KR970010982B1 - 비접촉식 내부결함 탐상방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

비접촉식 내부결함 탐상방법 및 장치

제 1 도는 본 발명에 따른 비접촉식 내부결합 탐상장치의 구성도.

제 2 도는 본 발명의 레이저를 이용한 초음파 측정장치의 구성도.

제 3 도는 본 발명에 의한 시편 탐상 결과를 모니터에 영상화한 도면.

제 4 도는 본 발명에 따른 비접촉식 내부결함 탐상방법의 플로우챠트.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 레이저 4 : 편광기

5 : 빗살가르개 8 : 시편

9 : 시편이동대 10 : 초음파 측정장치

25,26 : 광센서 27 : 차동증폭기

본 발명은 레이저를 이용한 내부결합 탐상 방법 및 장치에 관한 것으로 이는 특히, 펄스 레이저의 출력을 시편 표면에 입사시켜 초음파를 발생시키고, 시편의 다른 한쪽면에서 역시 레이저를 이용하여 초음파를 측정하여 시편의 내부결함을 비접촉식으로 탐상하도록 하므로써, 시편을 전체적으로 이동시키는 외부 진동을 배제하기 위한 별도의 보조장치가 필요없도록 하며, 광학적으로 거친 면에서도 내부 탐상 측정이 용이하게 됨은 물론, 측정 장치의 구성이 매우 간단하게될 수 있도록 한 비접촉식 내부결함 탐상 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 비파괴 검사는, 물체에 외부적 손상을 가함없이 물체의 표면 또는 내부의 구조적 특성을 파악하는 방법이다. 이러한 비파괴 검사방법중 특히 물체의 내부결함의 측정방법에는 초음파를 이용한 방법이 가장 널리 사용되고 있다.

이는 초음파의 경우, 물질 속을 진행함에 따라 수반되는 신호의 감쇄가 작기때문에 물체의 표면으로부터 멀리 떨어져 있는 내부결함도 쉽게 검출할 수 있기 때문이다.

최근까지 이러한 초음파를 이용한 내부결합의 검출은 주로 압전소자와 같은 접촉식 센서를 이용하여 수행되고 있다. 즉, 검사대상 물체의 한쪽 부분에 초음하의 전달을 위한 매개물질을 도포하고, 그 위에 압전소자를 이용한 접촉식 센서로 물질 내부를 전파하여 도달된 초음파를 측정함으로써 내부결함에 관한 정보를 얻는 것이다.

그러나 이러한 접촉식 방법에 의한 초음파 검사는, 검사대상의 전체적인 결함정보를 얻기 위하여 검사대상을 주사(scanning)하는 것이 필요할 경우, 센서의 부착위치를 이동시키면서 측정하는 것이 매우 곤란하다. 최근 이러한 접촉식 비파괴 검사의 단점을 해결하기 위하여 레이저를 이용한 광학적 비파괴 검사에 관한 연구들이 이루어지고 있다.

이러한 기술과 관련된 종래의 비파괴 검사방법에 있어서는, 미국특허 4,619,529호가 잘 알려져 있다. 즉, 초음파 측정용 레이저 광선을 빗살 가르개를 이용하여 시편의 두 지점에 집사시키고, 이 지점들로부터 반사된 광선들이 각각의 주어진 경로를 지난후 광센서의 측정위치에 모아지도록 한다. 이 경우 광센서의 측정위치에서의 빛의 세기는 모아진 두 광선의 경로차에 의존한다. 따라서 한 측정지점에 초음파가 도달하여 표면변위가 생기면 이 측정지점에서 반사된 레이저 광선이 측정위치까지 진행하는 거리가 변하게 되어 두 광선 사이의 경로차가 변하게 되므로 광센서의 출력이 변하게 된다.

이러한 측정방법은 두 레이저 광선 사이의 미세한 경로차에 의존하게 되므로 초음파에 의한 시편표면의 진동 이외의 외부적 요인에 의한 진동에 매우 민감하며 따라서 안정적인 초음파의 측정을 위해서는 시편 및 측정장치를 외부 진동으로부터 보호하기 위한 또다른 보조장치가 별도로 필요하다.

또한, 시편 표면이 광학적으로 거친 경우, 시편표면에서 반사된 레이저 광선의 간섭성이 악화되어 초음파 신호의 검지효율이 현저히 저하되는 문제점이 있었던 것이다.

또한, 미국특허 4,659,224호에 있어서는, 간섭계를 이용하여 표면에 도달한 초음파를 측정한다. 이 간섭계는 표면에서 반사되는 레이저 광선의 주파수가 초음파에 의해 변하는 것을 신호화하기 때문에 초음파에 비해 낮은 주파수를 갖는 외부 진동에 의한 영향을 제거할 수 있고 광학적으로 거친표면에서도 초음파의 측정이 가능하다.

그러나 이경우에는 신호의 출력이 간섭계 내에 두개의 거울로 이루어져 있다는 공진기 사이의 길이에 대해 민감하게 반응한다. 따라서 이 경우에도 온도 등에 의한 공진기 길이의 변화를 상쇄해주기 위한 보조 수단이 필요로 하게 되는 문제점이 있었던 것이다.

본 발명은 상기한 바와같은 종래의 제반 문제점들을 개선시키기 위한 것으로서 그 목적은, 펄스 레이저의 출력을 시편 표면에 입사시켜 초음파를 발생시키고, 시편의 한쪽면에서 역시 레이저를 이용하여 초음파를 측정함으로써, 비접촉식으로 비파괴 검사의 수행이 가능하도록 하며, 측정된 신호를 컴퓨터를 통해 분석하며, 그 결과를 모니터에 영상화함으로써, 시편내부의 전체적인 결함 분포를 손쉽고, 용이하게 파악할 수 있는 비접촉식 내부결함 탐상방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 시편을 전체적으로 이동시키는 외부진동을 배제하기 위한 별도의 보조장치가 필요없도록 되며, 광학적으로 거친 면에서도 내부 탐상 측정이 용이하게 됨은 물론, 측정장치의 구성이 매우 간단하게 될 수 있는 비접촉식 내부결함 탐상장치를 제공하는데 있다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제 1 도는 본 발명에 따른 비접촉식 내부결함 탐상장치의 구성도이고, 제 2 도는 본 발명의 레이저를 이용한 초음파 측정장치의 구성도이며, 제 3 도는 본 발명에 의한 내부결함 탐상 모니터에 영상화한 도면으로서, 레이저(1)의 광선을 투과시켜 측정시편(8)에 입사하여 초음파가 발생토록 편광기(4)와, 편광형 빗살가르개(5)가 설치되며, 상기 측정시편(8)이 고정되는 시편이동대(9)가 마련되고, 시편이동대(8)를 스탭 모터 조정기 (15)를 통해 컴퓨터(12)로 조절하여 내부 결함을 탐상하는 초음파 측정장치(10)와, 초음파 측정장치(10)에 의해 측정된 신호가 디지타이져(11)에 의해 디지탈 신호로서 컴퓨터(12)에 입력되어 모니터(13) 호면에 영상화하는 영상장치로 구성된다.

상기 초음파 측정장치(10)의 내부에는 헬륨-네온레이저(16)에 의한 광선 평행광선으로 되도록 거울(17)(18)과 오목, 볼록랜즈(19)(20)가 설치되고, 시편(8) 표면에 상기 광선이 집사되는 렌즈(21)가 마련되며, 반사광선을 렌즈(23)(24)를 통해 광센서(25)(26)에 입력토록 되고, 광센서의 초음파 신호를 증폭하는 차동증폭기(27)가 설치되는 구성으로 이루어진다.

이와같이 구성으로 이루어진 본 발명의 탐사방법 실시예를 설명하면 다음과 같다.

제 1 도 내지 제 4 도에 바와 같이, 펄스형 레이저(1)의 출력을 볼록렌즈(7)로 집광하여 시편표면에 입사함으로써 초음파를 발생시키고 초음파 측정장치(10)에 내부결함에 의해 변환된 초음파 신호를 측정하고 컴퓨터(12)로 초음파 신호를 밝기로 변환하여 모니터(13)에 결함분포를 나타낸다. 초음파 발생은 레이저(1)를 시편표면으로 입사시킴으로써 일어나며 레이저 광선은 빗살가르개(2)에서 일부는 투과, 일부는 반사되며 이중 투과된 레이저 펄스의 세기는 편광기(4)와 편광형 빗살가르개(5)로 조절된 후 측정시편(8)에 입사하여 초음파가 발생된다.

이때, 초음사의 발생에 이용되는 광원은 펄스형 레이저(1)이며, 상기 펄스형 레이저(1)의 광원에서 발생된 레이저 펄스가 측정시편(8)에 입사하면 상기 측정시편은 레이저 펄스를 흡수하게 된다.

상기와 같이 시편표면에 입사된 레이저 펄스는 볼록렌즈(7)에 의해 초점상태로 집광된 것이므로 매우작은 크기이기 때문에 레이저 펄스를 흡수한 측정시편(8)의 면적도 매우작게 된다.

한편, 레이저 펄스를 흡수한 시편표면은 흡수한 빛에너지를 열에너지로 변환시킴으로써 짧은 시간동안 국소적으로 가열되고, 상기와 같은 가열된 측정시편(8) 표면의 국소적 부분은 주변과의 온도차이로 인해 순간적으로 단열팽창을 하게 되며, 이와같은 단열팽창은 압력파를 발생시켜 상기 압력파의 주파수가 매우 높아 초음파의 형태로 측정시편(8) 내부를 진행하게 되는 광음향 효과(photocoustic effect)가 발생하게 된다.

한편, 상기 측정시편(8)은 시편 이동대(9)에 고정시키고 시편이동대(9)를 스탭 모터 조정기(15)를 통해 컴퓨터(12)로 조절하여 가로 및 세로방향으로 일정한 속도로 이동시키면서 레이저 펄스를 주사(scanning)하여 내부결함을 탐상한다.

펄스형 레이저(1)는 컴퓨터(12)로부터의 TTL 신호를 증폭기 (14)로 증폭하여 동작시킨다. 시판 내부를 전파하여 시편의 반대쪽 면에 광음향 효과에 의해 도달한 초음파 측정장치(10)로 측정한다.

상기 초음파 측정장치(10)는 헬륨-네온 레이저(16)로부터의 광선이 거울(17,18)에서 반사된 후 오목렌즈(19)와 볼록젠즈(20)의 조합에 의해 광선의 단면이 확대된 평행광선이 된다. 이 확대된 광선은 렌즈(21)에 의해 일정한 입사각을 갖고 시편 표면에 집광된다. 표면에서 반사된 광선은 다시 렌즈(21)에 의해 평행광선이 되어 진행된다. 이 평행광선의 세기를 I_O라 하면 시편표면에 초음파에 의한 굴곡이 없을경우는 거울 (22)에 의해 광선의 50% 즉 I_O/2는 렌즈(24)를 통해 광센서(26)에 입사하고 반사되지 않은 나머지 50%는 또다른 렌즈(23)를 통해 광센서(25)에 입사되도록 조절한다. 이러한 상태에서 만약 표면에 초음파가 도달하여 표면에서 반사된 광선의 진행방향이 변하면 거울(22)에 의해 반사되는 광량이 변하므로 두개의 광센서(25,26)로 입사하는 광량들이 각각 변한다. 이때 표면에는 광선의 총 세기를 I_O, 초음파에 의해 광선의 반사방향이 변함에 따라 생기는 입사광량의 변화를 δI라 할때 광센서(25)로 입사되는 광량을

로 표현되면 광센서(4)로 입사되는 광량은

이 된다. 따라서 두 광선(25,26)의 초음파 신호위상은 서로 반대이면, 차동증폭기를 통과한 신호의 크기는 2배로 증폭된다. 또한 차동증폭기(27)는 두 광선(25,26)에 작용하는 동일한 위상의 잡음을 제거하는 효과도 갖는다.

초음파 측정장치(10)에 의해 측정된 신호는 디지타이저(11)에 의해 디지탈 신호로 바꾸어 컴퓨터(12)에 입력된다.

이때 레이저 펄스의 일부는 빗살 가르게(2)로 나누어 광센서(3)에 입력시키고 이 광 센서(3)의 출력을 디지타이져(11)의 동기신호로 사용한다. 따라서 디지타이저(1)는 레이저 펄스의 발생시각으로부터 초음파측정장치(10)의 신호를 컴퓨터에 입력하기 시작하여 초음파가 측정지점에 도달하는 시각을 포함하는 일정시간이 지나면 입력을 멈추고 다음의 동기신호를 기다린다.

초음파 신호는 펄스모양을 갖기 때문에 디지타이져(11)가 한 주기동안 컴퓨터(2)에 입력한 일련의 값들중 최고값은 초음파 신호의 크기를 나타낸다. 컴퓨터(12)는 초음파 신호의 크기를 4단계로 분리하고 크기에 따라 색의 밝기를 부여하였다. 따라서 초음파의 전파경로상에 결함이 존재하면 측정되는 초음파 신호가 작기 때문에 어두운 색을 표현된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 비접촉식 내부결함 탐상방법 및 장치에 의하면, 펄스 레이저의 출력을 시편표면에 입사시켜 초음파를 발생시키고, 시편의 다른 한쪽면에서 역시 레이저를 이용하여 초음파를 측정하여 시편의 내부 결함을 비접촉식으로 탐사토록 함으로인하여, 측정시편을 전체적으로 이동시키는 외부 진동을 배제하기 위한 별도의 보조장치가 필요없도록 하며, 광학적으로 거친면에서도 내부 탐상 측정이 용이하게 됨은 물론, 측정장치의 구성이 매우 간단하게 될 수 있으며, 시편내부의 결합분포를 모니터를 통해 화상으로 용이하게 파악할 수 있는 우수한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 레이저(1)의 펄스형 광선을 볼록렌즈(7)로 집광시켜 측정시편(8)에 입사하여 광음향효과에 따른 초음파가 발생토록 편광기(4)와, 편광형 빗살가르개(5)가 설치되며, 상기 측정시편(8)이 고정되는 시편이동대(9)가 마련되고, 시편이동대(9)를 스탭 모터 조정기(15)를 통해 컴퓨터(12)로 조절하여 내부 결함을 탐상하는 초음파 측정장치(10)와, 초음파 측정장치(10)에 의해 측정된 신호가 디지타이져(11)에 의해 디지탈 신호로서 컴퓨터(12)에 입력되어 모니터(13) 화면에 영상화되는 영상장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 내부결함 탐상장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 측정장치(10)의 내부에는 헬륨-네온 레이저(16)에 의한 광선이 평행광선으로 형성되도록 거울(17)(18)과, 오목, 볼록렌즈(19)(20)가 순차로 설치되고, 측정시편(8) 표면에 상기 광선이 집사되는 렌즈(21)가 마련되며, 반사광선을 렌즈(23)(24)를 통해 광센서(25)(26)에 입력토록 되고, 광센서의 초음파 신호를 증폭하는 차동증폭기(27)가 설치되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 내부결함 탐상장치.
3. 펄스형 레이저의 출력을 보록렌즈가 집광하여 편광기의 평광형 빗살가르개로 그 세기가 조절되며 시편표면에 입사하여 광음향 효과에 의해 초음파를 발생시키고, 발생된 초음파는 레이저 펄스 주사에 의해 시편 내부 결함을 탐상토록하며, 시편의 반대쪽면에 도달한 초음파는 거울에서 반사되어 오목, 볼록렌즈 조합에 의해 평행광선이 도도록 한후, 렌즈를 통해 광센서에 입사하고 반사되지 않은 광선은 다른 렌즈를 통해 광센서에 입사 조절토록 되며, 광센서의 초음파 신호는 차동증폭기에 의해 증폭되어 디지타이져에 의해 디지탈 신호로 컴퓨터에 입력됨은 물론, 상기 컴퓨터는 초음파 신호의 크기를 4단계로 분리하고 크기에 따라 색의 밝기를 부여하며 모니터의 화면상에 화상으로 표현하는것을 특징으로 하는 비접촉식 내부결함 탐상방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 시편표면으로부터 반사된 광선은, 거울에 의해 광선의 50%가 렌즈를 통해 광센서에 입력시키고, 반사되지 않은 나머지 50%는 다른 렌즈를 통해 광센서에 입사되어 차동증폭기에서 증폭토록되는 것을 특징으로 하는 비접촉식 내부결함 탐상방법.