜리메이터(41)에 수집된 레이저 빔을 2개의 빔으로 분할하는 wallaston 프리즘(42)과, 이런 wallaston 프리즘(42)을 통해 각각 분할된 2개의 레이저 빔(47, 48)이 강판(30)의 동일지점에 조사되도록 각각 반사하는 거울(43, 44)과, 이런 거울(43, 44)에 의해 강판(30)에 조사되는 빔 중 어느 하나(48)를 편광방향 90°회전시키는 편광회전기(46)와, 강판(30)에서 산란된 산란광(45)을 수집하는 빔 콜리메이터(49)가 각각 설치되어 있다. 이런 빔 콜리메이터(49)는 광섬유(32)에 의해 운전실에 설치되는 광검출기(23)에 연결되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명을 구성할 경우에는, 두 레이저 빔의 편광방향이 wallaston 프리즘(42)과 편광회전기(46)의 작용에 의해 향상 동일하고, 두 레이저 빔의 세기는 편광 변환기(22)와 wallaston 프리즘(42)의 작용에 의해 향상 서로 비슷하게 된다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치의 작동관계를 상세히 설명하겠다.

도 2에 보이듯이, 먼저 운전실(20)의 내부에 장착된 반도체 레이저(21)의 출력 빔은 하나의 방향으로 선편광되어 있으며 편광 변환기(22)를 거치면서 편광성이 제거된다. 즉, 편광 변환기(22)를 통과한 빛은 모든 방향으로 균일한 편광방향을 갖게 된다. 이와 같이 편광 변환기(22)를 통과한 광은 광섬유(31)를 통해 센서헤드(40)로 전송된다. 이와 같이 센서헤드(40)로 전송된 광은 빔 콜리메이터(41)에서 수집된 후 wallaston 프리즘(42)을 통과하면서 편광방향이 서로 수직인 2개의 레이저 빔(47, 48)으로 분리된다. 이 두 레이저 빔 중 하나(48)는 편광회전기(46)를 거치면서 편광방향이 90°회전한다. 강판(30)에서 산란된 산란광(45)은 빔 콜리메이터(49)에 의해 수집되어 광섬유(32)로 인가된 후 운전실(20)에 위치하는 광검출기(23)에 인가된다. 그러면, 광검출기(23)에서는 산란광의 세기를 검출하고, 속도측정수단(24)에는 산란광의 세기를 통해 강판(30)의 이송속도를 측정하게 된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치는 생산라인에 설치되는 센서헤드의 내부에 간단한 광소자만이 장착되기 때문에 센서헤드의 고장요인이 적으며 소형화가 가능하다.

또한, 본 발명의 산업용 레이저 속도측정장치는 센서헤드와 운전실의 구성요소가 광섬유에 의해 연결되기 때문에 신호감쇠나 전자기 잡음의 유입이 매우 적은 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치 및 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

레이저 빔을 강판에 조사하고 그로 인해 강판에서 산란된 산란광을 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정장치에 있어서,

상기 강판의 생산라인에 근접하게 설치되는 센서헤드와, 생산라인과 거리를 두는 운전실에 설치되는 다수의 장치들과, 상기 센서헤드의 구성요소와 운전실의 장치들을 서로 연결하는 다수의 광섬유를 포함하며,

상기 운전실에는 레이저와, 상기 레이저에서 출력되는 레이저 빔에서 편광성을 제거하는 편광 변환기(polarization scrambler)와, 강판에서 산란된 산란광의 세기를 검출하는 광검출기 및, 산란광의 세기를 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단이 각각 설치되어 있고,

상기 센서헤드에는 상기 편광 변환기를 통과한 레이저 빔을 상기 광섬유를 통해 전송받아 2개의 빔으로 분할하는 윌라스톤 프리즘(wallaston prism)과, 상기 윌라스톤 프리즘을 통해 각각 분할된 2개의 레이저 빔이 강판의 동일지점에 조사되도록 각각 반사하는 거울 및, 상기 거울에 의해 강판에 조사되는 레이저 빔 중 어느 하나를 편광방향 90°회전시키는 편광회전기가 각각 설치되어 있으며,

상기 강판에서 산란된 산란광은 상기 광섬유를 통해 상기 광검출기로 전송되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치.
제1항에 있어서, 상기 강판에서 산란된 산란광은 빔 콜리메이터에 수집되고,상기 빔 콜리메이터에 연결된 상기 광섬유를 통해 광검출기로 전송되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 편광 변환기를 통과한 레이저 빔은 빔 콜리메이터에 수집된 후 상기 윌라스톤 프리즘에 전송되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 산업용 레이저 속도측정장치.
레이저 빔을 강판에 조사하고 그로 인해 강판에서 산란된 산란광을 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정방법에 있어서,

레이저 빔을 출력하는 출력단계와, 출력되는 레이저 빔에서 편광성을 제거하는 편광제거단계와, 편광이 제거된 레이저 빔을 2개의 빔으로 분할하는 분할단계와, 분할된 2개의 레이저 빔 중 어느 하나를 편광방향 90°회전시키는 회전단계와, 회전된 하나의 빔과 다른 하나의 빔을 강판의 동일지점에 조사하는 조사단계와, 상기 강판에서 산란된 산란광의 세기를 검출하는 검출단계 및, 산란광의 세기를 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 속도측정방법.