KR20200139822A - 재료 층의 두께를 측정하는 측정 장치 - Google Patents

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다비드 델로나이
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Abstract

본 발명은, 재료 층(2)의 두께를 결정하기 위한 측정 장치에 관한 것으로서, 상기 측정 장치는: 상기 광선에 의해 가열된 재료 층에 의해서 방사된 열 플럭스(131A)를 검출하고 측정 신호(133A)를 제공하기 위한 광열 검출 수단 - 상기 방사된 열 플럭스는 제2 전파 경로를 통해 상기 광열 검출 수단까지 전파함 -, 및 상기 제공된 측정 신호에 근거하여 상기 재료 층의 두께를 결정하도록 프로그램되어 있는 계산 수단을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 측정 장치는 또한, 편향 요소와 상기 재료 층 사이에서 상기 광선을 편향시켜서 상기 광선의 제1 전파 경로가 방사된 열 플럭스의 제2 전파 경로와 중첩하도록 배열된 광선의 편향 요소, 및 2개의 부분(254, 255)이 구비된 원격 측정 헤드(250) - 2개의 부분 중 하나(255)는 다른 하나(254)에 대해 회전 이동 가능하고, 이동가능한 부분은 적어도 하나의 반사 요소(182)를 수용하고, 측정 헤드의 다른 하나의 부분은 편향 요소를 수용함 - 를 포함한다.

Description

재료 층의 두께를 측정하는 측정 장치
본 발명은 일반적으로 코팅의 두께 측정에 관한 것이다.
이는 자동차 엔진 실린더의 코팅 두께 측정에서 특히 유리한 응용 분야를 발견한다.
보다 구체적으로는 재료 층의 두께를 결정하기 위한 측정 장치에 관한 것이다. 측정 장치는 다음을 포함한다.
- 변조 주파수 및 제어 위상을 갖는 정현파 제어 신호를 전달하도록 구성된 전기 제어 수단,
- 광선이 제어 신호의 상기 변조 주파수의 정현파로 변조된 광파워를 가지도록, 상기 전기 제어 수단에 의해 전기적으로 제어되는 광선을 방출하기 위한 수단 - 상기 광선은 제1 전파 경로를 따라 상기 재료 층으로 전파됨 -;
- 상기 광선에 의해 가열된 상기 재료 층에 의해 방사된 열 플럭스(flux)를 검출하도록 구성되고 상기 재료 층에 의해 방사된 열 플럭스를 나타내는 측정 신호를 전달하는 광열 검출 수단 - 상기 방사된 열 플럭스는 제2 전파 경로를 따라 광열 검출 수단으로 전파됨;
- 상기 측정 신호의 이 정현파 성분의 측정 위상을 결정하기 위해 제어 신호의 상기 변조 주파수로 변조된 정현파 성분을 상기 측정 신호로부터 추출하도록 구성된 디지털 필터링 수단; 및
- 제어 신호의 상기 변조 주파수에 대해, 상기 방사된 열 플럭스의 정현파 성분과 상기 광선의 상기 변조된 광파워 사이의 위상 시프트를 계산하고 상기 방사된 열 플럭스의 상기 정현파 성분과 상기 광선의 상기 변조된 광파워 사이의 위상 시프트의 함수로서 상기 재료 층의 두께를 결정하도록 프로그램되어 있는 계산 수단.
본 발명은 또한, 엔진의 복수의 실린더의 실린더 내에 각각 배치된 복수의 재료 층의 각각의 재료 층의 두께를 동시에 측정하기 위한 조립체에 관한 것이다.
예를 들어 자동차 엔진에 있는 주철로 된 실린더 하우징(또는, 엔진 블럭)은 오늘날 종종 알루미늄 실린더 하우징으로 대체되며, 이때 실린더 하우징의 보어(또는, 실린더)는 열 스프레이 또는 전기 화학에 의해 침착된 철(iron) 코팅으로 피복될 수 있다(사용된 영어의 표현에 따라 "보어 스프레이 코팅"이라는 이름으로도 알려져 있음). 열 스프레이 처리를 수행하기 위해 실린더 보어를 준비하는 방법은 예를 들어 문서 FR2873946에 공지되어있다.
하지만, 엔진의 내구성을 보장하기 위해, 철 코팅의 두께는 예를 들어, 10 마이크론 정도의 임계 값보다 커야 한다(특히, 랩핑으로 실린더를 마감하는 단계 후). 따라서, 이 코팅의 두께는 특히 제조 공정에서의 드리프트를 감지하기 위해 정기적으로 점검될 수 있어야 한다.
현재, 철 코팅의 두께는 파괴 분석을 통해 시험실에서 확인된다. 이 분석은 오래 걸리고, 비용이 많이 들고, 또한 효과적인 품질 관리를 수행할 수 없다(이 분석으로는 제조 공정에서 이상을 감지하고 실시간으로 수정할 수 없기 때문임).
특허출원 FR1356404는 기판 상에 침착된 재료 층의 두께를 결정할 수 있는 레이저 열 방사 측정 방법을 개시한다. 이 방법에서는 시험중인 재료 층을 가열하기 위해 광선을 방출한 다음 방사된 열 플럭스를 생성한다. 이 방사된 열 플럭스에 대한 시험을 통해 재료 층의 두께를 추론할 수 있다. 이때, 이 방법은 두께 측정을 신속하게 제공하면서 비파괴적이고 비접촉식이라는 장점을 가진다.
하지만, 특허 출원 FR1356404에서 설명된 장치는 특히 부피가 커서 엔진 실린더 내부의 측정을 할 수 없다.
전술한 종래 기술의 단점을 보완하기 위해, 본 발명에서는, 예를 들어 자동차 엔진의 실린더 블럭의 실린더와 같은 이러한 기계 부품의 내부 부품에 대해, 서로 마주보는 기계 부품의 표면을 측정할 수 있도록 작은 크기의 두께 측정 장치를 제안한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르면, 도입부에서 정의된 바와 같이, 재료 층의 두께를 결정하기 위한 측정 장치가 제안되며, 이는 광선의 제1 전파 경로가 상기 편향 요소와 상기 재료 층 사이에서 방사된 열 플럭스의 제2 전파 경로와 중첩되도록 하기 위해, 상기 광선을 편향시키도록 배열된 광선을 편향시키는 요소를 포함하고, 그리고 2개의 부분이 제공된 원격 측정 헤드도 포함하고, 그 중의 이동 부분은 다른 부분에 대해 회전하고, 이 이동 부분은 적어도 하나의 반사 요소를 수용하고, 측정 헤드의 다른 부분은 편향 요소를 수용하며, 상기 반사 요소는 광선을 반사하도록 배열되어 편향 요소로부터 반사 요소로 연장되는 상기 광선의 제1 전파 경로의 제1 부분 및 반사 요소로부터 재료 층으로 연장되는 상기 광선의 제1 전파 경로의 제2 부분이 0이 아닌 각도를 형성한다.
따라서, 본 발명 및 편향 요소의 존재로 인해, 재료 층을 가열할 수 있게 하는 광선과 재료 층에 의해 방사되는 열 플럭스가 장치의 일부에서 중첩되어 벌크를 제공한다. 장치의 이 부분에 있는 요소들의 배열은 실제로 더 간결하다. 측정 장치의 상기 부분의 크기를 줄이면 실린더의 내부 코팅 두께를 측정하기 위해 엔진 실린더 내부에 삽입할 수 있다.
개별적으로 또는 임의의 기술적으로 가능한 조합으로 취해진, 본 발명에 따른 측정 장치의 다른 비제한적이고 유리한 특징은 다음과 같다:
- 방출 수단은 파장이 100 ~ 1,800 나노미터이고, 주파수가 1 ~ 10,000 헤르츠이고, 광파워가 1 ~ 500 와트이고, 광선의 직경이 1500 ~ 20,000 마이크로미터인 광원을 포함한다.
- 편향 요소는 제2 전파 경로를 따라 광열 검출 수단으로 방사된 열 플럭스를 편향시키지 않고 전파하도록 배열되고;
- 편향 요소는 능면체 프리즘 또는 서로 평행하게 배열된 적어도 2개의 평면 거울의 조합을 포함하고;
- 반사 요소는 또한 방사된 열 플럭스를 반사하도록 배열되어, 재료 층으로부터 반사 요소로 연장되는 방사된 열 플럭스의 제2 전파 경로의 제1 부분이 광선의 제1 전파 경로의 상기 제2 부분에 중첩되고, 반사 요소로부터 편향 요소로 연장되는 방사된 열 플럭스의 제2 전파 경로의 제2 부분이 광선의 제1 전파 경로의 상기 제1 부분에 중첩되고;
- 반사 요소 상에 방사된 열 플럭스를 집중시키도록 배열된 광 수집 수단이 또한 제공되며, 상기 광 수집 수단은 반사 요소와 재료 층 사이에 위치한다.
- 광 수집 수단은 광선의 통과를 허용하는 적어도 하나의 관통 오리피스(orifice)를 포함하고;
- 관통 오리피스는 열린 상태로 두거나 광선의 파장에 투명한 셔터가 배치될 수 있다.
- 측정 헤드의 이동 가능한 부분은 광선의 제1 전파 경로의 제1 부분에 실질적으로 평행한 축을 중심으로 회전 이동가능하고; 그리고
- 측정 헤드는 또한 측정 헤드의 다른 부분에 대해 측정 헤드의 이동가능한 부분을 회전시키도록 배열된 이동 장치를 포함한다.
본 발명은 또한 전술한 측정 장치의 용도에 관한 것이다. 이 용도에 따라 측정 헤드는 측정 헤드에서 나오는 광선의 출구와 재료 층 사이의 거리가 4cm 미만이 되도록 배치된다.
본 발명은 또한, 복수의 재료 층의 각 재료 층의 두께를 동시에 측정하기 위한 전술한 바와 같이 측정 장치를 포함하는 조립체를 제공하며, 각각의 재료 층은 전술한 바와 같이 측정 장치를 포함하는 엔진의 복수의 실린더 중 하나의 실린더 내부에 배열되고, 여기서,
상기 방출 수단은 상기 전기 제어 수단에 의해 전기적으로 제어되는 복수의 광선을 방출하도록 구성되고, 각각의 광선은 제어 신호의 상기 변조 주파수의 정현파로 변조된 광파워를 가지며, 각 광선은 광선과 관련된 상기 층들 중 하나로 제1 전파 경로를 따라 전파된다.
광열 검출 수단은 이 재료 층이 관련된 광선에 의해 가열된 각 재료 층에 의해 방사되는 열 플럭스를 검출하고 복수의 측정 신호를 전달하도록 구성되며, 각 측정 신호는 상기 대응하는 재료 층에 의해 방사된 열 플럭스를 나타내며, 각각의 방사된 열 플럭스는 제2 전파 경로를 따라 광열 검출 수단으로 전파되고,
- 복수의 편향 요소가 제공되며, 각 편향 요소는 복수의 광선 중 하나의 광선을 편향시키도록 배열되어 각 광선의 제1 전파 경로가 이 광선을 편향시키는 편향 요소와 이 광선과 관련된 재료 층 사이에서 대응하는 방사된 열 플럭스의 제2 전파 경로와 중첩되고,
- 디지털 필터링 수단은 이 정현파 성분의 측정 위상을 결정하기 위해 각 측정 신호로부터 제어 신호의 상기 변조 주파수로 변조된 그것의 정현파 성분을 추출하도록 구성되며, 그리고
- 계산 수단은 제어 신호의 상기 변조 주파수에 대해, 각 재료 층에 의해 방사되는 열 플럭스의 상기 정현파 성분과 이 재료 층에 관련된 광선의 상기 변조된 광파워 사이의 위상 시프트를 계산하고, 이 재료 층에 의해 방사된 상기 열 플럭스의 상기 정현파 성분과 이 재료 층에 관련된 광선의 상기 변조된 광파워 사이의 위상 시프트의 함수로서 각 재료 층의 두께를 결정하도록 프로그램되어 있다.
비제한적인 예로서 제공된 첨부 도면을 참조하여 후속하는 설명에 의해, 본 발명이 무엇으로 구성되고 어떻게 수행될 수 있는지가 명확하게 될 것이다.
첨부된 도면에서:
- 도 1은 본 발명에 따른 측정 장치의 개략도이다.
- 도 2는 본 발명에 따른 원격 측정 헤드의 개략도이다.
- 도 3은 본 발명에 따른 측정 방법을 예시하는 개략도이다.
- 도 4는 제어 신호, 변조된 광파워 및 방사된 열 플럭스의 정현파 성분의 곡선을 나타낸다.
- 도 5는 측정 파라미터를 조정한 후 얻은 변조 주파수의 함수로서 방사된 열 플럭스의 정현파 성분과 광선의 변조된 광파워 사이의 위상 시프트의 이론적 곡선을 나타낸다.
도 1에는 재료 층(2)의 두께를 측정하기 위한 측정 장치(100)의 실시예가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 재료 층(2)은 기판(1)을 덮는다.
대안적으로, 본 발명의 측정 장치(100)를 사용하여 박판 또는 필름 형태로 단독으로 존재하는 재료 층의 두께를 측정하는 것도 가능하다. 여기서, 용어 "박판" 또는 "필름"은, 길이 및 폭보다 훨씬 작은 두께를 갖는 판 또는 막을 의미한다.
여기에 상세히 설명된 예에서, 재료 층(2)은 예를 들어 알루미늄으로 형성된 금속 기판(1) 상에 침착된 철(iron)의 층이다. 기판(1)은 특히 자동차 엔진의 실린더 블럭 내의 실린더 벽을 구성할 수 있다. 예를 들어 층(2)은 이 실린더의 내부면에 침착된다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 측정 장치(100)는 다음을 포함한다:
- 변조 주파수(fm) 및 제어 위상(φcom)을 갖는 정현파 제어 신호(11)를 전달하도록 구성된 전기 제어 수단(110),
- 상기 전기 제어 수단(110)에 의해 전기적으로 제어되는 광선(121A)을 방출하기 위한 수단(120),
- 상기 광선(121A)에 의해 가열된 상기 재료 층(2)에 의해 방사되는 열 플럭스(131A)를 검출하도록 구성되고, 상기 재료 층(2)에 의해 방사된 상기 열 플럭스(131A)를 나타내는 측정 신호(133A)를 전달하는, 광열 검출 수단(130),
- 디지털 필터링 수단(141),
- 계산 수단(142).
상기 전기 제어 수단(110)은 제어 신호(111A)를 전달한다.
여기서, 전기 제어 수단(110)은 저주파 전류 발생기(111)(도 1 참조)에 연결된 전원(112)을 포함한다. 여기서, 이 저주파 전류 발생기(111)는 저주파 정현파 전압원과 정현파 전압 변동을 전류 변동으로 변환하는 전류 조정기를 포함한다.
따라서, 전류 발생기(111)는 주파수 설정점의 함수로서, 암페어(기호 A)로 표현되는, 세기가 시간에 따라 변조되는 전류를 생성한다.
특히, 여기에서, 전류 발생기(111)는 시간(t)의 함수로서 변조 주파수(fm)의 정현파 전류를 생성한다.
전류 발생기(111)에 의해 생성된 정현파 전류는 전기 제어 수단(110)에 의해 전달되는 제어 신호를 형성한다.
일반적으로, 이 제어 신호(이하, icom(t))는 다음과 같은 형식으로 나타낼 수 있는데:
Figure pct00001
, 여기서 i0와 φcom은, 암페어(A)로 표시되는 제어 신호의 제어 진폭 및 라디안(rad)으로 표시되는 제어 신호의 제어 위상을 각각 나타낸다.
도 4는 1000Hz의 변조 주파수(fm), 1 암페어와 동일한 제어 진폭 및 0 라디안과 동일한 제어 위상(φcom)의, 시간 함수로서의 제어 신호를 나타내는 곡선(11)의 예를 도시한다.
방출 수단(120)은 여기서 레이저 다이오드의 광원(121)을 포함한다.
여기에 사용된 레이저 다이오드는 방출 파장(λL)의 광을 방출하는 다이오드이다. 파장(λL)은 100 ~ 1800 나노미터(nm)이다. 레이저 다이오드의 주파수는 1 ~ 10,000 헤르츠(Hz)이다. 레이저 다이오드의 최대 광파워(Pmax)는 1 ~ 500W(와트)이다.
변형예로서, 방출 수단(120)의 광원은 예를 들어 가스 레이저, 고체 레이저 또는 도핑된 섬유 레이저와 같은 레이저일 수 있다.
레이저 다이오드는, 전기 제어 수단(110)에 의해 제어됨으로써, 방출 파장(λL)의 광선(121A)을 방출한다.
광선(121A)의 직경("스폿 직경"이라고도 함)은 광선(121A)과 측정될 코팅 부분의 외표면(여기서는, 기판(1)과 재료 층(2))에 접하는 평면 사이의 교차점에서의 표면의 직경으로 정의된다. 광선(121A)의 직경은 1500 내지 20,000 마이크로미터(μm)이다.
여기 시간(excitation time)은 광선(121A)이 하나의 지점에서의 측정을 실현하기 위해 재료 층(2)을 가열하는 시간에 해당한다. 이 여기 시간은 측정의 실행 가능성을 제한하지 않는다. 그 값은 원하는 정밀도와 각 개별 측정에 필요한 허용 시간 사이의 절충안을 기준으로 설정되어야 한다(특히, 산업 속도의 경우에).
도 1에 도시된 실시예에서, 레이저 다이오드는 제어 신호(111A)를 전달하는 전류 발생기(111)에 의해 전류로 직접 구동된다.
그렇게 제어됨으로써, 레이저 다이오드에 의해 방출된 광선(121A)은, 시간(t)의 함수로서, 와트(W)로 표현되는 광파워(Popt(t))를 가지며, 이는 제어 신호(111A)의 변조 주파수(fm)의 정현파로 변조된다.
일반적으로 광원(121)에서 방출되는 광선(121A)의 광파워(Popt(t))는 다음과 같은 형식으로 표기될 수 있는데:
Figure pct00002
, 여기서 P0와 φopt는 와트로 표현되는 최대 변조된 광파워와 라디안(rad)으로 표현되는 광선(121A)의 위상을 각각 나타낸다. 광선(121A)의 위상은 이후 "광 위상"이라고 지칭된다.
도 4는 광선(121A)의 변조된 광파워(Popt(t))의 예를 시간(t)의 함수인 참조 곡선(21)에 의해 도시한다.
변조된 광파워(Popt(t))의 대표 곡선(21)과 제어 신호(icom(t))의 대표 곡선(11)이 그들 사이에서 변조 주파수(fm)에 대해 시간 시프트를 나타낸다는 것을 도 4를 통해 알 수 있다.
이하에서, 참조 번호(11 및 21)는 일반적으로 제어 신호 및 변조된 광파워를 각각 나타낼 것이다.
이 시간 지연은, 전류 발생기(111)에 의해 전기적으로 제어되며, 제어 신호(111A)에 즉시 반응하지 않는, 광선(121A)을 방출하는 광원(121)의 응답 시간에 기인한다.
즉, 변조된 광파워(Popt(t))와 제어 신호(icom(t))는 변조 주파수(fm)에서 서로에 대해 위상 시프트된다: 이 2개의 물리량은, 그들 사이에서 위상 시프트(Δφopt/com)를 보여준다.
이 위상 시프트(Δφopt/com)는 변조된 광파워(21)의 광 위상(φopt)과 제어 신호(11)의 제어 위상(φcom) 간의 차이와 동일하다(도 4 참조),
Figure pct00003
.
본 발명에 따른 측정 방법의 교정 단계에서, 교정 위상 시프트(Δφcal)가 변조 주파수(fm)에서 결정되며, 이 교정 위상 시프트(Δφcal)는 광선(121A)의 변조된 광파워(Popt)와 제어 신호(11) 사이의 위상 시프트(Δφopt/com)의 함수임을 명세서의 차후 부분에서 알 수 있을 것이다.
방출 수단(120)은 재료 층(2)의 가열점(2A)에 입사되는 광선(121A)으로 재료 층(2)을 조사(irradiate)하도록 구성된다(도 1 참조).
유리하게는, 여기서 방출 수단(120)은 재료 층(2)으로부터 거리를 두고 배열된다. 실제로는, 예를 들어, 그것은 테스트할 실린더로부터 거리를 두고 배치된다.
이것은 또한 바람직하게는, 상기 전기 제어 수단(110)뿐만 아니라 디지털 필터링(141) 및 계산 수단(142)에도 마찬가지이다.
여기에 도시된 예에서, 측정 장치(100)는 유리하게는 작은 치수를 갖는 원격 측정 헤드(250)를 포함한다. 이 원격 측정 헤드(250)는 상기 방출 수단(120)으로부터 거리를 두고 배치된다.
특히, 이 측정 헤드(250)는 실린더 내부에 침착된 재료 층의 두께를 측정하기 위해 엔진 실린더 내부에 도입되도록 구성된다. 이 거리는 측정 헤드(250)의 크기로 인해, 특히 이들 실린더 내부를 관통할 수 있도록, 실린더 하우징의 대부분의 실린더들에서 사용될 수 있다.
측정 장치(100)의 용도에 따라, 측정 헤드(250)는 측정 헤드(250)의 광선(121A)의 출구와 재료 층(2) 사이의 거리가 4 센티미터(cm) 미만이 되도록 배치된다.
이 측정 헤드(250)는 특히 측정 장치(100)의 다양한 광학적 및 기계적 구성 요소들을 수용하는 본체를 포함한다.
이 원격 측정 헤드(250)는 제1 광섬유(252A)에 의해 방출 수단(120)에 연결된다. 상기 방출 수단(120)에 의해 방출된 광선(121A)을 측정 헤드(250)로 라우팅하는 것은 이 제1 광섬유(252A)에 의해 수행된다.
제1 광섬유(252A)는 레이저 다이오드의 출력부에 연결됨으로써, 레이저 다이오드에서 방출된 광선(121A)이 제1 광섬유(252A)의 내부에서 커플링되어 원격 측정 헤드(250)로 전달된다(도 1 참조).
제1 광섬유(252A)는 측정 헤드(250)의 본체 내로 이어진다.
도 2는 측정 헤드(250) 및 그것이 포함하는 다양한 구성 요소를 보여준다.
원격 측정 헤드(250)는 광선(121A)이 제1 광섬유(252A)를 빠져나갈 때 광선(121A)을 시준(collimation)하기 위한 광학 시준 수단(122)을 먼저 포함한다.
실제로, 레이저 다이오드에 의해 방출된 광선(121A)은, 제1 광섬유(252A)의 출력부에서, 예를 들어 10°와 40° 사이의 높은 개방각을 갖는다.
여기서, 광학 시준 수단(122)은 레이저 다이오드의 방출 파장 범위에서 광학 수차(aberration)가 보정된 이중 렌즈로써 형성된다.
변형예로서, 광학 시준 수단(122)은 예를 들어 비구면(aspherical) 렌즈를 포함할 수 있다.
광선(121A)의 경로 상에 광학 시준 수단(122)이 삽입됨으로 인해, 광선(121A)은 이때 전형적으로 5° 미만의 작은 각도 발산을 나타낸다. 따라서, 광선(121A)은 가늘고, 즉, 미터(m) 또는 밀리미터(mm)로 표현되는 그것의 1/e에서의 반경(r0)이, 예를 들어 0.5mm 내지 3mm 범위 내에 있는 작은 크기이다.
이러한 방식으로, 재료 층(2)에 의해 흡수된 광선(121A)에 의해 축적된 에너지의 표면량이 더 크고 국부 가열점(2A)에서 온도 상승이 더 크다.
작은 각도 발산의 광선(121A)은 제1 전파 경로를 따라 측정 헤드(250)로 전파된다. 이 제1 전파 경로는 시준 수단(122)으로부터 재료 층(2)으로 연장된다.
본 명세서에서 "전파 경로"는 신호가 이 신호의 미리정의된 전송 영역과 수신 영역 사이에서 전파되는 공간 영역을 의미한다. 예를 들어, 제1 전파 경로는 광선(121A)에 의해 취해진 경로에 해당한다.
놀랍게도, 도 2에 도시된 바와 같이, 측정 장치(100)는 또한 광선(121A)을 편향시키기 위한 요소(181)를 포함한다. 편향 요소(181)는 광선(121A)을 편향시키도록 배열된다.
보다 구체적으로는, 편향 요소(181)는 여기에서 광섬유 밖으로 전파되는 광선(121A)을 편향시키도록 배열된다. 이 편향 요소(181)는 광섬유와 다르다.
보다 구체적으로는, 이 편향 요소(181)는 측정 헤드(250)에 배열되고, 상기 광학 시준 수단(122)의 출구에서의 광선(121A)을 편향시키도록 배열된다.
여기서, 광선(121A)의 편향(deviation)은 광선(121A)의 전파 축의 변화를 의미한다. 광선은, 임의의 광섬유 또는 기타 광학 요소와는 별도로, 방향 및 전파 방향을 가진 전파 축을 따라 전체적으로 직선으로 전파된다.
편향 요소(181)는 광선(121A)의 제1 전파 경로에서 적어도 1번의 방향 변화를 일으킨다.
실제로, 여기서, 편향 요소(181)는 광선(121A)의 제1 전파 경로에서 2번의 방향 변화를 일으켜서, 광선(121A)의 전파 축이 이 편향 요소(181)를 통과함에 의해 시프트된다. 편향 요소(181)의 출력부에서의 광선(121A)의 전파 축은 이 편향 요소(181)의 입력부에서의 광선(121A)의 전파 축에 평행하게 연장된다. 방향 및 전파 방향은 편향 요소(181)에 의해 변경되지 않는다. 여기서는 오직 전파 축의 위치만 변경된다.
따라서, 편향 요소(181)는, 편향 요소(181)의 상류로 연장되며 따라서 편향 요소(181)에 입사하는 광선(121A)의 경로에 대응하는 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제1 부분과, 편향 요소(181)의 하류로 연장되며 따라서 편향 요소(181)를 떠나는 광선(121A)의 경로에 대응하는 제1 전파 경로의 제2 부분 사이에 시프트를 일으킨다.
여기서, 광선(121A)의 전파 경로의 제1 부분은 광학 시준 수단(122)과 편향 요소(181) 사이에서 연장된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 여기에서 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제1 부분과 제2 부분은 서로 평행하다.
변형예로서, 광선(121A)의 전파 방향이 편향 요소(181)를 통과함으로써 변경되는 것을 생각할 수 있다.
이러한 편향을 가능케 하기 위해, 편향 요소(181)는 광선(121A)의 파장(λL)을 반사하는 적어도 하나의 반사 표면, 그리고 바람직하게는 광선(121A)의 파장(λL)을 반사하는 적어도 2개의 반사 표면을 포함한다.
실제로, 편향 요소(181)는 내부 표면들이 광선(121A)의 파장(λL)을 반사하는 능면체 프리즘이다.
대안적으로, 편향 요소(181)는 서로 평행하게 배열된 2개의 평면 거울의 평행 조합에 의해 형성될 수 있다. 이 경우, 거울의 반사면은 광선(121A)의 파장(λL)을 반사하도록 처리된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 측정 헤드(250)는 또한 반사 요소(182)를 포함한다. 반사 요소(182)는 광선(121A)의 제1 전파 경로에서 방향의 변경을 유도하기 위해 광선(121A)을 반사하도록 배열된다.
반사 요소(182)는 편향 요소(181)의 출력부의 광선(121A)의 경로에 배치된다.
이때, 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제2 부분은 편향 요소(181)의 출력부와 반사 요소(182) 사이에서 연장된다.
광선(121A)의 이러한 제1 전파 경로의 제3 부분은 반사 요소(182)와 재료 층(2) 사이에서 연장된다.
그리고 반사 요소(182)는 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제2 부분과 제3 부분이 그들 사이에 0이 아닌 각도를 형성하도록 광선(121A)의 제1 전파 경로를 배향시킬 수 있게 한다.
실제로 이 각도는 45°내지 100° 사이일 수 있다. 그것은 필요에 따라 180° 값에 접근할 수 있다. 예를 들어 실린더 형상인 엔진 실린더의 내부의 코팅 두께를 측정하는 경우, 각도는 일반적으로 90°이다.
여기에 설명된 예에서, 광선(121A)은 시험될 실린더의 축에 실질적으로 평행한 진입 방향으로 측정 헤드(250)에 입사한다. 따라서, 전술한 측정 헤드(250) 내의 편향 요소(181) 및 반사 요소(182)의 구성 덕분에, 광선(121A)은 진입 방향과 이 각도를 형성하면서 측정 헤드(250)를 떠난다.
유리하게는, 여기서 광선(121A)은 90°의 입사각으로 층(2)에 입사된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반사 요소(182)는 광선(121A)이 재료 층(2)을 향해 배향될 수 있게 한다. 실제로, 반사 요소(182)는 광선(121A)의 파장(λL)을 반사하는 평면 거울이다.
광선(121A)에 의한 재료 층(2)의 조사는 재료 층(2)의 광선(121A)의 흡수 및 가열의 결과로, 가열점(2A) 내의 그리고 그 주변의 재료 층(2)을 가열하는 효과를 갖는다.
이 가열의 결과, 가열점(2A) 내의 재료 층(2)의 온도는 변할 것이고 국부적으로 가열된 재료 층(2)은 공간 전체에 걸친 열 방사에 의해 방사된 열의 플럭스(131A)를 방출할 것이다(도 1 및 2 참조).
와트(W)로 표현되는 이 방사된 열 플럭스(131A)는 특히 가열점(2A)에서의 재료 층(2)에 의해 도달되는 국부 온도와 관련된다.
일반적으로, 도달된 국부 온도에 의해, 방사된 열 플럭스(131A)가 적외선 파장 범위에서 방출된다.
광선(121A)의 광파워(21)가 변조되고, 재료 층(2)에 의해 흡수된 광파워의 분율(fraction)도 시간이 지남에 따라 변하고, 그 결과 가열점(2A) 내에서의 이 재료 층(2)의 국부적인 가열은 또한 시간의 함수로 변동한다.
결과적으로, 가열점(2A)에서의 재료 층(2)의 온도는 또한 광선(121A)의 주파수와 동일한 변조 주파수에서 시간이 지남에 따라 변동을 나타낸다.
따라서, 재료 층(2)에 의해 방사되는 열 플럭스(131A)는 시간의 함수로 변한다. 측정 장치(100)에 의해 이러한 방사된 열 플럭스(131A)의 변화를 측정함으로써 재료 층(2)의 두께를 결정할 수 있다.
도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)는 제2 전파 경로를 따라 측정 헤드(250)를 향해 그리고 측정 헤드(250) 내로 전파된다.
제2 전파 경로는 재료 층(2)과 상기 광열 검출 수단(130) 사이의 열 플럭스(131A)에 의해 취해진 경로에 대응한다.
측정 헤드(250)는 광 수집 수단(132)을 포함한다. 이러한 광 수집 수단(132)은 방사된 열 플럭스(131A)의 경로 상의 재료 층(2)과 반사 요소(182) 사이에 위치한다. 광 수집 수단은 방사된 열 플럭스(131A)를 수집하고 그것을 반사 요소(182)에 집속시키도록 배치된다.
여기서 광 수집 수단(132)은 관통 오리피스(132A)를 포함한다. 이 관통 오리피스(132A)는 반사 요소(182)로부터 재료 층(2)으로의 광선(121A)의 전파시 광선(121A)의 통과를 가능케 한다.
변형예(미도시)로서, 관통 오리피스(132A)에는 적어도 광선(121A)의 파장(λL)에 대해 투명한 셔터 수단이 설치될 수 있다. 특히, 이것은 먼지, 습기 또는 기타 이물질의 침입으로부터 측정 헤드(250)를 보호한다.
관통 오리피스(132A)에는 예를 들어 수렴 렌즈가 배치되어 광선(121A)을 집속시킴으로써, 매우 작은 크기, 예를 들어 0.1 내지 1 밀리미터(mm)의 직경의 광선(121A)을 얻을 수 있다.
다른 변형예에 따르면, 관통 오리피스(132A)에는 발산 렌즈가 배치될 수 있다. 그러면 재료 층(2)의 표면에서 예를 들어 1 내지 15mm의 직경을 가진 더 큰 직경의 광선(121A)을 얻을 수 있다.
또 다른 변형예에 따르면, 관통 오리피스(132A)에는 적어도 광선(121A)의 파장(λL)을 투과하는 윈도우가 설치될 수 있다. 이 윈도우는 예를 들어 불화칼슘(CaF2)으로 형성될 수 있다.
90°의 각도로 재료 층(2) 상에 광선(121A)의 입사가 이루어지면, 방사된 열 플럭스(131A)의 대부분은 재료 층(2)에 대해 90°로 배향하는 방향으로 측정 헤드(250) 쪽으로 방사된다.
또한, 광 수집 수단(132)은 바람직하게는 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제3 부분에 중심이 놓여져 있다.
따라서, 재료 층(2)에 의해 방출되고 반사 요소(182)로 전달되는 방사된 열 플럭스(131A)의 전체적인 방향은 여기서 재료 층(2) 상으로 광선(121A)이 입사하는 방향과 동일하다. 방사된 열 플럭스(131A)의 전파 축과 대응하는 광선(121A)의 전파 축은 일치한다.
바꾸어 말하면, 여기서 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제3 부분은 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로의 제1 부분에 중첩되며, 이는 재료 층(2)과 반사 요소(182) 사이에서 연장된다.
반사 요소(182)는 또한 방사된 열 플럭스(131A)를 반사하도록 배열된다. 그러므로 실제로는, 반사 요소(182)의 반사 표면은 광선(121A)과 방사된 열 플럭스(131A)를 반사하도록 가공된다.
방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로의 제2 부분은 반사 요소(182)와 편향 요소(181) 사이에서 연장된다.
그리하여 반사 요소(182)는 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로의 제1 부분과 제2 부분이 서로 0이 아닌 각도를 형성하도록 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로를 배향시킬 수 있다. 이 각도는 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제2 부분과 제3 부분 사이에서 반사 요소(182)에 의해 도입된 각도와 분명히 동일하다.
실제로, 전술한 바와 같이, 이 각도는 45° 내지 100° 사이일 수 있다(또한, 어떤 경우에는 180°보다 약간 작을 수 있음). 예를 들어 엔진 실린더 내부의 코팅 두께를 측정하는 경우, 이 각도는 일반적으로 90°이다.
따라서, 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로의 제2 부분과 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제2 부분도 중첩된다.
그 후에, 도 2에 도시된 바와 같이, 방사된 열 플럭스(131A)는 편향 요소(181)의 방향으로 전파된다. 이 편향 요소(181)는 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 경로를 따라서 방사된 열 플럭스(131A)를 편향없이 전파하도록 배열된다. 실제로, 편향 요소(181)의 표면은, 광선(121A)은 반사하지만 방사된 열 플럭스(131A)는 반사하지 않는다. 따라서, 방사된 열 플럭스(131A)의 전파 방향은, 편향 요소(181)를 통과함에 의해 변경되지는 않는다.
편향 요소(181)의 존재는 광선(121A)의 제1 전파 경로 및 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로가 편향 요소(181)와 재료 층(2) 사이에서 중첩되도록 한다. 따라서 측정 헤드(250)는 더 콤팩트하다.
보다 구체적으로는, 여기서 광선(121A)의 제1 전파 경로와 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로가 편향 요소(181)와 재료 층(2) 사이에서 완전히 중첩된다.
편향 요소(181)의 하류에서, 즉, 이 편향 요소(181)로부터 방사된 열 플럭스(131A)의 출력에서, 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로는 측정 헤드(250)의 광열 검출 수단(130)으로 연장되는 제3 부분을 포함한다.
측정 헤드(250)에 포함된 광학 필터(135)는 방사된 열 플럭스(131A)의 제2 전파 경로의 제3 부분을 따라 방사된 열 플럭스(131A)의 경로에 배치된다. 광학 필터(135)는 편향 요소(181)와 광열 검출 수단(130) 사이에 배치된다.
이 광열 검출 수단(130)은 광선(121A)에 의해 가열된 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)를 검출하도록 구성되어 있다.
특히 여기에서, 이러한 광열 검출 수단(130)은 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)를 수집하기 위한 적외선 광열 검출기(131)를 포함한다.
광학 필터(135)는 광원(121)의 방출 파장(λ)에 가까운 파장에서 낮은 광 투과율을 나타내도록 설계된다.
그러한 광학 필터(135)는 예를 들어, 10 이상의 광학 밀도, 바람직하게는 20 이상의 광학 밀도를 갖는 게르마늄 필터일 수 있다.
이 광학 필터(135)는 재료 층(2)의 표면에서 반사된 광선(미도시)이 광열 검출기(131)에 조사되지 못하게 할 수 있다.
반대로, 광학 필터(135)는 방사된 열 플럭스(131A)의 상당 부분을 광열 검출기(131)로 투과시키기 위해 적외선 영역에서 높은 광 투과율을 가지고 있다.
방사된 열 플럭스(131A)는, 광학 필터(135)를 통해 투과한 후, 광열 검출 수단(130)에 포함된 광열 검출기(131)에 의해 수집된다. 다른 광 집속 수단(미도시)은 실제로 방사된 열 플럭스(131A)의 집속을 가능하게 한다. 이러한 다른 집속 수단은 예를 들어 게르마늄 렌즈 유형의 집속 수단이다.
이때, 이러한 광열 검출 수단(130)은 방사된 열 플럭스(131A)를 검출할 수 있다.
광열 검출기(131)는 예를 들어, 납셀레나이드셀, 안티몬화인듐으로 된 CID 타입의 냉각 센서, 즉 영어로 "전하-주입 장치" 또는 수은-카드뮴 텔루라이드 냉각 센서와 같은 적외선 모노 검출기일 수 있다.
광열 검출기(131)는 광선(121A)에 의해 조사된 재료 층(2)의 국부 가열점(2A)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)의 함수인 아날로그 전기 신호(131B)(도 2 참조)를 생성한다.
검출 수단(130)은 또한 아날로그 신호(131B)가 전달하는 아날로그/디지털 변환기(133)를 포함한다.
이때, 이 아날로그/디지털 변환기(133)는 측정 신호(133A)(도 2 참조)를 전달하는데, 이는 디지털 신호이고 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)를 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 측정 장치(100)는 이하에서 약어(UEI)로 지칭되는 전자 및 컴퓨터 유닛(140)을 더 포함한다. 이 UEI(140)는 측정 헤드(250)로부터 거리를 두고 위치한다.
측정 헤드(250)는 제2 광섬유(252B)에 의해 이 UEI(140)에 연결된다. 방사된 열 플럭스(131A)를 나타내는 측정 신호(133A)는 광열 검출 수단(130)으로부터 이 제2 광섬유(252B)를 통해 UEI(140)로 전파된다.
변형예로서, 제2 광섬유(252B)는 측정 신호 전송 케이블(133A)로 대체될 수 있다.
제1 광섬유(252A) 및 제2 광섬유(252B)로 구성된 광섬유 다발(252)에 의해 방출 수단(120) 및 UEI(140)에 연결된 측정 헤드(250)의 존재로 인해, 방출 수단(120) 및 UEI(140)는 두께가 결정되어야 하는 재료 층(2)으로부터 거리를 두고 배치될 수 있다.
이것은 이 재료 층(2)이 작은 치수의 반 폐쇄 시스템의 내부에 위치하는 경우에 특히 유리하다.
예를 들어 수 미터 또는 심지어 수십 미터보다 긴, 적응가능한 길이의 광섬유(및/또는 케이블)를 사용함으로써, 사용가능한 공간이 다소 작더라도 측정을 수행할 수 있다. 예를 들어, 이 구성은 직경이 수 센티미터 정도인 엔진 실린더 하우징의 실린더의 내부 라이닝 두께를 측정하도록 완벽하게 구성되어 있다.
더욱이, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 측정 헤드(250)는 바람직하게는 제1 부분(254)과 제2 부분(255)의 2개의 부분을 포함한다.
제2 부분(255)은 제1 부분(254)에 대해 회전 이동이 가능하다. 실제로 측정 헤드(250)는 제2 부분을 회전시키기 위해 배치된 동작 설정 장치(300)를 포함한다.
동작 설정 장치(300)는 이를 위해 모터를 포함한다. 회전은 광선(121A)의 제1 전파 경로의 제1 부분에 실질적으로 평행한 회전 축(305)을 중심으로 이루어진다.
측정 헤드(250)의 제1 부분(254)은 적어도 편향 요소(181)를 포함한다. 도 2에 도시된 예에 따르면, 측정 헤드(250)의 제1 부분(254)은 또한 광학 시준 수단(122), 광학 필터(135) 및 광열 검출 수단(130)을 포함한다.
측정 헤드(250)의 제2 부분(255)은 그 부분에 관해서는 적어도 반사 요소(182)를 포함한다. 도 2에 도시된 예에서, 측정 헤드(250)의 제2 부분(255)은 또한 광 수집 수단(132)을 포함한다.
반사 요소(182)의 회전으로 인해 표면 내부의 스캐닝이 가능해져서 그로부터 추가 조정할 필요없이 코팅 두께를 알 수 있다. 엔진 실린더의 경우, 회전축(305)을 중심으로 제2 부분(255)이 회전하면, 이 실린더 단면의 원주 주위의 서로 다른 위치들에서 이 실린더의 내부 코팅의 두께를 간단하고 빠르게 측정하기 위해서 실린더 내부를 스캔할 수 있다.
변형예로서, 측정 헤드의 제2 부분(255)의 회전축(305)에 평행한 방향으로 측정 헤드(250) 전체를 이동시키기 위한 시스템을 측정 장치(100)에 제공하는 것을 고려할 수도 있다. 측정 헤드(250)는 이때 회전축(305)을 따라 병진 이동되도록 구성되며, 이는 실린더 축의 길이를 따라 상이한 높이에서 재료 층(2)의 두께를 쉽고 빠르게 검사할 수 있게 한다.
변형예로서, 광열 검출 수단(130)은 측정 헤드(250) 외부에 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 광섬유(252B)는 원격 헤드(250)로부터 광열 검출 수단(130) 쪽으로 방사된 열 플럭스(131A)의 전파를 가능하게 한다. 이로써 측정 헤드(250)의 크기를 더욱 줄일 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 도입된 UEI(140)는 첫째로 검출 수단(130)의 아날로그/디지털 변환기(133)에 의해 디지털화된 측정 신호(133A)를 입력으로서 수신하는 디지털 필터링 수단(141)을 포함한다.
전술한 바와 같이, 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)는 광선(121A)을 흡수하는 재료 층(2)의 온도 변화와 관련된 변동을 나타내며, 그 광선의 광파워(21)는 시간의 함수로 변조된다(도 4 참조).
방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분의 대표적인 시간의 함수로서의 곡선(31)의 예가 도 4에 도시되어 있다.
재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)의 함수인 측정 신호(133A)는 또한 변조 주파수(fm)의 변조된 정현파 성분을 포함한다.
측정 신호(133A)의 이 정현파 성분은 제어 신호를 나타내는 곡선(11)에 대해 위상이 다르다. 측정 신호(133A)의 이 정현파 성분의 위상을 측정 위상(φmes)이라고 지칭한다.
측정 신호(133A)가 광열 검출기(131)에 의해 검출된 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)를 나타내므로, 이 측정 위상(φmes)은, 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분(31)에 대응하는 "열 위상(φth)"과 광열 검출기(131)와 획득 체인의 전자 장치의 내부 위상(φint)의 합, 즉
Figure pct00004
이다.
이하에서, 참조 번호(31A)는 일반적으로 측정 신호(133A)의 정현파 성분을 표시할 것이다.
UEI(140)의 디지털 필터링 수단(141)은 측정 신호(133A)로부터 정현파 성분(31A)을 추출하고 제어 신호(11)의 변조 주파수(fm)에서 이 정현파 성분(31A)의 측정 위상(φmes)을 결정하기 위해, 프로그래밍되어 있다.
보다 구체적으로는, 디지털 필터링 수단(141)은 여기서 다음과 같은 기존의 동작을 수행한다:
i) 측정 신호(133A)의 푸리에 변환을 계산하고, ii) 푸리에 영역에서, 예컨대 변조 주파수(fm) 주변에 10 헤르츠 폭의 매우 좁고 매우 선택적인 대역 통과 필터를 적용하여, 측정 신호(133A)의 정현파 성분(31A)을 추출함.
변형예로서, 측정 위상은, 위 동작 ii) 이후에, 필터링된 측정 신호의 푸리에 변환의 역 푸리에 변환을 계산한 다음, 제어 신호(11)와 비교하여 측정 위상을 곧바로 구함으로써 결정될 수 있다.
추가 변형예로서, 디지털 필터링 수단은 측정 신호와 제어 신호 사이의 교차 공분산(cross covariance)이라고도 하는, 교차 상관(cross correlation)을 계산하고, 푸리에 영역에서 이 2개의 신호 사이의 유사점 피크를 추출할 수 있게 한다. 이 유사점 피크는 2개의 신호 사이의 위상 시프트를 인수(argument)로 하는 복소 수식(complex expression)을 가질 것이다.
UEI(140)는 또한 측정 위상(φmes)을 결정하기 위해 정현파 성분(31A)의 실수 부분과 허수 부분을 분리하는 계산 수단(142)을 포함한다.
보다 구체적으로는, 이러한 계산 수단(142)은 측정 신호(133A)의 정현파 성분(31A)의 푸리에 변환의 역 푸리에 변환의 실수 부분과 허수 부분을 분리하는데, 후자의 푸리에 변환은 복소 함수이다.
다음에, 계산 수단(142)은 제어 신호(11)의 변조 주파수(fm)에 대해, 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분(31)과 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 위상 시프트(φth/opt)를 계산한다.
이를 위해 계산 수단(142)이 다음에 연결된다:
- 측정 신호(133A)의 디지털 필터링 후에 획득된 측정 위상(φmes)을 계산 수단(142)으로 전송하는 디지털 필터링 수단(141),
- 링크(111B)를 통해 제어 신호(11)의 제어 위상(φcom)을 계산 수단(141)으로 전송하는 전류 발생기(111), 및
- 본 발명에 따른 측정 방법의 교정 단계 동안 변조 주파수(fm)에서 결정된 교정 위상 시프트(Δφcal)가 이전에 기록되어 있는 저장 수단(143).
계산 수단(142)은 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분(31)과 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 위상 시프트(φth/opt)가 다음의 측정 위상 시프트와 교정 위상 시프트로부터 계산되도록 프로그래밍되어 있다.
- 측정 위상(φmes)과 제어 위상(φcom) 사이의 측정 위상 시프트(Δφmes). 이 측정 위상 시프트(Δφmes)는 다음과 같다:
Figure pct00005
, 및
- 저장 수단(143)에 이전에 기록되어 있는 교정 위상 시프트(Δφcal).
계산 수단(142)은 또한 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분(31)과 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 위상 시프트(φth/opt)의 함수로서 재료 층(2)의 두께를 결정하도록 프로그래밍되어 있다.
이러한 결정을 수행하기 위해 이러한 측정 수단이 본 발명에 따른 측정 방법에서 어떻게 사용되는지는, 본 발명의 상세한 설명의 나머지 부분에서 알 수 있을 것이다.
도 1 및 2에 도시된 측정 장치(100)의 실시예에서, UEI(140)는 또한 링크(111B)를 통해 제어 수단(110)을 제어하여 전류 발생기(111)의 변조 주파수(fm)를 조정할 수 있다.
유리하게는, 측정 장치(100)는 복수의 재료 층의 각 층의 두께를 동시에 측정하기 위해 조립체에 통합될 수 있으며, 여기서, 각 재료 층은 엔진의 복수의 실린더 중 하나의 실린더 내부에 배치된다.
이 측정 조립체에서:
- 상기 방출 수단은 상기 전기 제어 수단에 의해 전기적으로 제어되는 복수의 광선을 방출하도록 구성되고, 각 광선은 제어 신호의 상기 변조 주파수(fm)의 정현파로 변조된 광파워를 가지며, 각 광선은 제1 전파 경로를 따라 이 광선과 관련된 상기 층 중 하나로 전파되고,
- 광열 검출 수단은 이 재료 층이 관련된 광선에 의해 가열된 각 재료 층에 의해 방사되는 열 플럭스를 검출하여 복수의 측정 신호를 전달하도록 구성되며, 각 측정 신호는 상기 대응하는 재료 층에 의해 방사된 열 플럭스를 나타내며, 각각의 방사된 열 플럭스는 제2 전파 경로를 따라 광열 검출 수단으로 전파되고,
- 복수의 편향 요소가 제공되고, 각 편향 요소는 복수의 광선 중 하나를 편향하도록 배열되고, 각 광선의 제1 전파 경로는 이 광선을 편향시키는 편향 요소와 이 광선과 관련된 재료 층 사이에서 대응하는 방사된 열 플럭스의 제2 전파 경로와 중첩되고,
- 디지털 필터링 수단은 제어 신호의 상기 변조 주파수(fm)의 변조된 정현파 성분을 각 측정 신호로부터 추출하여, 그것의 정현파 성분의 측정 위상(φmes)을 결정하도록 구성되며, 그리고
- 계산 수단은 제어 신호의 상기 변조 주파수(fm)에 대해, 각 재료 층에 의해 방사되는 열 플럭스의 상기 정현파 성분과 이 재료 층이 관련된 광선의 상기 변조된 광파워 사이의 위상 시프트를 계산하고, 이 재료 층에 의해 방사된 상기 열 플럭스의 상기 정현파 성분과 이 재료 층이 관련된 광선의 상기 변조된 광파워 사이의 위상 시프트(φth/opt)의 함수로서 각 재료 층의 두께를 결정하도록 프로그램되어 있다.
상기 복수의 실린더는 예를 들어 정렬될 수 있다.
측정 조립체는 예를 들어 전술한 바와 같은 복수의 제어 수단 및 복수의 방출 수단을 포함한다. 각 제어 수단은 방출 수단과 관련된다. 이것은 상기 복수의 광선을 생성하는 것을 가능하게 한다. 실제로 엔진에 실린더와 동일한 수의 광선이 생성된다. 따라서 동시에 제어될 실린더와 동일한 수의 제어 수단 및 방출 수단이 있는 것이 바람직하다.
측정 조립체에는 또한, 모든 실린더에서 동시에 두께를 측정할 수 있도록 검사하는 실린더의 수와 동일한 수의, 위에서 설명된 측정 헤드가 포함된다. 각각의 측정 헤드는 상기 복수의 방출 수단 중 하나의 방출 수단으로부터 단일 광선을 수신한다.
다음에, 각 원격 측정 헤드는 해당 실린더에서 수행된 측정에 대응하는 측정 신호를 생성한다. 따라서 복수의 측정 신호가 생성된다. 따라서 실제로 엔진에 포함된 실린더 수와 동일한 수의 측정 신호가 생성된다.
측정 조립체는 바람직하게는 모든 실린더에 대해 생성된 모든 측정 신호를 분석하고, 따라서 엔진 실린더 하우징의 실린더의 각각의 내부의 코팅 두께를 동시에 결정할 수 있게 하는 단일 UEI를 추가로 포함한다.
이제, 도 3을 참조하여, 도 1 및 2에 도시된 측정 장치(100)를 사용하는 본 발명에 따른 재료 층(2)의 두께를 측정하는 방법을 설명할 것이다.
여기에 설명된 예에서, 각각 fm,1, fm,2, ... fm,22까지 참조된 22개의 변조 주파수 세트가 사용된다. 이러한 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22)는 모두 서로 다르다.
이 특정 실시예에 따르면, 여기서 측정 방법은 3개의 연속 기간을 포함한다:
- 사용되는 각각의 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22)에서 전기 제어 수단(110)에 대한 방출 수단(120)의 교정 단계(도 3의 블럭(A))을 포함하는 제1 기간(P1)(도 3 참조),
- 각 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22)에 대하여 다음을 포함하는 제2 기간(P2)(도 3 참조):
- 광선(121A)에 의한 층(2)의 가열 단계(도 3의 블럭(B)),
- 광열 검출기(131)에 의한 방사된 열 플럭스(131A)의 검출 단계(도 3의 블럭(C)),
- UEI(140)에 의한 측정 신호(133A)의 디지털 필터링 단계(도 3의 블럭(D)), 및
- UEI(140)에 의한 측정 위상 시프트(Δφmes)의 계산 단계(도 3의 블럭(E)), 및
- UEI(140)에 의한 재료 층(2)의 두께 결정 단계(도 3의 블럭(F))를 포함하는 제3 기간(P3)(도 3 참조).
이러한 다양한 단계는 아래에서 설명한다.
제1 기간(P1)
이 제1 기간(P1) 동안, 고려되는 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22)로 변조된 광파워(21)와 제어 신호(11) 사이의 교정 위상 시프트(Δφcal,1, Δφcal,2, ... Δφcal,22)를 광열 검출 수단(130)에 의해 결정하기 위해, 각 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22)에 대해, 방출 수단(120)의 교정 단계(도 3의 블럭 A 참조)가 수행된다(도 4 참조).
이 교정 단계는 광열 검출 수단(130)을 이용하여 거울에 의해 반사된 광선을 측정하기 위해 재료 층(2) 및 기판(1) 대신에 위치하고 배향된 평면 거울을 사용하고 매번 광학 필터(135)를 제거하도록 주의함으로써 도 1 및 도 2에 나타낸 측정 장치(100)에 의해 간단하게 수행될 수 있다.
이 구성에서, 검출 수단(130)에 의해 전달되는 측정 신호(133A)는 정현파이고 이 측정 신호(133A)의 어떠한 디지털 필터링도 필요하지 않다. 이때, UEI(140)는 각각의 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22)에 대해 레이저 다이오드와 전류 발생기(111) 사이에서 교정 위상 시프트(Δφcal,1, Δφcal,2, ... Δφcal,22)를 결정하고 이를 UEI(140)의 저장 수단(143)에 기록한다.
광열 검출기(131)를 사용하여 측정된 이 교정 위상 시프트(Δφcal)는 변조된 광파워(21)와 제어 신호(11) 사이의 위상 시프트(Δφopt/com)의 함수이다. 더 정확하게는, 여기서 교정 위상 시프트(Δφcal)는, 교정 위상 시프트가 위상 시프트(Δφopt/com)와 광열 검출기(131)와 획득 체인의 전자 장치의 내부 위상(Δφint)의 합이 되도록, 광열 검출기(131)의 내부 위상(Δφint)에 연결된 체계적인 바이어스를 포함한다. 따라서 다음과 같은 관계가 있다.
Figure pct00006
제1 기간(P1)의 끝에서, 22개의 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22) 모두에 대해 각각 결정된 다양한 교정 위상 시프트가 결정되고 UEI(140)의 저장 수단(143)에 기록된다.
바람직하게는, 이 제1 단계는 제2 및 제3 단계(P2, P3) 이전에 수행된다.
제2 기간(P2)
측정 방법의 제2 기간(P2)은 측정 수단(100)의 방출 수단(120)으로부터 나오는 광선(121A)을 층(2)에 조사함으로써 재료 층(2)을 가열하는 단계(도 3의 블럭(B))에서 시작한다(도 1 및 2 참조).
제1 가열 단계는 예를 들어 제1 변조 주파수(fm,1)로 수행된다.
다음으로, 광열 검출 수단(130)에 의해, 광선(121A)에 의해 가열된 층(2)으로부터 방사된 열 플럭스(131A)의 제1 검출 단계(도 3의 블럭(C))가 진행되며, 광선의 광파워(21)는 따라서 제1 변조 주파수(fm,1)의 정현파로 변조된다.
방사된 열 플럭스(131A)는 광열 검출기(131)에 의해 수집되고, 그 다음에 검출 수단(130)은 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)를 나타내는 제1 측정 신호(133A)를 전달한다.
제1 디지털 필터링 단계(도 3의 블럭(C))에서, 이 제1 측정 신호(133A)는 제1 변조 주파수(fm,1)의 변조된 제1 정현파 성분(31A)을 추출하기 위해, 그 후 UEI(140)의 디지털 필터링 수단(141)에 의해 디지털 필터링된다.
그 다음, 이 제1 정현파 성분(31A)은 이 제1 정현파 성분(31A)의 제1 측정 위상(φmes,1)을 결정하는 UEI(140)의 계산 수단(142)으로 전송된다.
마지막으로, 제1 계산 단계(도 3의 블럭(E))에서, 계산 수단(142)이 제1 변조 주파수(fm,1)에 대해, 방사된 열 플럭스(131A)의 제1 정현파 성분(31)과 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 제1 위상 시프트(Δφth/opt,1)를 계산한다.
이 제1 위상 시프트(Δφth/opt,1)는 제1 정현파 성분(31A)의 제1 측정 위상(φmes,1)과 제어 신호(11)의 제1 제어 위상(φcom,1) 및 제1 기간(P1)의 제1 교정 단계에서 미리결정된 제1 교정 위상 시프트(Δφcal,1) 사이의 제1 측정 위상 시프트(φmes,1)로부터 계산된다(도 3의 블럭 A와 블럭(E) 사이의 실선의 화살표 참조).
특히 다음과 같은 관계가 있다:
Figure pct00007
,
여기서,
Figure pct00008
및
Figure pct00009
,
그러므로,
Figure pct00010
즉,
Figure pct00011
, 이것은 다음과 같이 쓸 수 있다:
Figure pct00012
.
이것은 최종적으로 다음과 같다:
Figure pct00013
.
따라서, 교정 단계와 검출 단계 모두에 광열 검출 수단(130)을 사용함으로써, 제어 신호(11)의 변조 주파수(fm)가 무엇이든 상관없이, 광열 검출기(131)의 내부 위상을 생략하는 것과, 본 발명에 따른 측정 방법에 의하여, 방사된 열 플럭스(131A)와 광선(121A) 사이의 위상 시프트(Δφth/opt,1)를 매우 정확하게 측정하는 것이 가능하다.
여기에 설명된 측정 방법의 예에 따르면 22개의 변조 주파수가 사용되었다.
하지만, 본 발명에 따른 측정 방법은 제어 신호의 단일 변조 주파수 또는 1보다 크거나 같은 임의의 수의 변조 주파수에 대해 구현될 수 있다.
여러 변조 주파수를 사용하면 측정 방법의 정확도가 향상된다.
제2 기간(P2) 동안 다른 변조 주파수(fm,2, ... fm,22) 각각에 대해 교정, 가열 및 검출 단계가 반복된다.
다른 계산 단계 동안, 이러한 다른 변조 주파수(fm,2, ... fm,22)에 대해, 방사된 열 플럭스(131A)의 다른 변조 주파수(fm,2, ... fm,22)의 다른 정현파 성분과 이러한 다른 변조 주파수(fm,2, ... fm,22)의 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 다른 위상 시프트(Δφth / opt,2, ... Δφth / opt,22)도 또한 계산된다.
유리하게는, 연속적으로 시험되는 2개의 특정 변조 주파수(fm 및 f'm)에 있어서는, 이후에 시험되는 변조 주파수(f'm)에 대하여 수행되는 가열(도 3의 블럭(B)) 및 검출(도 3의 블럭(C)) 단계가, 직전에 시험된 변조 주파수(fm)에 대해 수행되는 디지털 필터링 단계(도 3의 블럭(D)) 및 계산(도 3의 블럭(E)) 단계와 병렬로 실행된다(도 3의 블럭(C)과 블럭(B) 사이의 점선으로 표시된 화살표(G) 참조).
이러한 방식으로, 제2 기간(P2)의 지속 시간이 감소되고 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22) 각각에 대해 계산된 위상 시프트(Δφth / opt,1, Δφth / opt,2, ... Δφth/opt,22) 세트가 더 빨리 얻어진다.
따라서, 제2 기간(P2)이 끝나면 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분(31)과 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 다른 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22)에서 측정된 위상 시프트(Δφth / opt,1, Δφth / opt,2, ... Δφth / opt,22)의 시험 값 세트가 있게 된다.
제3 기간(P3)
제3 기간(P3) 동안, 재료 층(2)의 두께를 결정하는 단계(도 3의 블럭(F))는 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분(31)과 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 변조 주파수(fm,1, fm,2, ... fm,22)의 각각에 대해 계산된 위상 시프트(Δφth/opt,1, Δφth/opt,2, ... Δφth/opt,22)의 함수로서 수행된다.
이를 위해, 측정된 위상 시프트(Δφth / opt,1, Δφth / opt,2, ... Δφth / opt,22)의 시험 값에 대한 통계적 회귀분석(regression)을 사용하여 진행할 수 있다.
보다 구체적으로는, 제2 기간(P2) 동안 계산된 위상 시프트(Δφth / opt,1, Δφth/opt,2, ... Δφth / opt,22)의 시험 값을 정현파 성분(31)과 변조 주파수의 함수로 변조된 광파워(21) 사이의 이론적 위상 시프트(Δφth/opt,theo)를 나타내는 이론적 곡선에 의해 얻은 이론 값과 비교하여 곡선 조정이 이루어진다.
실제로, 특정 변조 주파수(fm)의 이론적 위상 시프트(Δφth/opt,theo)는 예를 들어 다음과 같은 수학적 관계(관계(R1))에 따라 재료 층(2)의 두께(d)의 함수로 표현되는 것을 보여준다:
Figure pct00014
여기서,
Figure pct00015
이고,
Figure pct00016
.
앞의 공식에서 재료와 기하학적 매개변수에 따라 달라지는 다양한 물리적 상수가 개입한다. 특히:
- ρcCc 및 ρsCs는 각각 층(2) 및 기판(1)의 켈빈(Kelvin) 당 및 입방미터 당 줄(Joule)(J. K-1. m3)로 표시되는 체적 열용량이다.
- kc 및 ks는 각각 층(2) 및 기판(1)의 미터 당 및 켈빈 당 와트(W. m-1. K-1)로 표시되는 열전도율이다.
- d는 재료 층(2)의 미터(m)로 표시되는 두께이다.
- r0은 레이저 광선(121A)의 1/e에서 미터로 표시되는 반경이다(e는 e1 = exp(1)와 같은 상수이고, exp는 지수 함수임),
- Rcont는 재료 층(2)과 기판(1) 사이의 계면에서 와트 당 평방미터 켈빈(m2. K.W-1)으로 표현되는 열 저항이며, 그리고
- αc는 광원(121)에 의해 방출된 광선(121A)의 방출 파장(λL)의 재료 층(2)의 미터 당(m-1) 흡수 계수이다.
따라서, 이론적 위상 시프트(Δφth/opt,theo)를 나타내는 곡선은 한편으로는 재료 층(2)의 두께(d)에 의존하고, 다른 한편으로는 이러한 물리적 상수(도 3의 블럭(F1))에 의존한다. 두께(d) 및 이러한 물리적 상수는 곡선 피팅을 위한 조정 매개변수로 사용된다.
달리 말해, 결정 단계(도 3의 블럭(F))에서, 변조 주파수의 함수로서 변조된 광파워(21)와 정현파 성분 사이의 이론적 위상 시프트(Δφth/opt,theo)를 나타내는 곡선은, 이론적 위상 시프트(Δφth/opt,theo)를 나타내는 곡선이 결정된 위상 시프트(Δφth/opt,1, Δφth / opt,2, ... Δφth / opt,22)의 시험 값을 가장 잘 설명하도록, 시험된 변조 주파수(fm, f'm)에 대해 계산된 상기 위상 시프트(Δφth/opt, Δφ'th/opt)를 고려하여 이러한 조정 파라미터의 함수로서 조정된다.
이러한 회귀분석은 예를 들어 Levenberg-Marquardt 알고리즘을 사용하여 수행할 수 있다.
이 조정은 도 5에 설명되어 있으며, 여기에서 다음을 나타낸다.
- 가로 좌표: 대수 스케일에 따라 Flertz(Hz)로 표현되는 변조 주파수(fm),
- 세로 좌표: 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분(31)과 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 위상 시프트.
이 도 5에 대해 설명한다:
- 제2 기간(P2) 동안 계산된 위상 시프트(Δφth/opt)의 22개의 시험값, 및
- Levenberg-Marquart 유형의 역 방법을 사용하여 얻은 변조 주파수의 함수로서 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파(31) 및 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 사이의 이론적인 위상 시프트(Δφth/opt,theo)의 곡선.
Levenberg-Marquardt 알고리즘에서 이 최상의 곡선은 조정 매개변수 세트에 대해 얻어진다.
이때, 재료 층(2)의 두께(d)는 이 최상의 대표적인 조정된 이론 곡선의 이러한 조정 매개변수 중 하나인 것으로 결정된다.
변형예에 따르면, 측정 방법은 제어 신호의 단일 변조 주파수를 사용하여 구현된다.
재료 층(2)의 두께는 상기와 동일한 관계(R1)를 사용하여 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분과 광선의 변조된 광파워(21) 사이의 위상 시프트(Δφth /opt)의 함수로서 결정된다.
그러면 이 관계에서, 미리결정된 값은 층(2)의 재료의 특성, 기판(1)의 특성 및 예를 들어 온도와 같은 시험 조건의 함수로서 다양한 열 물리적 양에 할당된다.
변형예로서, 다른 알려진 두께의 코팅 층을 갖는 코팅된 샘플을 사용하는 것도 가능하다(측정은 다른 기술에 의해 미리 수행되었음). 이로 인해 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분과 광선(121A)의 변조된 광파워(21) 및 층의 두께(d) 사이의 위상 시프트(Δφth /opt) 사이의 관계를 경험적으로 재구성하는 것이 가능하게 된다.
할당하는 동안, 다양한 열적 물리량에 대해 가능한 값의 범위를 설정할 수 있다.
전술한 바와 같은 측정 장치(100)는 또한, 예를 들어 코팅의 다공성 또는 응집과 같은 코팅에 존재하는 결함을 측정하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 측정 장치의 특히 유리한 실시예가 여기서 설명되었으며, 여기서 이 측정 장치의 전체 크기를 줄일 수 있게 하고, 원격 측정 헤드의 사용과 관련되고, 측정 장치의 요소들의 일부를 거리를 두고 설치할 수 있게 하는 편향 요소의 사용으로 인하여, 작은 공간 내에서 재료 층의 두께의 측정이 가능하게 된다.
더욱이, 본 발명에 따른 측정 장치는 원격 측정 헤드를 사용하지 않고도 구현될 수 있다. 설명된 다양한 요소는 유지되며, 측정 헤드를 나머지 측정 장치에 연결하는 광섬유(및/또는 케이블)만이 이 다른 실시예를 구현하기 위하여 제거된다.

Claims (11)

  1. 재료 층(2)의 두께(d)를 결정하기 위한 측정 장치(100)로서:
    - 변조 주파수(fm) 및 제어 위상(φcom)을 갖는 정현파 제어 신호(11)를 전달하도록 구성된 전기 제어 수단(110),
    - 광선(121A)이 제어 신호(11)의 상기 변조 주파수(fm)의 정현파로 변조된 광파워(21)를 갖도록, 상기 전기 제어 수단(110)에 의해 전기적으로 제어되는 광선(121A)의 방출 수단(120) - 상기 광선(121A)은 제1 전파 경로를 따라 상기 재료 층(2)으로 전파됨 -,
    - 상기 광선(121A)에 의해 가열된 상기 재료 층(2)에 의해 방사된 열 플럭스(131A)를 검출하도록 구성되고, 상기 재료 층(2)에 의한 상기 방사된 열 플럭스(131A)를 나타내는 측정 신호(133A)를 전달하는 광열 검출 수단(130) - 상기 방사된 열 플럭스(131A)는 제2 전파 경로를 따라 광열 검출 수단(130)으로 전파됨 -,
    - 상기 측정 신호(133A)의 정현파 성분(31A)의 측정 위상(φmes)을 결정하기 위해 제어 신호(11)의 상기 변조 주파수(fm)로 변조된 정현파 성분(31A)을 상기 측정 신호(133A)로부터 추출하도록 구성된 디지털 필터링 수단(141), 및
    - 제어 신호(11)의 상기 변조 주파수(fm)에 대해, 상기 방사된 열 플럭스(131A)의 정현파 성분(31)과 상기 광선(121A)의 변조된 상기 광파워(21) 사이의 위상 시프트(φth/opt)를 계산하고, 상기 방사된 열 플럭스(131A)의 상기 정현파 성분(31)과 상기 광선(121A)의 변조된 상기 광파워(21) 사이의 위상 시프트(φth/opt)의 함수로서 상기 재료 층(2)의 두께(d)를 결정하도록 프로그래밍된 계산 수단(142)을 포함하고,
    상기 측정 장치(100)는 또한, 상기 광선(121A)을 편향시키도록 배열된 광선(121A)의 편향 요소(181)를 포함하여, 상기 편향 요소(181)와 상기 재료 층(2) 사이에서, 상기 광선(121A)의 제1 전파 경로가 상기 방사된 열 플럭스(131A)의 상기 제2 전파 경로와 중첩되며, 상기 측정 장치(100)는 2개의 부분(254, 255)을 구비한 원격 측정 헤드를 포함하며, 상기 2개의 부분 중 이동 부분(255)은 다른 부분(254)에 대해 회전하고, 상기 이동 부분(255)은 적어도 하나의 반사 요소(182)를 수용하고, 상기 측정 헤드(250)의 다른 부분(254)은 상기 편향 요소(181)를 수용하며, 상기 반사 요소(182)는 광선(121A)을 반사하도록 배열되어 상기 편향 요소(181)로부터 상기 반사 요소(182)로 연장되는 상기 광선(121A)의 상기 제1 전파 경로의 제1 부분과 상기 반사 요소(182)로부터 상기 재료 층(2)으로 연장되는 상기 광선(121A)의 상기 제1 전파 경로의 제2 부분이 0이 아닌 각도를 형성하는 것을 특징으로 하는, 측정 장치(100).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방출 수단(120)은, 파장이 100 내지 1800 나노 미터이고, 주파수가 1 내지 10,000 헤르츠이고, 광파워가 1 ~ 500 와트인 광원을 포함하고, 광선(121A)의 직경은 1500 ~ 20,000 마이크로미터인, 측정 장치(100).
  3. 제2항에 있어서,
    상기 편향 요소(181)는 상기 방사된 열 플럭스(131A)를 편향시키지 않고 상기 제2 전파 경로에 따라 상기 광열 검출 수단(130)으로 전파하도록 배열되는, 측정 장치(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 편향 요소(181)는 능면체 프리즘 또는 서로에 대해 서로 평행하게 배열된 적어도 2개의 평면 거울의 조합을 포함하는, 측정 장치(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 요소(182)는 또한, 상기 방사된 열 플럭스(131A)를 반사하도록 배열되어 상기 재료 층(2)으로부터 상기 반사 요소(182)까지 연장되는 상기 방사된 열 플럭스(131A)의 상기 제2 전파 경로의 제1 부분이 상기 광선(121A)의 상기 제1 전파 경로의 상기 제2 부분에 중첩되고, 상기 반사 요소(182)로부터 상기 편향 요소(181)로 연장되는 상기 방사된 열 플럭스(131A)의 상기 제2 전파 경로의 제2 부분이 상기 광선(121A)의 상기 제1 전파 경로의 상기 제1 부분에 중첩되는, 측정 장치(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반사 요소(182)에 상기 방사된 열 플럭스(131A)를 집중시키도록 배열된 광 수집 수단(132)을 더 포함하고, 상기 광 수집 수단(132)은 상기 반사 요소(182)와 상기 재료 층(2) 사이에 위치하는, 측정 장치(100).
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광 수집 수단(132)은 상기 광선(121A)의 통과를 가능하게 하는 적어도 하나의 관통 오리피스(132A)를 포함하는, 측정 장치(100).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 헤드(250)의 이동가능한 부분(255)은 상기 광선(121A)의 상기 제1 전파 경로의 상기 제1 부분에 실질적으로 평행한 축을 중심으로 회전 이동 가능한, 측정 장치(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 헤드(250)는 또한 측정 헤드(250)의 다른 부분(254)에 대한 측정 헤드(250)의 이동 가능한 부분(255)을 회전시키도록 배열된 동작 설정 장치(300)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 측정 장치(100).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 측정 헤드의 광선(121A)의 출력과 상기 재료 층(2) 사이의 거리가 4cm 미만이 되도록 측정 헤드(250)가 위치하는, 측정 장치(100)의 사용.
  11. 복수의 재료 층의 각 재료 층의 두께를 동시에 측정하기 위한 조립체로서, 각 재료 층은 엔진의 복수의 실린더의 실린더 내부에 배열되며, 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 측정 장치를 포함하고,
    - 상기 방출 수단은 상기 전기 제어 수단에 의해 전기적으로 제어되는 복수의 광선을 방출하도록 구성되어 있고, 각 광선은 제어 신호의 상기 변조 주파수(fm)의 정현파로 변조된 광파워를 갖고,
    - 각 광선은 제1 전파 경로를 따라 상기 광선과 관련된 상기 층 중 하나로 전파되고,
    - 광열 검출 수단은 상기 재료 층이 관련된 광선에 의해 가열된 재료의 각 층에 의해 방사되는 열 플럭스를 검출하고 및 복수의 측정 신호를 전달하도록 구성되며, 각 측정 신호는 상기 대응하는 재료 층에 의해 방사된 열 플럭스를 나타내며, 각각의 방사된 열 플럭스는 제2 전파 경로를 따라 광열 검출 수단으로 전파되고,
    - 복수의 편향 요소가 제공되며, 각 편향 요소는 복수의 광선의 광선 중 하나를 편향하도록 배열되어 각 광선의 제1 전파 경로가 상기 광선을 편향시키는 편향 요소와 상기 광선과 관련된 재료 층 사이에서 대응하는 방사된 열 플럭스의 제2 전파 경로와 중첩되고,
    - 디지털 필터링 수단은 상기 정현파 성분의 측정 위상(φmes)을 결정하기 위해 각 측정 신호로부터 제어 신호의 상기 변조 주파수(fm)로 변조된 그것의 정현파 성분을 추출하도록 구성되고, 그리고
    - 계산 수단은 제어 신호의 상기 변조 주파수(fm)에 대해, 각 재료 층에 의해 방사되는 열 플럭스의 상기 정현파 성분과 상기 재료 층이 관련된 광선의 상기 변조된 광파워 사이의 위상 시프트(Δφth/opt)를 계산하고, 상기 재료 층에 의해 방사된 상기 열 플럭스의 상기 정현파 성분과 상기 재료 층이 관련된 광선의 상기 변조된 광학적 파워 사이의 위상 시프트(Δφth/opt)의 함수로서 각 재료 층의 두께를 결정하도록, 프로그램되어 있는, 조립체.
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