KR20050000730A - 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터에 관한 것으로, 빛을 나오게 하는 광원과, 레이저 변위를 감지하는 레이저 변위 센서의 광원과, 빛을 집광시키는 집광 렌즈와, 집광된 빛을 원하는 방향으로 스프리터 시키는 빔 스프리터와, 스프리터된 빛을 이용하여 시편을 스캔하도록 제어하며, 시편 내 난반사 테잎이 존재할 경우 빛을 반사시켜 빔 스프러터에 제공하는 회전 양면 거울과, 회전 양면 거울에 의해 스캔된 신호를 감지하며, 샘플 앤 홀드의 결과 신호를 감지하는 레이저 변위 센서와, 시편 내 난반사 테잎이 존재함에 따라 반사된 빛을 집광하는 포토 다이오드를 포함한다. 따라서, 난반사 테이프 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있으며, 또한, 장비의 소형화를 실현시켜 가격적이 측면에서 매우 경제적인 효과가 있다.

Description

레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터{OPTICAL LASER EXTENSOMETER BY USING THE LASER DISPLACEMENT SENSOR}

본 발명은 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터에 관한 것으로, 특히 레이저 변위 센서를 이용하여 난반사 테이프 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 익스텐소미터에 관한 것이다.

통상적으로, 익스텐소미터는 인장 실험 시, 도 1에 도시된 시편(5)의 변형된 길이를 측정하는 장치로서, 그 종류를 접촉식 및 비접촉식으로 구분한다.

이중, 접촉식 익스텐소미터는 스트레인 게이지를 이용하는 것으로, 이는 측정 부분이 너무 작아서 인장 시험기에 부착하기가 어렵고, 시편(5)이 일정하게 인장되지 않아 인장 길이 측정이 불가능하다는 결점을 갖고 있다.

반면에, 비접촉식 익스텐소미터는 레이저를 사용하는 것으로, 접촉식 익스텐소미터 보다 고온에서 사용가능하고, 또한, 그 사용 방법이 편리하며, 전자기파의 간섭에 의한 영향을 받지 않아 접촉식에서 발생되는 결점을 해결할 수는 있으며, 빛이 시편에 스캔되어지는 선형 속도와 반사되어온 시간으로 결정되지만, 그 변화량에 있어서 선형 속도를 일정하게 유지하기가 어렵다는 문제점을 갖고 있다.

도 1을 참조하면, 기존 옵틱컬 레이저 익스텐소미터를 도시한 사시도로서, 광원(1)에서 나온 빛이 회전 거울(2)에 의해 반사된다.

회전 거울(2)로 인하여 빛은 시편(5)으로 빛(3)이 입사되며, 입사된 빛(3)을 이용하여 스캔하며, 스캔되는 빛(10)은 시편(5)의 난반사 테잎(4)이 붙여진 부분과 난반사 테잎(4)이 붙여지지 않은 곳을 지나게 된다.

즉, 난반사 테잎(4)이 붙여진 부분을 스캔할 경우, 난반사 테잎(4)으로부터 반사된 빛(6)이 생겨나며, 이 반사된 빛(6)은 필터(7)를 통하고 렌즈(8)에 의해 집광되어 포토 다이오드(9)에 빛이 도달하게 된다.

반면에, 난반사 테잎(4)이 붙여지지 않은 부분을 스캔할 경우, 스캔된 빛(6)이 반사되지 않아 포토 다이오드(9)에 빛이 도달하지 않게 된다.

그 결과, 포토 다이오드(9)에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 포토 다이오드 신호(22)를 얻게 되며, 이 포토 다이오드 신호(22)를 미분하여 "0"보다 작은 값을 제거시킨 신호(23)를 얻을 수 있으며, "0"보다 작은 값을 제거시킨 신호(23)에서 두 펄스 사이의 시간(t)과, 시편(5)의 스캔 속도(v)를 구해낼 수 있다. 여기서, 두 펄스 사이의 시간(t)과 스캔 속도(v)를 곱하면, 난반사 테잎 사이의 거리(d)를 구해낼 수 있다.

이와 같이, 스캔 속도(v)를 등속으로 유지하기가 어렵다, 다시 말해서, 등속으로 유지하려는 이유는 난반사 테이프 사이의 거리(d)가 스캔 속도(v)에 영향을 받기 때문이다.

다시 말해서, 회전 거울(2)을 회전시키는 모터의 회전 속도가 일정하게 유지된다고 하더라도 시편(5)에 스캔되는 직선 방향 속도는 일정하게 유지되지 않아 스캔 속도(v)를 등속으로 유지할 수 없게 되는 문제점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 레이저 변위 센서를 이용하여 스캔 속도(v)가 등속으로 유지하도록 하여 난반사 테이프 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있도록 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터를 제공함에 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에서 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터는 빛을 나오게 하는 광원과, 레이저 변위를 감지하는 레이저 변위 센서의 광원과, 빛을 집광시키는 집광 렌즈와, 집광된 빛을 원하는 방향으로 스프리터 시키는 빔 스프리터와, 스프리터된 빛을 이용하여 시편을 스캔하도록 제어하며, 시편 내 난반사 테잎이 존재할 경우 빛을 반사시켜 빔 스프러터에 제공하는 회전 양면 거울과, 회전 양면 거울에 의해 스캔된 신호를 감지하며, 샘플 앤 홀드의 결과 신호를 감지하는 레이저 변위 센서와, 시편 내 난반사 테잎이 존재함에 따라 반사된 빛을 집광하는 포토 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 기존 옵틱컬 레이저 익스텐소미터를 도시한 사시도이고,

도 2는 기존 옵틱컬 레이저 익스텐소미터의 신호 처리 그래프이며,

도 3은 본 발명에 따른 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터를 도시한 사시도이며,

도 4는 본 발명에 따른 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터의 신호 처리 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 : 광원 12, 14 : 집광 렌즈

13 : 빔 스프리터 15 : 포토 다이오드

17 : 시편 18 : 난반사 테잎

19 : 레이저 변위 센서 20 : 회전 양면 거울

21 : 레이터 변위 센서의 광원

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 동작에 대하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터를 도시한 사시도로서, 빛을 제공하는 광원(11)과, 광원(11)에서 나온 빛을 집광하는 집광 렌즈(12)와, 집광 렌즈(12)에서 집광된 빛을 원하는 방향으로 스프리터하는 빔 스프리터(13)와, 빔 스프리터(13)에 의해 스프리터된 빛을 집광하는 집광 렌즈(14)와, 집광 렌즈(14)에 의해 집광된 빛을 얻는 포토다이오드(15)와, 빛에 의해 스캔되는 시편(17)과, 레이저 변위를 감지하며, 정현파와 같은 샘플 앤 홀드의 결과 신호를 얻게되는 레이저 변위 센서(19)와, 빔 스프리터(13)에 의해 스프리터된 빛을 이용하여 시편(17)을 스캔하도록 제어하며, 시편(17)내 난반사 테잎(18)이 존재할 경우 빛(16)을 반사시켜 빔 스프러터(13)를 거쳐 포토 다이오드(15)에집광되도록 하며, 시편(17)내 난반사 테잎(18)이 존재하지 않을 경우, 빛이 반사되지 않아 포토 다이오드(15)에 빛이 집광되지 않도록 하는 스캔회전 양면 거울(20)과, 레이저 변위를 감지하는 레이저 변위 센서의 광원(21)을 포함한다.

상술한 구성을 바탕으로, 본 발명에 따른 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터의 동작 흐름에 대하여 도 4의 그래프를 참조하면서 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 광원(11)에서 빛이 나오며, 나온 빛은 집광 렌즈(12)를 통해 집광되어 빔 스프리터(13)에 전달된다.

빔 스프리터(13)는 집광 렌즈(12)에서 집광된 빛을 원하는 방향, 즉 회전 양면 거울(20)에 전달한다.

회전 양면 거울(20)은 시편(17)내 난반사 테잎(18)이 존재할 경우, 빛(16)을 반사시켜 빔 스프러터(13) 및 집광 렌즈(14)를 거쳐 포토 다이오드(15)에 집광되도록 하며, 시편(17)내 난반사 테잎(18)이 존재하지 않을 경우, 빛을 반사시키지 않아 포토 다이오드(15)에 빛이 집광되지 않도록 한다. 그리고, 빔 스프리터(13)에 의해 스프리터된 빛을 이용하여 시편(17)을 스캔하며, 스캔된 신호는 레이저 변위 센서(19)에서 스캔된 신호를 감지한다.

보다 상세하게 설명하면, 레이저 변위 센서(19)에 의해 감지된 신호는 도 4에 도시된 바와 같이, 스프리터된 빛이 시편(17)의 중심에서 왼쪽 난반사 테잎(18)을 오른쪽 에지에서 왼쪽 에지로 스캔할 때, 도 4의 포토 다이오드(15) 신호(24)에서 첫 번째 펄스가 발생된다.

그리고, 빔 스프리터(13)에 의해 스프리터된 빛이 시편(17)의 왼쪽 끝에서 왼쪽 난반사 테잎(18)을 왼쪽 에지에서 오른쪽 에지로 스캔할 때, 도 4의 포토 다이오드(15) 신호(24)에서 두 번째 펄스가 발생된다. 여기서, 세 번째와 네 번째 펄스도 상술한 원리를 이용하여 오른쪽 난반사 테잎(18)에 의해 발생되는 것이다.

이후, 포토 다이오드(15) 신호(24)를 T-플립플롭(도시되지 않음)에 입력시키면, T-플립플롭 거친 신호(25)를 얻게 되며, 이 신호(25)를 시간에 대하여 미분하고, "0"보다 작은 신호를 제거하면, "0"보다 작은 값을 제거시킨 신호(26)를 얻게 된다.

다음으로, 신호(26)를 신호(26)중에서 홀수 번째 펄스만 빼낸 신호(27)와 신호(26)중에서 짝수 번째 펄스만 빼낸 신호(28)로 나누게 된다.

이때, 신호(26)에 의해서 레이저 변위 신호(29)가 샘플과 홀드 될 경우, 이 레이저 변위 신호(29)의 V1에 해당되는 직류 전압 신호를 얻게 된다. 그리고, 신호(27)에 의해서 레이저 변위 신호(29)가 샘플과 홀드 될 경우, 신호(26)중에서 짝수 번째 펄스만 빼낸 신호(28)의 V2에 해당되는 직류 전압 신호를 얻게 된다.

여기서, V1에 해당되는 직류 전압 신호는 한쪽의 난반사 테잎(18) 에지와 시편(17)의 중앙 사이 거리에 비례한 전압 신호이며, V2에 해당되는 직류 전압 신호는 다른 한쪽의 난반사 테잎(18)의 에지와 시편의 중앙 사이 거리에 비례한 전압 신호이다.

따라서, V1에서 V2를 빼주면 두 난반사 테잎(18) 에지 사이의 거리에 비례한 전압 신호를 얻게 된다. 즉, V1에서 V2를 뺀 값에 비례 상수(k)를 곱하면 난반사테잎(18) 에지 사이의 거리(d)를 수학식 1과 같이 구할 수 있다. 여기서, 비례 상수(k)는 시편(17), 회전 양면 거울(20), 레이저 변위 센서(19) 사이의 거리에 의해 결정된다.

d=k(V1-V2)

또한, 시편(17)의 스트레인(ε)은 수학식 2에 의해 구해질 수 있다.

여기서, 스트레인(ε)은 V1과 V2 만의 함수인 것이다.

상기와 같이 설명한 본 발명은 레이저 변위 센서를 이용하여 스캔 속도(v)가 등속으로 유지하도록 함으로써, 난반사 테이프 사이의 거리를 정확하게 측정할 수 있으며, 또한, 장비의 소형화를 실현시켜 가격적이 측면에서 매우 경제적인 효과가 있다.

Claims (11)

1. 옵틱컬 레이저 익스텐소미터에 있어서,

   빛을 나오게 하는 광원과,

   레이저 변위를 감지하는 레이저 변위 센서의 광원과,

   상기 빛을 집광시키는 집광 렌즈와,

   상기 집광된 빛을 원하는 방향으로 스프리터 시키는 빔 스프리터와,

   상기 스프리터된 빛을 이용하여 시편을 스캔하도록 제어하며, 상기 시편 내 난반사 테잎이 존재할 경우 빛을 반사시켜 상기 빔 스프러터에 제공하는 회전 양면 거울과,

   상기 회전 양면 거울에 의해 스캔된 신호를 감지하며, 샘플 앤 홀드의 결과 신호를 감지하는 레이저 변위 센서와,

   상기 시편 내 난반사 테잎이 존재함에 따라 반사된 빛을 집광하는 포토 다이오드

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전 양면 거울은, 상기 시편 내 난반사 테잎이 존재하지 않을 경우, 빛이 반사되지 않아 상기 포토 다이오드에 빛이 집광되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전 양면 거울은, 빔 스프리터에 의해 스프리터된 빛을 이용하여 시편을 스캔하며, 상기 스캔된 신호는 레이저 변위 센서에서 감지하는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 레이저 변위 센서에 의해 감지된 신호는, 상기 스프리터된 빛이 시편의 중심에서 왼쪽 난반사 테잎을 오른쪽 에지에서 왼쪽 에지로 스캔할 때, 포토 다이오드 신호에서 첫 번째 펄스가 발생되며, 상기 스프리터된 빛이 시편의 왼쪽 끝에서 왼쪽 난반사 테잎을 왼쪽 에지에서 오른쪽 에지로 스캔할 때, 포토 다이오드 신호에서 두 번째 펄스가 발생되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 포토 다이오드 신호를 T-플립플롭에 입력시켜 T-플립플롭 거친 신호(25)를 얻게 되며, 상기 신호(25)를 시간에 대하여 미분하고, "0"보다 작은 신호를 제거하면, "0"보다 작은 값을 제거시킨 신호(26)를 얻게 되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 신호(26)를 신호(26)중에서 홀수 번째 펄스만 빼낸 신호(27)와 신호(26)중에서 짝수 번째 펄스만 빼낸 신호(28)로 나누는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 신호(26)에 의해서 레이저 변위 신호(29)가 샘플과 홀드 될 경우, 상기 레이저 변위 신호(29)의 V1에 해당되는 직류 전압 신호를 얻게 되며, 상기 신호(27)에 의해서 레이저 변위 신호(29)가 샘플과 홀드 될 경우, 신호(26)중에서 짝수 번째 펄스만 빼낸 신호(28)의 V2에 해당되는 직류 전압 신호를 얻게 되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 V1에 해당되는 직류 전압 신호는, 한쪽의 난반사 테잎 에지와 시편의 중앙 사이 거리에 비례한 전압 신호이며, 상기 V2에 해당되는 직류 전압 신호는, 다른 한쪽의 난반사 테잎의 에지와 시편의 중앙 사이 거리에 비례한 전압 신호인 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 V1에서 V2를 빼주면 두 난반사 테잎 에지 사이의 거리에 비례한 전압 신호를 얻게 되며, 상기 V1에서 V2를 뺀 값에 비례 상수(k)를 곱하면 난반사 테잎 에지 사이의 거리(d)를 구할 수 있는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 비례 상수(k)는 상기 시편, 회전 양면 거울, 레이저 변위 센서 사이의 거리에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 시편의 스트레인(ε)은 수학식 2

    에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서를 이용한 옵틱컬 레이저 익스텐소미터.