KR20210156981A - 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치 - Google Patents

레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치에 관한 것으로서, 금속판의 표면에 음파를 발생시킬 수 있게 충격 레이저빔을 조사하는 레이저빔 조사부와, 충격 레이저빔의 조사위치와는 다른 측정위치의 금속판에 기준레이저빔을 조사하고, 금속판으로부터 반사되는 검출레이저빔을 수신하여 금속판으로부터 충격 레이저빔의 조사에 반응하여 발생되는 음파 정보를 측정하는 레이저빔 기반 측정부와, 레이저 빔조사부로부터 충격 레이저빔이 금속판에 조사되게 레이저빔 조사부의 구동을 제어하고, 레이저빔 기반 측정부로부터 측정된 음파 정보를 이용하여 금속판 표면의 온도를 산출하는 산출부를 구비한다. 이러한 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치에 의하면, 레이저를 이용하여 금속표면의 일정면적에 대해 스캔하면서 온도를 측정할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치{metal surface temperature measuring apparatus}
본 발명은 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치에 관한 것으로서, 측정대상 금속표면에 레이저빔을 조사하고 표면으로부터 발생되는 음파를 검출하여 온도를 측정하는 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치에 관한 것이다.
접촉식 온도측정 방법으로는 크게 열전쌍 (thermo-couple)을 활용하는 방법과 온도에 따른 저항변화를 측정하는 방법이 있다. 두 방법 모두 전도에 의한 열전도 현상을 활용하기 때문에 온도측정 대상체와 밀착이 필요하며 측정대상 열이 충분히 전도되기까지 약 30초 정도의 대기 시간이 요구된다. 접촉식 온도측정 방법은 측정 대상체가 외부물질 접촉에 민감하거나, 이동 중이거나 또는 접근이 불가능한 환경에 놓인 경우 적용할 수 없는 단점이 있다.
특히, 제강과정에서 압연과정을 거쳐 생성되는 판형상의 슬리브 강의 경우 연속적으로 이동 중이며 표면이 고온이기 때문에 접촉식 측정방법을 적용하기 어렵다.
이와 같은 어려움을 극복하기 위해 비접촉 온도측정 방법이 개발되었다. 통상적인 비접촉식 온도측정 방법은 대상이 방출하는 적외선 에너지가 온도에 따라 다르다는 현상을 활용한다. 적외선 온도계는 렌즈, 필터, 광학 디텍터, 증폭회로 및 선형회로로 구성된다. 적외선 온도계의 렌즈는 대상 표면의 측정점으로부터 방출되는 빛 에너지를 모으고 필터는 해당 빛에서 디텍터가 감지할 수 있는 파장의 빛만 통과시키고 이는 디텍터에서 측정된다. 디텍터에서 측정되는 신호는 매우 작기 때문에 증폭기를 거치면서 증폭되며, 이 신호는 선형화 회로에서 물체의 방사율 (emissivity)을 고려하여 온도 값으로 변환된다. 적외선 온도측정 방법은 5초 이내에 온도측정이 가능하고 비접촉식이라는 장점으로 현재 많은 산업계에 활용되고 있다.
한편, 구조물 건전성 모니터링과 비파괴 검사를 목적으로 초음파 탐상 기술이 활용된다. 초음파는 빠른 시간 내 측정대상체 전반으로 전파되며 작은 물성변화에도 민감하게 반응하기 때문에 측정대상체의 표면 또는 내부 결함탐지에 널리 활용된다. 온도변화 발생 시 매질의 기계적 특성이 변화함에 따라 초음파 거동도 변화하기 때문에 초음파 탐상을 통한 온도측정이 가능하다. 국내 등록특허 제10-0467985호에는 초음파 온도 측정장치가 개시되어 있으나, 텅스텐 합금으로 된 센싱소자를 적용하고 있어 제작이 용이하지 않으며 일정면적에 대해 스캔하면서 온도분포 정보를 얻기가 어려운 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 레이저를 이용하여 금속표면의 일정면적에 대해 스캔하면서 온도를 측정할 수 있는 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치는 금속판의 표면에 음파를 발생시킬 수 있게 충격 레이저빔을 조사하는 레이저빔 조사부와; 상기 충격 레이저빔의 조사위치와는 다른 측정위치의 상기 금속판에 기준레이저빔을 조사하고, 상기 금속판으로부터 상기 기준 레이저빔에 대해 반사되는 검출레이저빔을 수신하여 상기 금속판으로부터 상기 충격 레이저빔의 조사에 반응하여 발생되는 음파 정보를 측정하는 레이저빔 기반 측정부와; 상기 레이저 빔조사부로부터 상기 충격 레이저빔이 상기 금속판에 조사되게 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하고, 상기 레이저빔 기반 측정부로부터 측정된 음파 정보를 이용하여 상기 금속판 표면의 온도를 산출하는 산출부;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 레이저빔 조사부는 상기 충격 레이저빔을 출사하는 제1레이저광원과; 상기 제1레이저광원에서 출사되는 충격 레이저빔이 설정된 스캔 위치의 충격포인트로 조사되게 경로를 조정하는 스캔부;를 구비하고, 상기 레이저빔 기반 측정부는 상기 기준 레이저빔을 출사하는 제2레이저광원과; 상기 기준레이저빔을 제1경로와 상기 제1경로와 직교하는 방향의 제2경로로 분할하여 출력하는 제1빔스플릿터와; 상기 제1경로를 통해 진행되는 광은 통과시키고, 상기 금속판으로부터 반사되는 광은 상기 제2경로와 나라한 제3경로로 반사시키는 제2빔스플릿터와; 상기 제2경로를 통해 진행되는 광을 상기 제1경로와 나란한 제4경로로 반사시키는 제1미러와; 상기 제1미러에서 반사되어 상기 제4경로를 통해 진행되는 광과 상기 제3경로를 통해 진행되는 광을 모두 입사 받을 수 있는 위치에 배치되어 상기 제4경로를 통해 진행되는 광은 제5경로로 투과시키고, 상기 제3경로를 통해 진행되는 광은 상기 제5경로로 진행되게 반사시키는 제3빔스플릿터와; 상기 제3빔스플릿터에서 상기 제5경로로 진행되는 간섭광을 검출하여 산출부에 제공하는 광검출기;를 구비한다.
또한, 상기 산출부는 스캔대상 영역에 대해 제1방향과 상기 제1방향과 직교하는 제2방향을 따라 설정된 복수 개의 충격 포인트들에 대해 충격 레이저빔이 설정된 가진 간격으로 조사되게 상기 레이저빔 조사부를 제어하고, 상기 각 충격포인트들에 대해 충격레이저빔이 조사된 후 상기 레이저빔 기반 측정부로부터 음파도달시간정보와 상기 충격 포인트와의 거리정보로부터 음파속도정보를 산출하고, 산출된 음파속도에 대응되는 온도를 충격포인트별로 산출하고, 산출된 측정포인트별 온도의 평균값을 스캔대상영역의 온도값으로 결정하도록 구축될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치에 의하면, 레이저를 이용하여 금속표면의 일정면적에 대해 스캔하면서 온도를 측정할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 레이저빔 조사부의 구성 예를 나타내 보인 사시도이고,
도 3은 도 1의 레이저빔 기반 측정부의 구성 예를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 도 1의 레이저빔 조사부에서 충격레이저빔의 스캔 포인트의 일 예를 나타내 보인 도면이고,
도 5는 도 1의 산출부에서 온도를 측정하는데 이용되는 초음파 속도와 온도와의 관계를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치(100)는 레이저빔 조사부(110), 레이저빔 기반 측정부(150), 산출부(170) 및 표시부(180)를 구비한다.
레이저빔 조사부(110)는 금속판(10)의 표면에 음파를 발생시킬 수 있게 충격 레이저빔을 조사한다.
여기서, 금속판(10)은 고로에서 용출되는 쇳물을 정련하고 압연롤러를 거쳐 판형상의 슬리브강을 제조하는 제강과정에서 슬리브강이 적용되어 있고, 컨베이어벨트를 통해 이송된다.
레이저빔 조사부(110)의 상세 구조를 도 2를 함께 참조하여 설명한다. 레이저빔 조사부(110)는 산출부(170)에 제어되어 충격 레이저빔(112a)을 출사하는 제1레이저광원(112)과, 제1레이저광원(112)에서 출사되는 충격 레이저빔(112a)이 설정된 스캔 위치의 충격포인트들로 조사되게 경로를 조정하는 스캔부(120)로 되어 있다.
제1레이저광원(112)은 금속판(10)에 충격을 인가하여 금속판(10)으로부터 초음파가 발생할 수 있는 정도의 충격 레이저빔(112a)을 출사하는 파워를 갖는 것을 적용한다. 제1레이저광원(112)은 충격 레이저빔(112a)의 출사시기에만 충력레이저빔(112a)이 출사되게 산출부(170)에 제어된다.
스캔부(120)는 통상적인 구조로 구축되면 되고, 제1레이저광원(112)에서 출사되는 광에 대해 조사면을 기준으로 제1방향에 대한 조사방향을 제1반사경(121)의 각도를 조정하여 조정하는 제1방향조정기(123)와, 제1반사경(121)을 거쳐 진행되는 광에 대해 제1방향과 직교하는 제2방향에 대해 제2반사경(122)의 각도를 조정하여 조정하는 제2방향조정기(122)로 구축될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2방향조정기(123)(124)는 산출부(170)에 의해 제어되며 제1 및 제2반사경(121)(122)의 회전중심으로부터 연장된 회전축을 회전구동하는 모터가 적용되어 있고, 도시된예와 다른 방식으로 제1 및 제2반사경(121)(122)을 회전시키는 구조가 적용될 수 있음은 물론이다.
이러한 레이저빔 조사부(110)는 산출부(170)에 제어되어 설정된 충격 레이저빔(112a)의 발생간격마다 충격 레이저빔(112a)이 출사되게하고, 스캔부(120)는 산출부(170)에 제어되어 스캔 영역에 대해 설정된 스캔위치의 충격포인트로 충격 레이저빔(112a)이 조사되게 경로를 조정한다. 일 예로서, 스캔부(120)에 의해 조사되는 충격 레이저빔(112a)은 도 4에 도시된 바와 같이 참조부호 116으로 표기된 스캔 위치의 충격포인트에 순차적으로 화살표 방향을 따라 조사되게 구축될 수 있다. 이 경우 다수의 충격포인트들에 대한 온도 정보를 추출할 수 있다.
레이저빔 기반 측정부(150)는 충격 레이저빔(112a)의 조사위치(116)와는 다른 측정위치(m)의 금속판(10)에 기준레이저빔(152)을 조사하고, 금속판(10)으로부터 기준 레이저빔(152)에 대해 반사되는 검출레이저빔을 수신하여 금속판(10)으로부터 충격 레이저빔(112a)의 조사에 반응하여 발생되는 음파 정보를 측정하고 도 3을 함께 참조하여 설명한다.
레이저빔 기반 측정부(150)는 제2레이저광원(151), 제1빔스플릿터(161), 제2빔스플릿터(162), 제1미러(155), 제3빔스플릿터(163), 광검출기(165)를 구비한다.
제2레이저광원(151)은 기준 레이저빔을 출사한다. 제2레이저광원(151)은 측정모드에서는 연속적으로 기준 레이저빔을 출사하도록 제어된다.
제1빔스플릿터(161)는 제2레이저광원(151)에서 출사되는 기준레이저빔을 제1경로(157)와 제1경로(157)와 직교하는 방향의 제2경로(158)로 분할하여 출력한다.
참조부호 153은 광빔을 변조하기 위해 제1경로(157) 상에 설치되는 광변조기이고, 기계적, 물리적 방식의 변조기 및 그 밖의 변조기를 적용하면 된다.
제2빔스플릿터(162)는 제1경로(157)를 통해 진행되는 광은 통과시키고, 금속판(10)으로부터 반사되는 광은 제2경로(158)와 나란한 제3경로(159)로 반사시킨다.
제1미러(155)는 제2경로(158)를 통해 진행되는 광을 제1경로(157)와 나란한 제4경로(160)로 반사시킨다.
제3빔스플릿터(163)는 제1미러(155)에서 반사되어 제4경로(160)를 통해 진행되는 광과 제3경로(159)를 통해 진행되는 광을 모두 입사 받을 수 있는 위치에 배치되어 제4경로(160)를 통해 진행되는 광은 제5경로(164)로 투과시키고, 제3경로(159)를 통해 진행되는 광은 제5경로(164)로 진행되게 반사시켜 간섭광을 생성한다.
광검출기(165)는 제3빔스플릿터(163)에서 제5경로(164)로 진행되는 간섭광을 검출하여 산출부(170)에 제공한다.
산출부(170)는 레이저 빔조사부(110)로부터 충격 레이저빔이 금속판(10)에 조사되게 레이저빔 조사부(110)의 구동을 제어하고, 레이저빔 기반 측정부(150)의 광검출기(165)에서 수신된 정보로부터 음파 정보를 획득하고, 이 음파 정보를 이용하여 금속판(10) 표면의 온도를 산출한다.
일 예로서, 산출부(170)는 각 측정포인트(116)들과 알고 있는 측정위치(m)와의 거리정보와 측정 포인트(116)에 충격 레이저빔(112a)이 조사된 시점으로부터 측정위치(m)까지 초음파가 도달되는 시간 정보로부터 산출된 초음파 속도 정보를 이용하여 각 측정 포인트(116)의 온도를 산출하도록 구축된다. 이 경우 산출부(170)는 스캔대상 영역에 대해 제1방향(X)과 제1방향(X)과 직교하는 제2방향(Y)을 따라 설정된 복수 개의 충격 포인트(116)들에 대해 충격 레이저빔(112a)이 설정된 가진 간격으로 조사되게 레이저빔 조사부(110)를 제어한다. 또한, 산출부(170)는 각 충격포인트(116)들에 대해 충격레이저빔(112a)이 조사된 후 레이저빔 기반 측정부(150)로부터 음파도달 시간정보와 측정위치(m)와의 거리정보로부터 음파속도를 산출하고, 산출된 음파속도에 대응되는 온도를 측정포인트(116)별로 산출하고, 산출된 측정포인트별 온도의 평균값을 스캔대상영역의 온도값으로 결정한다.
여기서, 음파속도와 온도는 도 5에 도시된 그래프와 같이 비례관계(S)를 갖고 있고, 비례관계(S) 정보를 이용하여 산출부(170)는 온도를 산출하도록 구축되면 된다.
비례관계(S)는 아래의 수학식1로 표현된다.
Figure pat00001
여기서, V(T)는 측정된 음파 즉 초음파 속도이고, T는 온도이다.
따라서, 산출부(170)는 초음파 속도에 대응되는 온도정보가 기록된 룩업테이블을 이용하여 충격포인트(116)별로 측정되는 초음파 속도정보에 대응되는 온도를 산출하고, 산출된 충격포인트(116) 별 온도정보를 표시부(180)에 제공하거나, 산출된 측정포인트별 온도의 평균값을 스캔대상영역의 온도값으로 결정하여 표시부(180)에 제공한다.
이러한 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치에 의하면, 레이저를 이용하여 금속표면의 일정면적에 대해 스캔하면서 온도를 측정할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 레이저빔 조사부 112:제1레이저광원
120: 스캔부 150: 레이저빔 기반 측정부
151: 제2레이저광원 155: 제1미러
161: 제1빔스플릿터 162: 제2빔스플릿터
163: 제3빔스플릿터 165: 광검출기
170: 산출부 180: 표시부

Claims (3)

  1. 금속판의 표면에 음파를 발생시킬 수 있게 충격 레이저빔을 조사하는 레이저빔 조사부와;
    상기 충격 레이저빔의 조사위치와는 다른 측정위치의 상기 금속판에 기준레이저빔을 조사하고, 상기 금속판으로부터 상기 기준 레이저빔에 대해 반사되는 검출레이저빔을 수신하여 상기 금속판으로부터 상기 충격 레이저빔의 조사에 반응하여 발생되는 음파 정보를 측정하는 레이저빔 기반 측정부와;
    상기 레이저 빔조사부로부터 상기 충격 레이저빔이 상기 금속판에 조사되게 상기 레이저빔 조사부의 구동을 제어하고, 상기 레이저빔 기반 측정부로부터 측정된 음파 정보를 이용하여 상기 금속판 표면의 온도를 산출하는 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 레이저빔 조사부는
    상기 충격 레이저빔을 출사하는 제1레이저광원과;
    상기 제1레이저광원에서 출사되는 충격 레이저빔이 설정된 스캔 위치의 충격포인트로 조사되게 경로를 조정하는 스캔부;를 구비하고,
    상기 레이저빔 기반 측정부는
    상기 기준 레이저빔을 출사하는 제2레이저광원과;
    상기 기준레이저빔을 제1경로와 상기 제1경로와 직교하는 방향의 제2경로로 분할하여 출력하는 제1빔스플릿터와;
    상기 제1경로를 통해 진행되는 광은 통과시키고, 상기 금속판으로부터 반사되는 광은 상기 제2경로와 나라한 제3경로로 반사시키는 제2빔스플릿터와;
    상기 제2경로를 통해 진행되는 광을 상기 제1경로와 나란한 제4경로로 반사시키는 제1미러와;
    상기 제1미러에서 반사되어 상기 제4경로를 통해 진행되는 광과 상기 제3경로를 통해 진행되는 광을 모두 입사 받을 수 있는 위치에 배치되어 상기 제4경로를 통해 진행되는 광은 제5경로로 투과시키고, 상기 제3경로를 통해 진행되는 광은 상기 제5경로로 진행되게 반사시키는 제3빔스플릿터와;
    상기 제3빔스플릿터에서 상기 제5경로로 진행되는 간섭광을 검출하여 산출부에 제공하는 광검출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 산출부는
    스캔대상 영역에 대해 제1방향과 상기 제1방향과 직교하는 제2방향을 따라 설정된 복수 개의 충격 포인트들에 대해 충격 레이저빔이 설정된 가진 간격으로 조사되게 상기 레이저빔 조사부를 제어하고,
    상기 각 충격포인트들에 대해 충격레이저빔이 조사된 후 상기 레이저빔 기반 측정부로부터 음파도달시간정보와 상기 충격 포인트와의 거리정보로부터 음파속도정보를 산출하고, 산출된 음파속도에 대응되는 온도를 충격포인트별로 산출하고, 산출된 측정포인트별 온도의 평균값을 스캔대상영역의 온도값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 레이저 초음파 탐상기반 비접촉 금속표면온도 측정장치.
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