KR20020050832A - 고온물체 속도측정장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열연판과 같은 고온물체에 입사되는 두 빔의 세기와 편광을 일정하게 유지하고 고온에서 발생하는 잡음광을 제거함으로써, 물체의 정확한 이송 속도를 측정할 수 있는 고온물체 속도측정장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 속도측정장치는, 레이저 빔을 조사하는 레이저(21)와, 레이저에서 조사된 레이저 빔을 주파수가 다른 2개의 빔으로 나누는 브래그 셀(22 ; Brag cell)과, 브래그 셀로 인해 분할된 2개의 빔을 각각 전송하는 광파이버(24, 25)와, 광파이버를 통해 각각 전송되는 레이저 빔을 수직편광와 수평편광으로 나누는 편광용 광분할기(28, 29)와, 편광용 광분할기에서 나누어진 수평편광을 수직편광으로 변환하는 편광회절자(32, 33)와, 편광회절자에서 각각 변환된 수직편광을 이전의 수직편광과 합쳐 강판(26)에 조사하는 다른 편광용 광분할기(34, 35)와, 강판에서 산란된 산란광을 전송하는 다른 광파이버(39)와, 광파이버를 통해 전송된 광의 세기를 검출하는 광검출기(40)와, 광검출기에서 검출한 광의 세기를 통해 주파수를 분석하는 주파수 분석수단(41) 및, 주파수 분석수단을 통해 분석한 주파수를 통해 파형으로 신호처리하여 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단(42)을 포함한다.

Description

고온물체 속도측정장치 및 방법{Speed measurement apparatus and method of hot steel}
본 발명은 속도측정장치에 관한 것이며, 특히, 열연판과 같은 고온물체의 정확한 이송속도를 측정할 수 있는 고온물체 속도측정장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 열연판과 같은 고온물체의 정확한 이송속도를 측정할 수 있는 고온물체 속도측정장치에 관한 것이기도 하다.
레이저를 이용한 속도계는 2개의 레이저빔을 물체에 조사하여 두 빔을 간섭시켜 물체의 이동속도에 따라 주파수의 맥놀이 현상을 이용하는 것이다. 이러한 레이저 판속계는 물체의 이동속도를 정확하게 측정할 수 있으며 비례상수를 보정 할 필요가 없어서 산업현장에 많이 적용되고 있는 실정이다.
그러나, 레이저 판속계의 기본 조건인 두 빔의 세기와 편광을 일치해야 하는 조건에서는 안정된 신호를 취득하기가 힘들다.
강판의 속도를 측정하는 통상적인 레이저 판속계는 레이저 빔을 2개로 나누어서 편광방향을 일치시킨 후 물체에 조사하는 방법을 이용한다. 이와 같은 원리를 이용하여 강판의 이송방향 및 속도를 측정하는 종래의 통상적인 레이저 판속계는 도 1과 같이 구성되어 있다.
도 1에 보이듯이, 반도체 레이저(1)에서 발생된 주파수(F)의 레이저 빔은 브래그 셀(2 ; Brag cell2)에 의해 2개의 빔으로 분리된 후 밴딩거울(3)을 통해 거울(4, 5)에 의해 각각 θ의 각도로 측정대상인 강판(6)의 동일위치에 조사된다. 이 때, 강판(6)은 V 의 속도로 이송되는 상태이다. 상기 Brag cell(2)에서 레이저 빔이 분리될 때 하나의 빔의 주파수는 레이저 빔 본래의 주파수(F)이고, 다른 빔의 주파수는 F'(= F + ΔFB)이다. 이 때, FB는 고주파 신호발생기의 출력 주파수와 동일하다.
이와 같이 강판(6)에 조사되는 두 레이저 빔의 주파수를 서로 다르게 하는 것은 강판의 이송방향을 측정하기 위해서다. 강판에서 산란된 두 레이저 빔의 산란광(7)은 렌즈(8)에 의해 집광되어 그 세기가 광검출기(9)에 의해 전기적인 신호로 변환된다. 그러면, 주파수 분석수단(11)에서는 광검출기(9)에서 검출한 광의 세기를 통해 주파수를 분석하고, 속도측정수단(12, 컴퓨터)에서는 분석한 주파수를 통해 파형으로 신호처리하여 강판의 이송속도를 측정하게 된다.
그리고, 광검출기(9)에 입사되는 산란광(7)에는 강판(6)으로 조사되는 두 레이저 빔 각각의 산란광이 혼합되어 있다. 즉, 이런 산란광(7)은 서로 간섭을 일으킨다. 이러한 간섭효과에 의한 광검출기(9)의 출력 주파수는 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
상기의 수학식 1에서 "+"는 강판(6)의 이송방향이 정방향일 경우이고, "-"는 강판(6)의 이송방향이 역방향일 경우이다. 따라서, 수학식 1을 이용하면 강판(6)의 속력(V)와 이송방향을 동시에 알 수가 있다.
이와 같이 종래의 레이저 판속계는 속도를 측정하고자 강판(6)에 근접하게 설치되는 속도계 센서헤드(10)가 레이저(1)와 고가의 Brag cell(2) 및 광검출기(9) 등등으로 구성되어 있다. 그로 인해, 종래의 레이저 판속계를 이용하여 고온환경에서 속도를 측정할 경우에는, 속도계 센서헤드(10)에 각각 장착되는 레이저(1) 및 고가의 Brag cell(2)이 온도의 영향을 받게 된다.
즉, 종래의 레이저 판속계를 이용하여 고온환경에서 속도를 측정할 경우에는 온도에 따른 속도오차 및 고온물체에서 발생된 잡음광에 의한 속도오차가 발생하게 된다. 또한, Brag cell(2)을 구동시키기 위해 고주파 신호발생기를 사용하여야 하고, 고주파 처리시 신호의 감쇄, 전자파 잡음의 발생과 같은 문제점이 발생되며, 센서헤드(10)의 고장시에는 통체로 교체해야 하는 단점이 있다.
따라서, 고온의 분위기에서 고온의 물체의 속도를 측정하기 위해서는 레이저 판속계 센서헤드가 간단해야 하며, 온도에 민감한 전기적 소자인 광검출기 및 레이저를 따로 분리하여야 할 필요성이 있다. 그래서, 광파이버를 이용한 속도계에 관한 연구가 진행 중에 있다.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 열연판과 같은 고온물체에 입사되는 두 빔의 세기와 편광을 일정하게 유지하고 고온에서 발생하는 잡음광을 제거함으로써, 물체의 정확한 이송 속도를 측정할 수 있는 고온물체 속도측정장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 레이저 판속계의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 고온물체 속도측정장치의 개략도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
21 : 반도체 레이저 22 : Brag cell
23, 30, 31 : 밴딩거울 24, 25, 39 : 광파이버
26 : 강판 27 : 센서헤드
28, 29, 34, 35 : 편광용 광분할기
32, 33 : 편광 회절자 36 : 산란광
37 : 집광렌즈 38 : 단파장 투과필터
40 : 광검출기 41 : 주파수 분석수단
42 : 속도측정수단
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 속도측정장치는, 레이저 빔을 조사하는 레이저와, 상기 레이저에서 조사된 레이저 빔을 주파수가 다른 2개의 빔으로 나누는 브래그 셀(Brag cell)과, 상기 브래그 셀로 인해 분할된 2개의 빔을 각각 전송하는 광파이버와, 상기 광파이버에 의해 각각 전송되는 레이저 빔을 각각 θ의 각도로 측정대상인 고온의 강판의 동일위치에 조사하는 센서헤드와, 상기 강판에서 산란된 산란광을 전송하는 광파이버와, 상기 광파이버를 통해 전송된 광의 세기를 검출하는 광검출기와, 상기 광검출기에서 검출한 광의 세기를 통해 주파수를 분석하는 주파수 분석수단 및, 상기 주파수 분석수단을 통해 분석한 주파수를 통해 파형으로 신호처리하여 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단을 포함한다.
또한, 본 발명의 상기 센서헤드는 상기 광파이버를 통해 각각 전송되는 레이저 빔을 수직편광와 수평편광으로 나누는 편광용 광분할기와, 상기 편광용 광분할기에서 나누어진 수평편광을 수직편광으로 변환하는 편광회절자 및, 상기 편광회절자에서 각각 변환된 수직편광을 이전의 수직편광과 합쳐 상기 강판에 조사하는 다른 편광용 광분할기를 포함한다.
또한, 본 발명의 속도측정방법은, 레이저 빔을 조사하는 조사단계와, 조사된 레이저 빔을 주파수가 다른 2개의 빔으로 나누는 분할단계와, 분할된 2개의 빔을 각각 전송하는 전송단계와, 각각 전송된 레이저 빔을 수직편광와 수평편광으로 나누는 분할단계와, 분할된 수평편광을 수직편광으로 각각 변환하는 변환단계와, 각각 변환된 수직편광을 이전의 수직편광과 합쳐 상기 강판에 조사하는 조사단계와, 상기 강판에서 산란된 산란광을 전송하는 전송단계와, 전송된 산란광의 세기를 검출하는 검출단계와, 검출한 산란광의 세기를 통해 주파수를 분석하는 분석단계 및,분석한 주파수를 통해 파형으로 신호처리하여 강판의 이송속도를 측정하는 측정단계를 포함한다.
아래에서, 본 발명에 따른 고온물체 속도측정장치 및 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 고온물체 속도측정장치의 개략도이다.
광파이버를 이용하여 속도계를 구성할 경우에는 센서헤드를 소형화할 수 있으고 전기적 잡음을 제거할 수 있는 장점이 있지만, 통상적인 광파이버가 편광유지가 안되며 밴딩에 의한 빛의 손실이 일어나는 단점이 있으므로 그에 따른 문제점이 발생한다.
그래서, 본 발명은 광파이버를 이용하여 센서헤드를 광학부품으로만 구성하여 온도에 의한 영향을 최소화하고, 광파이버의 단점인 밴딩시 레이저 빔의 세기 및 편광 변화를 편광용 광분할기와 편광회절자를 이용하여 보상하며, 산란광에서 발생되는 고온 잡음광의 영향을 단파장 투과필터를 사용하여 제거함으로써, 정확한 속도측정이 가능하도록 하였다.
도 2에 보이듯이, 본 발명의 고온물체 속도측정장치는, 레이저 빔을 조사하는 반도체 레이저(21)와, 이런 반도체 레이저(21)에서 조사된 레이저 빔을 주파수가 다른 2개의 빔으로 나누는 브래그 셀(22 ; Brag cell)과, 이런 브래그 셀(22)로 인해 분할된 2개의 빔을 각각 밴딩하는 밴딩거울(23)과, 이런 밴딩거울(23)에 각각 연결되어 밴딩된 레이저 빔을 각각 전송하는 광파이버(24, 25)를 포함한다.
또한, 본 발명은 상기 광파이버(24, 25)에 의해 각각 전송되는 레이저 빔을 이송되는 강판(26)에 조사할 수 있도록 구성된 센서헤드(27)를 포함한다. 이런 센서헤드(27)는 광파이버(24, 25)를 통해 각각 전송되는 레이저 빔을 수직편광와 수평편광으로 나누는 편광용 광분할기(28, 29)와, 이런 편광용 광분할기(28, 29)에서 나누어진 수평편광을 각각 밴딩하는 밴딩거울(30, 31) 및, 이런 밴딩거울(30, 31)에 각각 밴딩된 수평편광을 수직편광으로 변환하는 편광회절자(32, 33)를 포함한다.
또한, 본 발명의 센서헤드(27)는 이런 편광회절자(32, 33)에서 각각 변환된 수직편광을 상기 수직편광과 합쳐 각각 θ의 각도로 측정대상인 고온의 강판(26)의 동일위치에 조사하는 다른 편광용 광분할기(34, 35)와, 고온의 강판(26)에 입사되어 산란된 산란광(36)을 집광하는 집광렌즈(37) 및, 이런 집광렌즈(37)에 의해 집광된 산란광에서 발생되는 고온 잡음광의 영향을 제거하는 단파장 투과필터(38)를 포함한다.
또한, 본 발명은 이런 센서헤드(27)에 설치된 단파장 투과필터(38)에 연결되어 광을 전송하는 다른 광파이버(39)와, 이런 광파이버(39)를 통해 전송된 광의 세기를 검출하는 광검출기(40)와, 이런 광검출기(40)에서 검출한 광의 세기를 통해 주파수를 분석하는 주파수 분석수단(41)과, 이런 주파수 분석수단(41)을 통해 분석한 주파수를 통해 파형으로 신호처리하여 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단(42, 컴퓨터)을 포함한다.
이런 광검출기(40)는 일반적으로 사용되는 주파수 분석수단(41)과 신호처리장치(42)를 통해 이송되는 강판(26)의 이송속도를 측정하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 레이저 빔의 세기 및 편광방향을 편광용 광분할기(28, 29)와 편광회절자(32, 33)를 이용하여 일치시켜 2개의 레이저 빔이 갑섭을 일으키도록 하였다. 또한, 본 발명은 편광유지가 안되는 광파이버가 밴딩되었을 경우라도 편광방향을 일치시키고, 편광용 광분할기(28, 29)에 의해 수직편광파와 수평편광파의 비율이 달라지지만 다시 합치는 과정을 통해 보다 안정적인 신호를 얻을 수 있도록 하였다.
아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 고온물체 속도측정장치의 작동관계를 상세히 설명하겠다.
도 2에 보이듯이, 먼저 반도체 레이저(21)에서 출력된 레이저 빔은 Brag cell(22)를 통과하여 주파수가 다른 두 빔으로 나누어지고, 밴딩거울(23)을 통하여 광파이버(24, 25)로 전송된다. 광파이버(24, 25)를 통한 각각의 레이저 빔은 편광용 광분할기(28, 29)를 통하여 수직편광와 수평편광으로 나누어지고, 수평편광은 반사하여 밴딩거울(30, 31)을 통하고 편광회절자(32, 33)를 통하여 수직편광으로 변환되고, 다른 편광용 광분할기(34, 35)를 통하여 기존의 수직편광과 합처져 고온의 강판(26)에 입사된다. 이러한 과정을 통해 고온의 강판(26)에 입사한 레이저 광은 산란되고, 이런 산란광(36)은 집광렌즈(37)를 통과하고 단파장 투과필터(38)를 통과한 후 다른 광파이버(39)를 거쳐 광검출기(40)에 입사된다. 그러면, 주파수 분석장치(41)에서는 광검출기(40)에서 검출한 광의 세기를 통해 주파수를 분석하고, 속도측정수단(42, 컴퓨터)에서는 분석한 주파수를 통해 파형으로 신호처리하여 강판(26)의 이송속도를 측정하게 된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 고온물체 속도측정장치는 광파이버를 이용한 센서헤드의 분리와, 레이저빔의 세기 및 편광을 일정하게 유지하는 센서헤드의 구성 및, 고온 잡음광을 제거할 수 있는 투과필터를 사용하여 고온의 환경에서도 고온 물체의 이동속도를 정확하게 측정하는 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 고온물체 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 (3)

  1. 2개의 레이저 빔을 이송되는 강판에 조사하고 그로 인해 산란되는 산란광의 세기를 광검출기에서 검출한 후 주파수 분석수단과 속도측정수단을 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정장치에 있어서,
    레이저 빔을 조사하는 레이저와, 상기 레이저에서 조사된 레이저 빔을 주파수가 다른 2개의 빔으로 나누는 브래그 셀(Brag cell)과, 상기 브래그 셀로 인해 분할된 2개의 빔을 각각 전송하는 광파이버와, 상기 광파이버에 의해 각각 전송되는 레이저 빔을 각각 θ의 각도로 측정대상인 고온의 강판의 동일위치에 조사하는 센서헤드와, 상기 강판에서 산란된 산란광을 전송하는 광파이버와, 상기 광파이버를 통해 전송된 광의 세기를 검출하는 광검출기와, 상기 광검출기에서 검출한 광의 세기를 통해 주파수를 분석하는 주파수 분석수단 및, 상기 주파수 분석수단을 통해 분석한 주파수를 통해 파형으로 신호처리하여 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정수단을 포함하며,
    상기 센서헤드는 상기 광파이버를 통해 각각 전송되는 레이저 빔을 수직편광와 수평편광으로 나누는 편광용 광분할기와, 상기 편광용 광분할기에서 나누어진 수평편광을 수직편광으로 변환하는 편광회절자 및, 상기 편광회절자에서 각각 변환된 수직편광을 이전의 수직편광과 합쳐 상기 강판에 조사하는 다른 편광용 광분할기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온물체 속도측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 산란광에서 발생되는 고온 잡음광의 영향을 제거하는 단파장 투과필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온물체 속도측정장치.
  3. 2개의 레이저 빔을 이송되는 강판에 조사하고 그로 인해 산란되는 산란광의 세기를 통해 강판의 이송속도를 측정하는 속도측정방법에 있어서,
    레이저 빔을 조사하는 조사단계와, 조사된 레이저 빔을 주파수가 다른 2개의 빔으로 나누는 분할단계와, 분할된 2개의 빔을 각각 전송하는 전송단계와, 각각 전송된 레이저 빔을 수직편광와 수평편광으로 나누는 분할단계와, 분할된 수평편광을 수직편광으로 각각 변환하는 변환단계와, 각각 변환된 수직편광을 이전의 수직편광과 합쳐 상기 강판에 조사하는 조사단계와, 상기 강판에서 산란된 산란광을 전송하는 전송단계와, 전송된 산란광의 세기를 검출하는 검출단계와, 검출한 산란광의 세기를 통해 주파수를 분석하는 분석단계 및, 분석한 주파수를 통해 파형으로 신호처리하여 강판의 이송속도를 측정하는 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온물체 속도측정방법.
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