KR20040056208A - 광섬유 센서를 이용한 초음파 검지 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 장치는 광섬유 센서를 이용한 초음파 검지 장치에 있어서, 피그테일드 레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 두 개의 광선으로 분리시키는 커플러(2)와, 상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과하고, 일부는 측정대상(5)의 내부에 장착된 센싱코일(4)을 통과하는 광섬유와, 상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 커플러(6)와, 상기 커플러(6)를 통과한 광선의 세기를 측정하는 광검지기(7)와, 상기 광검지기(7)에서 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(8)와, 상기 A/D 컨버터에서 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산하여 출력하는 컴퓨터(9)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 미세한 초음파 신호도 정밀하게 검지할 수 있다. 또한, 광섬유 센서를 이용한 초음파 측정의 경우, 광섬유의 재질이 유전체 재질이므로 매질의 내부에 위치시킬 수 있어서, 초음파를 고감도로 측정할 수 있으며, 다른 외부적인 노이즈에 강하다는 매우 획기적인 효과가 있다.

Description

광섬유 센서를 이용한 초음파 검지 장치 및 방법 {detecting apparatus and method for ultrasonics using optical fiber sensor}

본 발명은 액체 또는 고체 등의 매질을 통과하는 초음파를 온-라인, 비접촉식 방법으로 검지하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 초음파는 태아의 움직임 검사, 비파괴 검사 등 생활 및 산업 분야에서 광범위하게 사용되는 것으로서, 기술의 발달에 따라서 이제는 점점 더 그응용범위가 넓어지고 있다. 초음파를 이용한 기술은 초음파의 발생, 반사 및 검출, 분석의 단계로 진행됨이 보통이다.

여기서 초음파를 검출하는 장치를 초음파 센서라고 하는데, 종래에는 이러한 초음파 센서로서 압전 소자식 초음파 센서가 이용되었다.

그런데, 이 압전 소자식 초음파 센서의 경우에는, 초음파 센서에 도달하는 과정에서 매질에 의해 초음파의 세기가 급격히 감쇠되기 때문에, 센서로부터 먼 거리에 있는 대상체의 경우에는 검출이 어려워진다.

또한, 종래의 압전 소자식 초음파 센서는 매질의 외부에 부착되어 있었다. 그런데, 이러한 구성으로 인하여 측정하고자 하는 기기 내부에서 발생한 초음파가 절연체 매질을 지나서 금속재질의 외함(case)을 거쳐서 초음파 센서에 전달되어 측정되므로, 노이즈가 발생하는 것은 물론이고, 신호도 극히 약하다는 단점을 가지고 있었다.

그리고, 대개의 경우에 이렇게 신호가 미약하였기 때문에 이를 식별하기 위해서는 반드시 증폭소자가 센서 이후 단에 마련되어 있어야 한다는 문제점도 있었다.

또한, 종래의 압전 소자식 초음파 센서는 온라인화 하기가 매우 어려웠고, 접촉식 센서이기 때문에 설치 장소의 온도 등 제약요소가 많다는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유 센서를 사용하여 마하-젠더 간섭계를 구성하여, 신호파와 참조파 사이의 미세한 길이 변화를 측정함으로써, 초음파를 온-라인, 비접촉식 방법으로 검지하는 장치 및 그 방법을 제공하려는 것이다.

도 1은 본 발명의 장치의 한 실시예에 따른 개략도이다.

도 2는 본 발명의 장치를 이용한 초음파 검지의 예를 나타낸 그래프이다.

도 3은 종래의 장치를 이용한 초음파 검지의 예를 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 피그테일드 레이저 2, 6 : 커플러

3 : 참조코일 4 : 센싱코일

5 : 측정대상 7 : 광검지기

8 : A/D 컨버터 9 : 컴퓨터

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 장치는

광섬유 센서를 이용한 초음파 검지 장치에 있어서,

피그테일드 레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 두 개의 광선으로 분리시키는 커플러(2)와,

상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과하고, 일부는 측정대상(5)의 내부에 장착된 센싱코일(4)을 통과하는 광섬유와,

상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 커플러(6)와,

상기 커플러(6)를 통과한 광선의 세기를 측정하는 광검지기(7)와,

상기 광검지기(7)에서 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(8)와,

상기 A/D 컨버터에서 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산하여 출력하는 컴퓨터(9)를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 방법은

광섬유 센서를 이용한 초음파 검지 방법에 있어서,

피그테일드 레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 커플러(2)를 이용하여 두 개의 광선으로 분리시키는 단계와,

상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과시키고, 일부는 센싱코일(4)을 통과시키는 단계와,

상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 단계와,

상기 광선의 세기를 측정하는 단계와,

상기 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계와,

상기 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산하여 출력하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하, 상기와 같은 본 발명의 구성 및 동작을 첨부된 도면을 참조하면서 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 장치의 한 실시예에 따른 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 피그테일드 레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선은 커플러(2)를 통과한 후 두 개의 광선으로 분리된다. 상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 초음파의 영향을 받지 않는 참조코일(3)을 통과하고, 일부는 초음파를 검지하려는 매질(5) 속에 설치된 센싱코일(4)을 통과한다.

그 후 상기 두 경로를 거친 광선들은 커플러(6)에서 한 개의 광선으로 합쳐진다. 상기 커플러(6)를 통과한 광선은 광검지기(7)에서 빛의 세기가 아날로그 신호의 형태로 측정되며, 상기 광검지기(7)에서 측정된 아날로그 신호는 A/D 컨버터(8)에서 디지털 신호로 변환된 후 컴퓨터(9)에서 초음파 신호로 환산되어 출력된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 초음파 검지 장치의 원리를 설명하겠다.

도 1에 도시된 바와 같이, 레이저빔이 지나가는 경로는 전부 광섬유로 구성되어 있다. 본 발명에서 사용한 광섬유 센서는 저손실성, 소형, 경량, 넓은 대역폭, 강한 내부식성, 특히 높은 민감성 등의 장점 때문에 센서로서 많은 장점을 가지고 있을 뿐 아니라, 그 측정방식이 비접촉식이고, 높은 정확도를 갖기 때문에 다양한 분야에 적용할 수 있는 우수한 측정기술이다.

광섬유 센서를 이용한 이런 측정기술은 두 경로 간의 거리가 광섬유의 길이에 의해 정해지므로, 경로 길이를 맞추기 위한 별도의 노력이 필요하지 않다. 그리고, 광섬유의 특성상 측정이 필요한 부분에 광섬유를 투입해 측정하는 것이므로 센서의 구성이 용이하다.

또한, 광섬유는 재질이 유전체(유리, 플라스틱 등)로 만들어지므로, 전력 기기와 같이 전자계가 복잡한 기기의 내부에 위치시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다. 본 발명의 싱시예에 있어서도 광섬유 센서의 감도를 증가시킬 목적으로 광섬유 센서는 만드렐에 감았다.

본 발명과 같은 구성을 가지는 광섬유를 이용한 초음파 검지 장치 및 방법의 경우에는 결국 출력광의 세기는 이미 알려져 있는 바와 같이 두 개의 다른 경로를 통과함으로써 발생하는 위상차 Φ에 의해서 결정된다. 이 출력광의 세기는 아날로그 신호이므로 A/D 컨버터(8)에서 디지털 신호로 변환된 후 컴퓨터(9)에서 초음파 신호로 환산되어 출력된다. 이 컴퓨터(9)에는 디지털 출력광 세기를 초음파 신호로 환산하는 데이터베이스가 미리 구축되어 있어야 한다.

이제, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 장치 및 방법와 종래의 압전 소자식 장치를 이용하여 일정한 초음파 측정의 실험을 하였다.

도 2는 본 발명의 장치를 이용한 초음파 검지의 예를 나타낸 그래프이다.

이 도면은 수중에서 측정한 초음파를 도시한 그래프로서, 광섬유 센서의 거리를 70mm 까지 증가시키면서 측정한 결과, 감쇠가 적게 일어나는 결과를 나타내었다.

한편, 도 3은 PZT를 이용한 종래의 장치를 이용한 초음파 검지의 예를 나타낸 그래프이다.

이 도면에서 거리변화에 따른 급격한 초음파 신호의 감쇠에 의해서 거리 50mm 에서도 초음파를 검지하기가 어려워짐을 볼 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 광섬유 센서의 경우가 PZT를 이용한 압전 소자식 장치에 의한 결과에 비해서 높고 양호한 신호 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 광섬유센서를 이용한 초음파 검지장치 및 그 측정방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 이에 의하여 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

상기와 같은 본 발명에 의하면 마하-젠더 간섭계의 원리를 이용하여 초음파 신호를 측정함으로써 미세한 초음파 신호도 정밀하게 검지할 수 있다. 또한, 광섬유 센서를 이용한 초음파 측정의 경우, 광섬유의 재질이 유전체 재질이므로 매질의 내부에 위치시킬 수 있어서, 초음파를 고감도로 측정할 수 있으며, 다른 외부적인 노이즈에 영향을 받지 않는다는 매우 획기적인 효과가 있다.

Claims (2)

1. 광섬유 센서를 이용하여 초음파를 검지하는 장치에 있어서,

   피그테일드 레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 두 개의 광선으로 분리시키는 커플러(2)와,

   상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과하고, 일부는 측정대상(5)의 내부에 장착된 센싱코일(4)을 통과하는 광섬유와,

   상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 커플러(6)와,

   상기 커플러(6)를 통과한 광선의 세기를 측정하는 광검지기(7)와,

   상기 광검지기(7)에서 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(8)와,

   상기 A/D 컨버터에서 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산하여 출력하는 컴퓨터(9)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 초음파 검지 장치.
2. 광섬유 센서를 이용하여 초음파를 검지하는 방법에 있어서,

   피그테일드 레이저(1)로부터 발생된 레이저 광선을 커플러(2)를 이용하여 두 개의 광선으로 분리시키는 단계와,

   상기 커플러(2)에서 분리된 광선의 일부는 참조코일(3)을 통과시키고, 일부는 센싱코일(4)을 통과시키는 단계와,

   상기 각 광섬유를 통과한 광선을 함께 전달시키는 단계와,

   상기 광선의 세기를 측정하는 단계와,

   상기 측정된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계와,

   상기 디지털화된 신호를 초음파 신호로 환산하여 출력하는 단계를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 광섬유 센서를 이용한 초음파 검지 방법.