KR100496827B1 - Apparatus for measuring ultrasonics using laser interferometer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 초음파를 비접촉방식으로 측정함으로써, 측정 대상물의 상태 및 주변환경에 무관하게 측정 대상물의 특성이나 결함유무를 측정하는 초음파 계측장치를 제공하는데 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an ultrasonic measuring apparatus for measuring the characteristics or defects of a measuring object irrespective of the state of the measuring object and the surrounding environment by measuring ultrasonic waves by a non-contact method using an optical interference method using a laser.
본 발명의 초음파 계측장치는, 측정 대상물에 초음파가 발생하도록 측정 대상물의 한 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 단일모드 레이저(8)와, 레이저 광선에 의해 발생된 초음파에 의해 레이저 광선의 조사면과 동일한 표면에서 반사되는 광선을 편광시키는 제1 1/4파장판(6)과, 제1 1/4파장판(6)에서 편광된 광선 중 측정 대상물의 표면에서 반사된 광선만을 간섭시키는 패브리-페로 간섭계(12)와, 패브리-페로 간섭계(12)에서 간섭된 광선의 세기를 검지하는 제1 광검지기(18) 및, 제1 광검지기(18)에서 검지된 광선의 세기로 초음파를 측정하는 오실로스코우프(20)를 포함하는 것을 특징으로 한다. The ultrasonic measuring device of the present invention includes a single mode laser 8 for irradiating a laser beam to one surface of a measurement object so that ultrasonic waves are generated on the measurement object, and an irradiation surface of the laser beam by ultrasonic waves generated by the laser beam. The first quarter wave plate 6 for polarizing the light rays reflected from the same surface as and the Fabry-interfering only the light rays reflected from the surface of the measurement object among the light polarized in the first quarter wave plate 6 The ultrasonic wave is measured by the ferro interferometer 12, the first photodetector 18 for detecting the intensity of the interfering light in the Fabry-Perot interferometer 12, and the intensity of the light detected by the first photodetector 18. It characterized in that it comprises an oscilloscope (20).
Description
본 발명은 초음파 계측장치에 관한 것이며, 특히, 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 비접촉식으로 초음파를 측정하는 초음파 계측장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 비접촉식으로 초음파를 측정하는 초음파 계측방법에 관한 것이기도 하다. The present invention relates to an ultrasonic measuring apparatus, and more particularly, to an ultrasonic measuring apparatus for measuring ultrasonic waves in a non-contact manner by an optical interference method using a laser. The present invention also relates to an ultrasonic measuring method for measuring ultrasonic waves in a non-contact manner by an optical interference method using a laser.
초음파는 물질의 특성에 따라 전파 속도도 다르고 서로 다른 물질의 경계면에서 반사하는 성질을 가지고 있으므로 여러 가지 물체의 물성을 측정하거나 물체 내부의 결함을 비파괴적으로 탐상하는데 일반적으로 많이 사용된다. 이러한 초음파의 측정을 위해서는 탐촉자를 측정 물체의 표면에 접촉시킨 후 물체의 내부를 따라 전파되어 온 진동을 감지하여야 한다. 따라서, 초음파탐상은 정지 물체의 경우는 적용하기가 용이하지만, 측정 대상이 빠른 속도로 움직이거나 표면온도가 고온이거나 또는 주변환경으로 인하여 측정 물체에 직접 접근하기 곤란한 경우는 기존의 압전소자를 이용한 변환기(transducer) 방식으로는 초음파 측정이 불가능하다. Ultrasonic waves have different propagation speeds depending on the properties of the materials and reflect at the interface of different materials. Therefore, ultrasonic waves are generally used to measure the physical properties of various objects or to detect defects inside them. In order to measure the ultrasonic waves, the transducer should be in contact with the surface of the measuring object and sense the vibration propagated along the inside of the object. Therefore, ultrasonic scanning is easy to apply in the case of stationary objects, but when the object to be measured moves at high speed, the surface temperature is high or it is difficult to directly access the measuring object due to the surrounding environment, the transducer using the conventional piezoelectric element Ultrasonic measurements are not possible with the transducer method.
따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 초음파를 비접촉방식으로 측정함으로써, 측정 대상물의 상태 및 주변환경에 무관하게 측정 대상물의 특성이나 결함유무를 측정하는 초음파 계측장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, by measuring the ultrasonic wave in a non-contact method by using an optical interference method using a laser, the characteristics of the measurement object irrespective of the state of the measurement object and the surrounding environment Another object is to provide an ultrasonic measuring apparatus and method for measuring the presence of defects.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파 계측장치는, 측정 대상물에 초음파가 발생하도록 측정 대상물의 한 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 레이저와, 상기 레이저 광선에 의해 발생된 초음파에 의해 상기 레이저 광선의 조사면과 동일한 표면에서 반사되는 광선을 편광시키는 1/4파장판과, 상기 1/4파장판에서 편광된 광선 중 측정 대상물의 표면에서 반사된 광선만을 간섭시키는 패브리-페로 간섭계와, 상기 패브리-페로 간섭계에서 간섭된 광선의 세기를 검지하는 광검지기 및, 상기 광검지기에서 검지된 광선의 세기로 초음파를 측정하는 오실로스코우프를 포함하는 것을 특징으로 한다. Ultrasonic measuring apparatus of the present invention for achieving the above object is a laser for irradiating a laser beam on one surface of the measurement object to generate an ultrasonic wave on the measurement object, and the laser by the ultrasonic wave generated by the laser beam A quarter-wave plate for polarizing the light reflected from the same surface as the irradiation surface of the light beam, a Fabry-Perot interferometer for interfering only the light reflected from the surface of the measurement object among the light polarized in the quarter-wave plate; And a photodetector for detecting the intensity of the interfering light in the Fabry-Perot interferometer, and an oscilloscope for measuring the ultrasonic wave with the intensity of the light detected in the photodetector.
또한, 본 발명의 초음파 계측방법은, 측정 대상물에 초음파가 발생하도록 측정 대상물의 한 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 조사단계와, 상기 레이저 광선에 의해 발생된 초음파에 의해 상기 레이저 광선의 조사면과 동일한 표면에서 반사되는 광선을 편광시키는 편광단계와, 상기 편광단계에서 편광된 광선 중 측정 대상물의 표면에서 반사된 광선만을 간섭시키는 간섭단계와, 상기 간섭단계에서 간섭된 광선의 세기를 검지하는 검지단계 및, 상기 검지단계에서 검지된 광선의 세기를 초음파로 측정하는 초음파 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the ultrasonic measuring method of the present invention, the irradiation step of irradiating a laser beam to one surface of the measurement object so that the ultrasonic wave is generated on the measurement object, and the irradiation surface of the laser beam by the ultrasonic wave generated by the laser beam A polarization step of polarizing the light rays reflected from the same surface as the light source; an interference step of interfering only the light beams reflected from the surface of the measurement object among the light beams polarized in the polarization step; and detecting the intensity of the light beams interfered with the interference step And an ultrasonic measuring step of measuring the intensity of the light beam detected in the detecting step by ultrasonic waves.
아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 레이저 간섭법을 이용한 초음파 계측장치 및 방법의 작동관계를 상세히 설명하겠다. In the following, it will be described in detail the operation relationship of the ultrasonic measuring apparatus and method using the laser interference method of the present invention configured as described above.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 계측장치의 개략 구성도이다. 도 1에 보이듯이, 단일모드 레이저(8)에서 발생된 레이저 광선은 반파장판(7), 편광빔 가르개(6), 제1 1/4파장판(5)을 거쳐 거울(4)에서 방향이 변경된 후, 오목렌즈(3) 및 볼록렌즈(2)를 통해 시편(1)의 한 쪽의 표면에 입사된다. 이렇게 입사된 광선에 의해 시편(1) 내에 초음파가 발생하는데, 이런 초음파에 의해 시편의 표면에서는 국소적인 표면변위가 발생하게 된다. 즉, 단일모드 레이저(8)는 시편(1) 내에서 초음파가 발생하여 시편의 표면에서 국소적인 표면변위가 발생하고 그로 인해 반사되는 광선이 간섭되도록 연속적으로 광선을 발진시킨다. 1 is a schematic configuration diagram of an ultrasonic measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the laser beam generated by the single mode laser 8 is directed from the mirror 4 via the half wave plate 7, the polarizing beam splitter 6, and the first quarter wave plate 5. After this change, it is incident on one surface of the specimen 1 through the concave lens 3 and the convex lens 2. Ultrasonic waves are generated in the specimen 1 by the incident light, and localized surface displacement occurs on the surface of the specimen by the ultrasonic waves. That is, the single mode laser 8 oscillates continuously so that ultrasonic waves are generated in the specimen 1 so that local surface displacement occurs at the surface of the specimen, thereby causing the reflected rays to interfere.
이렇게 시편(1)에 입사된 광선은 표면(레이저 광선이 조사된 표면)에서 반사된 후 볼록렌즈(2)에 의해 집광되고 이어서 오목렌즈(3)를 통과한 후 평행광선이 되어 거울(4)에서 반사되어 제1 1/4파장판(5)에서 편광 상태가 변한 후, 편광빔 가르개(6)를 거쳐 거울(11)에서 반사되어 패브리-페로 간섭계(12)에 입사된다. 한편, 편광빔 가르개(6)에서 반사된 레이저 광선은 제2 1/4파장판(9)을 거쳐 거울(10)에서 반사된 후 편광빔 가르개(6)를 통과한 후 거울(11)에서 반사되어 패브리-페로 간섭계(12)로 입사된다. 이런 간섭계(12)는 주파수 영역이 매우 넓으므로 초음파의 주파수에 따른 신호의 왜곡이 없어 데이터 해석을 위한 신호처리가 매우 용이할 뿐만 아니라 초음파를 원격으로 측정할 수 있는 특징이 있다. The light incident on the specimen 1 is reflected on the surface (surface irradiated with the laser light) and then collected by the convex lens 2, and then passes through the concave lens 3 to become parallel light and then mirrors 4. After the polarization state is changed by the first quarter wave plate 5, the light is reflected by the mirror 11 through the polarization beam splitter 6 and is incident on the Fabry-Perot interferometer 12. On the other hand, the laser beam reflected from the polarization beam splitter 6 is reflected by the mirror 10 through the second quarter wave plate 9 and then passes through the polarization beam splitter 6 and then the mirror 11. Is reflected at and incident on the Fabry-Perot interferometer 12. Since the interferometer 12 has a very wide frequency range, there is no distortion of the signal according to the frequency of the ultrasonic wave, so that the signal processing for data analysis is very easy and the ultrasonic wave can be measured remotely.
이런 특징을 갖는 패브리-페로 간섭계(12)로 입사된 광선 중 시편(1)에서 반사되어 입사한 광선은 패브리-페로 간섭계(12) 내에서 왕복하며 간섭을 일으킨다. 그 결과 간섭계(12)를 통과한 광선은 반파장판(13), 편광빔 가르개(14)를 거쳐 제1 광검지기(18)에서 광선의 세기가 검지되고, 밴드패스필터(19)를 거쳐 오실로스코우프(20)에서 초음파가 검지된다. 또한, 편광빔 가르개(14)에 입사한 광선의 일부는 반사되어 제2 광검지기(15)에서 광선의 세기가 측정되어 광전류 변환기(16)에서 전류의 세기로 변환된 후 피에조 트랜스듀서(PZT) 드라이버(17)에 의해 피에조 트랜스듀서를 피드백 함으로써 패브리-페로 공진기의 길이를 항상 최적의 상태로 유지시켜 준다. Of the light rays incident on the Fabry-Perot interferometer 12 having this characteristic, the light rays reflected from the specimen 1 are reciprocated in the Fabry-Perot interferometer 12 and cause interference. As a result, the light beam passing through the interferometer 12 passes through the half-wave plate 13 and the polarization beam splitter 14 and the intensity of the light beam is detected by the first photodetector 18, and then passes through the band pass filter 19. Ultrasonic waves are detected in the roskov 20. In addition, a part of the light beam incident on the polarization beam splitter 14 is reflected and the intensity of the light beam is measured by the second photodetector 15 and converted to the intensity of the current in the photocurrent converter 16, followed by the piezoelectric transducer PZT. The feedback of the piezo transducer by the driver 17 ensures that the length of the Fabry-Perot resonator is always optimal.
도 2는 도 1에 도시된 초음파 계측장치를 사용하여 초음파를 측정한 그래프이다. 즉, 도 2는 두께가 l 인 시편의 한 쪽의 면에 발생된 초음파가 시편 내부를 왕복하면서 감쇄되는 모습을 본 발명의 초음파 계측장치로 측정한 것이다. 도 2에서 알 수 있듯이, 처음에 발생된 초음파가 시편 내부를 전파하여 반대 쪽의 면에 도달하여 만든 피크가 기본파이고, 이 기본파가 시편 내부에서 반사된 후 첫번째 에코(echo)신호(제1 에코)가 발생되고, 이어서 연속적으로 두번째 에코신호(제2 에코), 세번째 에코신호(제3 에코)가 발생되는 것을 알 수 있다. 즉, 도 2에서 알 수 있듯이, 상기와 같이 구성된 본 발명의 초음파 계측장치를 사용하여 측정 대상물의 초음파를 연속적으로 측정할 수가 있다. FIG. 2 is a graph measuring ultrasonic waves using the ultrasonic measuring apparatus shown in FIG. 1. That is, Figure 2 is measured by the ultrasonic measuring device of the present invention the ultrasonic wave generated on one side of the specimen of the thickness l is attenuated while reciprocating the inside of the specimen. As can be seen in Figure 2, the first generated ultrasonic wave propagates inside the specimen to reach the opposite side of the peak is the fundamental pie, after the fundamental wave is reflected inside the specimen, the first echo signal (first One echo) is generated, followed by a second echo signal (second echo) and a third echo signal (third echo). That is, as can be seen in Figure 2, by using the ultrasonic measuring apparatus of the present invention configured as described above it is possible to continuously measure the ultrasonic wave of the measurement object.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 초음파 계측장치는 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 측정 대상물의 초음파를 비접촉방식으로 측정함으로써, 측정 대상물의 상태 및 주변환경에 무관하게 측정 대상물의 특성이나 결함유무를 측정할 수 있다. As described above, the ultrasonic measuring apparatus of the present invention measures the ultrasonic wave of the measurement object by a non-contact method by an optical interference method using a laser, thereby measuring the characteristic or defect of the object regardless of the state of the measurement object and the surrounding environment. Can be.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 초음파 계측장치 및 방법은 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 측정 대상물의 초음파를 비접촉방식으로 측정함으로써, 측정 대상물의 상태 및 주변환경에 무관하게 측정 대상물의 특성이나 결함유무를 측정하는 효과가 있다. As described in detail above, the ultrasonic measuring apparatus and method of the present invention measures the ultrasonic waves of a measurement object by a non-contact method by an optical interference method using a laser, thereby detecting the characteristics or defects of the measurement object regardless of the state of the measurement object and the surrounding environment. It is effective to measure.
이상에서 본 발명의 레이저 간섭법을 이용한 초음파 계측장치 및 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. Although the technical details of the ultrasonic measuring apparatus and method using the laser interference method of the present invention have been described together with the accompanying drawings, this is for illustrative purposes only and is not intended to limit the present invention.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 계측장치의 개략 구성도이고, 1 is a schematic configuration diagram of an ultrasonic measuring apparatus according to an embodiment of the present invention,
도 2는 도 1에 도시된 초음파 계측장치를 사용하여 초음파를 측정한 그래프이다. FIG. 2 is a graph measuring ultrasonic waves using the ultrasonic measuring apparatus shown in FIG. 1.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠ ♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠
1 : 시편 2 : 볼록렌즈1 Psalm 2 Convex Lens
3 : 오목렌즈 4, 10, 11 : 거울3: concave lens 4, 10, 11: mirror
5, 9 : 1/4파장판 6, 14 : 편광빔 가르개 5, 9: 1/4 wave plate 6, 14: polarized beam splitter
7, 13 : 반파장판 8 : 단일모드 레이저 7, 13: half-wave plate 8: single mode laser
12 : 패브리-페로 간섭계 15, 18 : 광검지기 12: Fabry-Perot interferometer 15, 18: optical detector
16 : 광 전류 변환기 17 : PZT 드라이버 16: photocurrent converter 17: PZT driver
19 : 밴드패스 필터 20 : 오실로스코우프19: bandpass filter 20: oscilloscope
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