KR100643351B1 - A System and Method for On-line Measurement of Grain Size using Laser-Ultrasonics - Google Patents
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Abstract
본 발명은 펄스형 레이저를 이용하여 강판에 초음파를 비파괴적으로 발생시키고 강판내부를 전파한 초음파를 레이저 간섭계를 이용하여 측정한 후 초음파의 감쇠계수를 계산하고, 상기 감쇠계수를 이용하여 강판의 결정입경을 측정하는 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.According to the present invention, ultrasonic waves are generated non-destructively in a steel sheet by using a pulsed laser and the ultrasonic waves propagated inside the steel sheet are measured using a laser interferometer, and then attenuation coefficients of the ultrasonic waves are calculated. The present invention relates to an on-line crystal grain size measuring system and method using a laser-ultrasound measuring particle size.
본 발명은, 측정 대상체의 동일한 지점에 초음파 발생 및 측정을 위한 레이저 빔을 조사하여 상기 대상체의 하면에서 반사되어 상면으로 되돌아온 초음파에 의해 주파수 편이가 발생한 레이저 산란광을 실질적으로 수직 위치에서 포집하고 상기 포집된 산란광을 레이저-간섭계 내부에서 왕복시켜 간섭을 발생시켜 상기 초음파에 기인한 투과 간섭광 및 반사 간섭광의 세기를 이용하여 초음파 신호를 검출한 후 상기 검출된 초음파 신호의 주파수별 초음파 감쇠계수를 계산하여 상기 측정 대상체의 결정입경을 산출한다.The present invention collects the laser scattered light generated by the frequency shift by the ultrasonic wave reflected from the lower surface of the object and returned to the upper surface by irradiating a laser beam for ultrasonic generation and measurement to the same point of the measurement object and the collection The generated scattered light is reciprocated inside the laser-interferometer to generate interference to detect an ultrasonic signal using the intensity of the transmitted interference light and the reflected interference light caused by the ultrasonic wave, and then the ultrasonic attenuation coefficient for each frequency of the detected ultrasonic signal is calculated. The grain size of the measurement object is calculated.
본 발명에 따르면, 온-라인 결정입경 측정이 용이하고 초음파 에너지 손실을 방지하여 정밀한 측정이 가능하며, 초음파 생성시 상존하는 플라즈마 방사광이 초음파 측정용 광검출기에 미치는 영향을 저감함으로써 효율적인 측정이 가능하다.According to the present invention, it is easy to measure the on-line grain size, and it is possible to precisely measure by preventing the loss of ultrasonic energy, and the efficient measurement is possible by reducing the influence of the existing plasma radiation light on the ultrasonic detector for ultrasonic measurement. .
레이저, 초음파, 레이저-간섭계, 결정입경, 온-라인, 산란광, 플라즈마, Laser, ultrasound, laser-interferometer, grain size, on-line, scattered light, plasma,
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 측정 시스템의 전체 개략도이다.1 is an overall schematic diagram of an on-line grain size measurement system using laser-ultrasound according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 펄스로 생성된 초음파(종파)의 반사시 발생하는 모드변환을 나타낸 개략도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing the mode conversion generated when the reflection of the ultrasonic wave (longwave) generated by the laser pulse according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일례에 따른 초음파 발생용 레이저 빔의 원형반점(spot)과 초음파 측정용 레이저 빔의 원형반점을 나타낸 개략도이다.3 is a schematic diagram showing circular spots of an ultrasonic wave generating laser beam and circular spots of an ultrasonic wave measuring laser beam according to an example of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산란광 포집수단의 내부 구성도이다.4 is an internal configuration diagram of scattered light collecting means according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명에 적용되는 집광렌즈에 의한 산란광의 입사각과 광섬유 단면을 나타낸 일 예시도이다.5 is an exemplary view showing an incident angle of the scattered light and the optical fiber cross section by the condensing lens applied to the present invention.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저-간섭계를 도시한 개략도이다.6 is a schematic diagram illustrating a laser-interferometer according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일 실시에에 따른 플라즈마 방사광 차단수단이 결합된 레이저-간섭계를 도시한 개략도이다.Figure 7 is a schematic diagram showing a laser-interferometer combined with a plasma radiation blocking means according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 생성시 수반되는 플라즈마 방사광의 시간에 따른 세기 변화를 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a view showing a change in intensity with time of plasma emission light involved in generating ultrasonic waves according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 방사광 차단수단의 개폐기 구 성의 예시도이다.9 is an exemplary view of a switch configuration of the plasma radiation blocking means according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐기의 두 선편광기의 편광방향을 나타낸 도면이다.10 is a view showing polarization directions of two linear polarizers of a switch according to an embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저-간섭계 안정화수단의 구성을 보이는 개략도이다.11 is a schematic view showing the configuration of a laser-interferometer stabilization means according to an embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저-간섭계 안정화수단의 구성을 보이는 개략도이다.12 is a schematic view showing the configuration of a laser-interferometer stabilization means according to another embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저-간섭계 안정화수단의 구성을 보이는 개략도이다.Figure 13 is a schematic diagram showing the configuration of a laser-interferometer stabilization means according to another embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 일 실시에에 따른 레이저-간섭계의 반사 간섭광 및 투과 간섭광 사이의 관계를 도시한 도면이다.14 is a diagram illustrating a relationship between reflected interference light and transmitted interference light of a laser-interferometer according to an embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 신호 검출수단의 개략도이다.15 is a schematic diagram of the ultrasonic signal detection means according to an embodiment of the present invention.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭에 의한 초음파 신호의 증대를 설명한 도면이다.16 is a diagram illustrating an increase of an ultrasonic signal by differential amplification according to an embodiment of the present invention.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 측정방법을 보이는 흐름도이다. 17 is a flowchart illustrating a method for measuring on-line grain size using laser-ultrasound according to an embodiment of the present invention.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상체의 상하면에서 연속적으로 반사되어 측정되는 초음파 신호를 나타낸 도면이다.FIG. 18 is a diagram illustrating an ultrasonic signal measured by being continuously reflected from upper and lower surfaces of a measurement object according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상체 내부에서 다중 반사에 의해 전파되는 종파를 도시한 도면이다.19 is a view illustrating a longitudinal wave propagated by multiple reflections inside a measurement object according to an embodiment of the present invention.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 측정된 반사 초음파 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.20 is a view showing a frequency spectrum of the continuously measured reflected ultrasound signal according to an embodiment of the present invention.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 측정 대상체의 결정입경과 초음파 감쇠계수 간의 상관식을 도출하는 흐름도이다. FIG. 21 is a flowchart illustrating a correlation between a crystal grain size and an ultrasonic attenuation coefficient of a measurement object applied to an embodiment of the present invention. FIG.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정입경과 초음파 감쇠계수 간의 상관성 도출한 그래프이다.22 is a graph derived from the correlation between the crystal grain size and the ultrasonic attenuation coefficient according to an embodiment of the present invention.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 산란광 포집방법을 보이는 흐름도이다.23 is a flowchart illustrating a scattered light collecting method according to an embodiment of the present invention.
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 간섭계 안정화 방법을 보이는 흐름도이다.24 is a flowchart illustrating a laser interferometer stabilization method according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10: 펄스형 레이저 11,38 : 집광렌즈 10:
12: 전반사 거울 13: 초음파 발생용 레이저 빔 12: total reflection mirror 13: laser beam for ultrasonic generation
20: 초음파 측정용 레이저 30: 산란광 포집수단20: laser for ultrasonic measurement 30: scattered light collecting means
27: 초음파 측정용 레이저 빔 28: 산란광27: laser beam for ultrasonic measurement 28: scattered light
50 : 플라즈마 방사광 차단수단 60: 레이저-간섭계50: plasma radiation blocking means 60: laser interferometer
70 : 초음파 신호 검출수단 80: 신호처리수단70: ultrasonic signal detection means 80: signal processing means
90: 측정 대상체 71,72 : 광검출기 90:
74: 주파수 필터 110: 개폐기74: frequency filter 110: switch
111 : 개폐기 조절기 112: 좁은 선폭의 파장 필터111: switch regulator 112: narrow line width filter
113, 115: 선편광기 114: 단결정113, 115: linear polarizer 114: single crystal
본 발명은 온-라인 결정입경 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 특히 펄스형 레이저 빔을 강판에 조사하여 초음파를 발생시키고 상기 초음파 발생지점과 동일한 지점에 측정용 레이저 빔을 조사하여 상기 초음파에 의한 레이저 산란광을 포집하여 초음파의 감쇠계수(attenuation coefficient)를 계산하고, 상기 감쇠계수를 이용하여 강판의 결정입경(grain size)을 측정하는 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 온라인 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an on-line grain size measurement system and method, and more particularly, to generate ultrasonic waves by irradiating a pulsed laser beam onto a steel sheet and to irradiate a laser beam for measurement at the same point as the ultrasonic wave generation point to laser by the ultrasonic waves. On-line grain size online measurement system and method using laser-ultrasound to collect scattered light to calculate the attenuation coefficient of the ultrasonic wave, and to measure the grain size of the steel sheet using the attenuation coefficient will be.
금속이나 복합재료 등의 기계적 특성이나 미세조직의 비파괴 검사는 통상 초음파 검사를 이용한다. 초음파 검사는 측정대상 내에서의 초음파의 전파 특성을 이용하여 기계적 특성이나 미세조직을 파악하며, 기본적으로 비파괴적인 검사방법이기 때문에 다양한 분야에서 매우 광범위하게 사용된다. 초음파 검사에는 통상 압전변환기(piezoelectric transducer)나 EMAT(electro-magnetic acoustic transducer)를 이용하여 왔다. 이중 압전변환기는 측정대상과 변환기 사이에 초음파 전달매질이 필요하며, 고온하에서 그 기능이 저하되는 단점이 있다. 그리고 EMAT는 통상 수 mm정도까지 측정 대상에 근접하여 사용되어야 하는 단점이 있다. 이와 같은 단점들로 인해 상기한 바와 같은 장치를 이용하는 종래의 초음파 검사는 생산라인, 특히 열간 압연공정과 같은 열악한 환경하에서의 온-라인 적용은 불가능하였다. Non-destructive testing of mechanical properties and microstructure of metals and composite materials is usually performed using ultrasonic testing. Ultrasonic examination is used to find mechanical properties and microstructures by using the propagation characteristics of ultrasonic waves within a measurement object, and is widely used in various fields because it is basically a non-destructive inspection method. Ultrasonic examinations have usually used piezoelectric transducers or electro-magnetic acoustic transducers. The dual piezoelectric transducer requires an ultrasonic transfer medium between the measuring object and the transducer, and has a disadvantage in that its function is deteriorated under high temperature. In addition, the EMAT has a disadvantage in that it is usually used in close proximity to the measurement object up to several mm. Due to these shortcomings, the conventional ultrasonic inspection using the apparatus as described above is impossible to apply on-line under harsh environment such as production line, especially hot rolling process.
이러한 단점을 해결하기 위하여 레이저-초음파 방법이 개발되었다. 레이저- 초음파 방법은 펄스형 레이저를 이용하여 초음파를 발생시키고 측정대상 내부를 전파한 상기 초음파를 레이저 간섭계를 이용하여 측정하는 방법으로서 기본적으로 비접촉식 방법이기 때문에 고온인 측정대상의 초음파 탐상이 가능하고 생산라인에서의 온-라인 적용에도 용이한 장점이 있다.In order to solve this disadvantage, a laser-ultrasound method has been developed. The laser-ultrasound method generates ultrasonic waves using a pulsed laser and measures the ultrasonic waves propagated inside the measurement object using a laser interferometer. Since it is basically a non-contact method, ultrasonic flaw detection of high temperature measurement objects is possible. On-line applications in the line also have the advantage of ease.
일반적으로 산업현장의 생산라인은 실험실 환경에 비해 매우 열악하므로, 생산라인의 압연공정에서는 다양한 두께의 강판에서의 초음파 측정을 위하여 실험적인 테스트의 경우에 비해 높은 강도의 초음파를 발생시켜야 한다. 레이저 펄스 빔(beam)을 이용하여 초음파를 발생시키는 경우, 레이저 펄스 빔에 의한 측정대상 표면의 열탄성 효과(thermoelastic effect)나 융발(ablation)에 의해 초음파가 발생한다(참고문헌 : Scruby, C.B. et al., "Laser-Ultrasonics : Techniques and Applications", Adam Hilger, Bristol, UK, 1990.). 이 중에서 측정대상 표면의 융발은 레이저 펄스 빔의 세기가 큰 경우에 발생하게 된다. 이 경우 표면물질이 이온화(ionization) 및 기화(vaporization)되어 시편 표면에 대해 수직인 방향으로 전파하며 이에 따라 시편 표면에 반동력(recoil force)이 작용하고 이 반동력에 의해 초음파가 발생한다. 이와 같이 융발에 의해 발생한 초음파는 일반적으로 그 세기가 열탄성 효과에 의해 발생한 초음파에 비해 크며, 레이저 펄스가 입사한 측정대상 표면에 수직한 방향으로 전파하는 초음파(종파)를 효율적으로 발생시킨다. In general, the production line of the industrial site is very poor compared to the laboratory environment, so in the rolling process of the production line to generate ultrasonic waves of higher intensity than in the case of the experimental test for the ultrasonic measurement in the steel plate of various thickness. When ultrasonic waves are generated by using a laser pulse beam, ultrasonic waves are generated by a thermoelastic effect or ablation of the surface to be measured by the laser pulse beam (Ref. Scruby, CB et. al., "Laser-Ultrasonics: Techniques and Applications", Adam Hilger, Bristol, UK, 1990.). Among these, fusion of the surface to be measured occurs when the intensity of the laser pulse beam is large. In this case, the surface material is ionized and vaporized to propagate in a direction perpendicular to the surface of the specimen, so that a reaction force acts on the surface of the specimen and ultrasonic waves are generated by the reaction force. The ultrasonic waves generated by the fusion are generally larger in intensity than those generated by the thermoelastic effect, and efficiently generate ultrasonic waves (long wave) propagating in a direction perpendicular to the measurement target surface to which the laser pulse is incident.
종래의 초음파 발생 및 측정은 측정 대상체의 반대면에서 각각 이루어졌다. 즉, 레이저 빔을 제1면(상부면)에 조사하여 초음파를 발생시키고 상기 발생된 초음파를 상기 제1면의 반대면(하부면)에서 측정하였다. 이러한 초음파 발생 및 측정의 경우 초음파의 검출 효율이 떨어지는 문제점이 있다. 또한 종래에 초음파의 발생 및 측정이 동일면에서 수행되는 경우에도 초음파 발생 지점과 측정 지점이 달랐다. 이와 같이 측정 대상체의 표면에 대해 일정한 각을 가지고 전파하는 초음파를 이용할 경우, 측정대상 표면의 반대 면에서 초음파가 반사할 때 모드 변환(mode conversion)에 의한 초음파 세기의 손실이 발생하는 문제점이 있다. 나아가, 초음파의 발생 지점과 측정지점이 다를 경우 초음파 감쇠계수(attenuation coefficient)의 도출에 필요한 초음파의 전파경로 및 전파거리 계산이 매우 복잡해지는 문제점이 있다. Conventional ultrasound generation and measurement were each made on the opposite side of the measurement object. That is, the laser beam was irradiated to the first surface (upper surface) to generate ultrasonic waves, and the generated ultrasonic waves were measured on the opposite surface (lower surface) of the first surface. In the case of generating and measuring the ultrasonic waves, there is a problem in that the detection efficiency of the ultrasonic waves is lowered. In addition, the ultrasonic generation point and the measurement point were different even when the generation and measurement of the ultrasonic waves were performed in the same plane. As such, when using ultrasonic waves propagating at a predetermined angle with respect to the surface of the measurement object, there is a problem that loss of ultrasonic intensity due to mode conversion occurs when ultrasonic waves are reflected from the opposite side of the surface to be measured. Furthermore, when the generation point and the measurement point of the ultrasonic wave are different, there is a problem in that the calculation of the propagation path and propagation distance of the ultrasonic wave required for deriving the ultrasonic attenuation coefficient is very complicated.
종래의 생산라인에서의 온-라인 결정입경 측정에서는 실시간 신호처리에 의한 빠른 결정입경의 산출이 어려웠다. 즉, 측정대상 내부를 전파한 초음파는 결정립에 의한 산란, 측정대상 물질에 의한 흡수, 회절(diffraction) 등에 의해 그 세기가 감쇠된다. 초음파의 감쇠를 이용하여 결정입경을 측정하는 경우 측정된 초음파의 감쇠계수에서 결정립에 의한 산란 이외의 효과들에 의한 영향을 제거하여야 한다. 이와 같이 측정된 초음파 신호로부터 결정립에 의한 산란에 기인한 초음파 감쇠계수를 도출하는 것은 용이하지 않으며 통상 많은 시간이 소비되는 작업이다. 따라서 당 기술분야에서는 측정된 초음파 신호로부터 측정대상의 결정입경을 실시간으로 산출할 수 있는 신호처리 방법의 적용이 필요하다. In the on-line grain size measurement in the conventional production line, it is difficult to quickly calculate the grain size by real-time signal processing. That is, the ultrasonic waves propagated inside the object to be measured are attenuated by scattering due to crystal grains, absorption by the material to be measured, diffraction, and the like. In the case of measuring the grain size using the attenuation of the ultrasonic waves, the effects of the effects other than scattering due to grains should be removed from the measured attenuation coefficients of the ultrasonic waves. It is not easy to derive the ultrasonic attenuation coefficient due to scattering by crystal grains from the ultrasonic signals thus measured, which is a time consuming task. Therefore, in the art, it is necessary to apply a signal processing method that can calculate the crystal grain size of the measurement target from the measured ultrasonic signal in real time.
통상적으로, 레이저-초음파 측정에는 레이저 간섭계가 사용된다. 간섭계는 빔의 간섭을 관측하는 장치로서, 1개의 광원에서 나온 빛을 2개 또는 그 이상으로 나누어 적당한 방법으로 파면을 변경시켜 간섭시킨다. 광선을 여러 개로 나누는 다 광선 간섭계에는 패브리-페로 간섭계와 룸머-게르케 평행판이 있고, 간섭분광기로서 파장·스펙트럼의 미세구조 측정, 분광측광 등에 쓰인다. 이들 중에서 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계가 생산라인 현장에서 가장 널리 사용되고 있으며 상기 패브리-페로 간섭계는 한 쪽면을 은으로 도금한 유리판 두 장을 서로 대향하도록 평행으로 고정시킨 구조를 갖는다. 상기 두 개의 은도금 유리판은 특정 반사율을 갖는 거울로서 작용하여 입사된 광을 해당 반사율로 부분적으로 서로 반사시켜 간섭을 발생시키게 된다.Typically, laser interferometers are used for laser-ultrasound measurements. An interferometer is a device for observing the interference of a beam, and divides the light from one light source into two or more to change the wavefront in an appropriate manner to interfere. Dividing Light Rays into Multiple Ray Interferometers include Fabry-Perot interferometers and Rummer-Gerke parallel plates. They are used for the measurement of microstructures of wavelengths and spectra, and for spectrophotometry. Among them, the Fabry-Perot interferometer is most widely used in the production line, and the Fabry-Perot interferometer has a structure in which two sheets of glass plated with silver on one side are fixed in parallel to face each other. The two silver plated glass plates act as mirrors having a specific reflectivity to partially reflect the incident light to each other at a corresponding reflectance to generate interference.
종래의 생산라인에서는 초음파 측정용 간섭계의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 통상적으로 측정대상의 표면에 도달한 초음파의 비접촉식 측정에 사용되는 레이저 간섭계는 통상 외부적 진동에 민감한 특성을 갖는다. 즉, 측정장치가 설치된 위치에 진동이 있을 경우 레이저 간섭계의 성능이 저하되는 문제가 있다. 이러한 측면에서 다양한 레이저 간섭계 중 공초점 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계는 원리적으로 외부적 진동에 의한 영향이 적기 때문에 외부적 진동이 상존하는 생산라인에서의 온-라인 측정에 가장 적합하다. 이는 공초점 Fabry-Perot 간섭계가 외부적 진동과 같이 초음파에 비해 상대적으로 주파수가 낮은 진동에 대해서는 둔감하기 때문이다. 또한 공초점 Fabry-Perot 간섭계는 산란광 포집효율(light gathering efficiency)이 높기 때문에 생산라인에 있는 강판과 같이 거친 표면을 갖는 측정대상에 대해서도 용이하게 초음파를 측정할 수 있는 장점이 있다. 그러나 이와 같은 공초점 Fabry-Perot 간섭계도 생산라인에 온-라인으로 적용할 경우에는 별도의 안정화가 필요하다는 단점이 있다. 즉, 공초점 Fabry-Perot 간섭계를 구성 하는 공진기(cavity)는 양단에 곡면의 부분반사 거울로 구성되며 이 두 곡면거울 사이의 거리는 항시 일정하게 유지되어야 한다. 이 두 곡면거울 사이의 거리는 주변 온도나 두 곡면겨울의 정렬상태의 변화 등에 영향을 받으며 이와 같은 두 곡면거울 사이의 거리의 미세한 변화도 초음파 측정 효율에 큰 영향을 미친다. 따라서 공초점 Fabry-Perot 간섭계가 열악한 환경의 생산라인에서 효율적으로 사용되기 위해서는 두 곡면거울 사이의 거리를 일정하게 유지시킴으로써 항시 높은 초음파 측정효율을 유지하도록 하는 안정화가 필요하다. In a conventional production line, there is a problem in that the performance of the ultrasonic measuring interferometer is degraded. Laser interferometers, which are typically used for non-contact measurement of ultrasonic waves reaching the surface of a measurement object, generally have characteristics that are sensitive to external vibrations. That is, there is a problem that the performance of the laser interferometer is deteriorated when there is vibration in the position where the measuring device is installed. In this respect, the confocal Fabry-Perot interferometer, among other laser interferometers, is in principle suitable for on-line measurement in production lines where external vibrations are present because they are less affected by external vibrations in principle. This is because the confocal Fabry-Perot interferometer is insensitive to vibrations that are relatively low frequency compared to ultrasound, such as external vibrations. In addition, the confocal Fabry-Perot interferometer has high light gathering efficiency, and thus, ultrasonic waves can be easily measured even on a measurement object having a rough surface such as a steel sheet in a production line. However, such a confocal Fabry-Perot interferometer also has a disadvantage of requiring additional stabilization when applied to the production line on-line. In other words, the cavity that constitutes the confocal Fabry-Perot interferometer is composed of curved partial reflection mirrors at both ends, and the distance between the two curved mirrors should be kept constant at all times. The distance between the two curved mirrors is influenced by the change in the ambient temperature or the alignment of the two curved winters. The minute change in the distance between the two curved mirrors also affects the ultrasonic measurement efficiency. Therefore, in order for confocal Fabry-Perot interferometers to be used efficiently in production lines in harsh environments, it is necessary to stabilize the ultrasonic wave at high efficiency by maintaining a constant distance between two curved mirrors.
또한, 종래에는 초음파 측정을 위하여 레이저빔을 검출하기 위해서는, 대상체에 발생한 초음파에 기인하여 주파수 편이가 발생한 레이저 빔의 산란광을 통상의 볼록렌즈를 이용하여 집광하고 상기 집광된 산란광을 광섬유 등으로 입사시켜 전송하는 방식이 사용되고 있다. 그러나, 이 경우 초음파 발생용 레이저 빔과 초음파 측정용 레이저 빔이 서로 다른 위치에 조사되고, 초음파 측정용 레이저 빔의 조사 지점과 산란광 집광 위치가 서로 달라 산란광의 집광 효율이 떨어지는 문제점이 있었다.In addition, conventionally, in order to detect a laser beam for ultrasonic measurement, scattered light of a laser beam generated by a frequency shift due to ultrasonic waves generated on an object is collected using a conventional convex lens and incident the collected scattered light into an optical fiber or the like. The transmission method is used. However, in this case, the ultrasound generation laser beam and the ultrasound measurement laser beam are irradiated at different positions, and the irradiation point and the scattered light condensing position of the ultrasound measurement laser beam are different from each other, so that there is a problem in that the scattering light is collected.
한편, 측정대상의 기계적 특성이나 미세조직 측정에 레이저-초음파 방법을 적용한 종래기술로는 복합재료의 다공성(porosity) 측정(미국특허 6,684,701 ; System and method of determining porosity in composite materials using ultrasound), 초음파의 확산(diffusion)을 이용한 시편의 물성 측정(미국특허 6,532,821 ; Apparatus and method for evaluating the physical properties of a sample using ultrasonics), 초음파 공명(resonance)을 이용한 판재의 물성 측정( 미국특허 6,057,927 ; Laser-ultrasound spectroscopy apparatus and method with detection of shear resonances for measuring anisotropy, thickness, and other properties) 등이 있다. 이중 복합재료의 다공성 측정(미국특허 6,684,701)은 초음파의 감쇠를 이용하여 시편의 다공성을 측정하는 방법에 관한 것으로서, 초음파의 감쇠계수를 이용하여 결정입경을 산출하는 본 발명과는 발명의 목적이 상이하며, 비록 레이저 빔에 의한 초음파의 생성과 측정이 측정대상의 동일면(동일위치)에서 이루어 질 수 있음을 강조하였지만 강판 생산라인에서의 온-라인 측정시 발생할 수 있는 문제점 및 이에 대한 해결책이 제시되지 않았다. 또 다른 종래 기술인 초음파의 확산(diffusion)을 이용한 시편의 물성측정(미국특허 6,532,821)은 펄스형 레이저 빔에 의해 생성된 초음파 펄스가 시편 내부에서 연속적인 산란에 의해 확산될 때 이 확산 신호의 시간적 변화를 측정한다. 이와 같이 측정된 확산신호는 여러 가지 물성(초음파 흡수계수, Yield Strength, 결정입경)을 파라미터로 하는 이론적인 확산식과 비교하여 시편의 물성을 측정하는 방법을 제공한다. 이 종래 기술에 의하면 원리적으로는 본 발명과 같이 시편의 결정입경 측정이 가능하지만, 확산되는 초음파의 세기는 일반적으로 매우 작으므로 일반적으로 열악한 환경(큰 강판두께, 각종 잡음요소)에 있는 생산라인에서는 신호 대 잡음 비(S/N ratio)가 매우 낮으며, 측정된 확산 신호와 가장 근사한 확산식을 도출하기 위해서는 파라미터를 연속적으로 변경하면서 확산식을 도출하고 이를 측정신호와 비교하는 작업이 필요하며, 측정신호와 가장 근사한 이론적 확산식을 정하는 근거(criterion)를 마련해야 하는 단점이 있다. 이와 같은 단점들로 인해 이 종래기술은, 비록 실험실적 환경에서는 적용이 가능할지라도, 생산라인에서의 온-라인 측정에는 적합하지 않다. 또한 생산라인에서의 온-라인 측정 시 발생할 수 있는 문제점 및 이에 대한 해결책도 제시되지 않았다. 또 다른 종래 기술인 초음파 공명(resonance)을 이용한 판재의 물성측정(미국특허 6,057,927)은 종파 또는/및 횡파의 공명주파수를 이용하여 시편의 두께나 기계적 물성을 측정하는 방법을 제공하고 있지만, 본 발명에 적용되기 위해서는 다수의 연속적인 초음파 반사파 신호가 취득 되어야 하기 때문에 측정대상의 두께가 얇아야 하는 단점이 있다. 또한 측정된 다수의 연속적인 초음파 신호로부터 공명주파수를 분석하고 이를 통해 측정대상의 두께나 물성을 산출하여야 하나, 이 종래기술(미국특허 6,057,927)에서는 자동적으로 공명주파수 분석 및 물성 산출을 수행하는 방법이 제시되어 있지 않기 때문에 실시간 신호처리가 요구되는 생산라인에서의 온-라인 적용이 어려운 문제점이 있다. On the other hand, conventional techniques that apply the laser-ultrasonic method to the measurement of mechanical properties or microstructure of the measurement object (US Patent 6,684,701; System and method of determining porosity in composite materials using ultrasound), Measurement of physical properties of specimens using diffusion (US Pat. No. 6,532,821; Apparatus and method for evaluating the physical properties of a sample using ultrasonics), Measurement of physical properties of sheet using ultrasonic resonance (US Pat. No. 6,057,927; Laser-ultrasound spectroscopy apparatus and method with detection of shear resonances for measuring anisotropy, thickness, and other properties. Measurement of the porosity of the double composite material (US Pat. No. 6,684,701) relates to a method for measuring the porosity of a specimen using ultrasonic attenuation, which is different from the present invention for calculating a crystal grain size using ultrasonic attenuation coefficient. Although it is emphasized that the generation and measurement of the ultrasonic wave by the laser beam can be performed on the same plane (the same position) of the measurement object, there are no problems and solutions for the on-line measurement in the steel sheet production line. Did. Another conventional technique is to measure the properties of a specimen using ultrasonic diffusion (US Pat. No. 6,532,821), which describes the temporal variation of the diffusion signal when the ultrasonic pulse generated by the pulsed laser beam is diffused by continuous scattering inside the specimen. Measure The diffusion signal measured as described above provides a method of measuring the physical properties of the specimen in comparison with the theoretical diffusion equation using various physical properties (ultrasound absorption coefficient, yield strength, grain size) as parameters. According to this prior art, in principle, it is possible to measure the crystal grain size of the specimen as in the present invention, but since the intensity of the diffused ultrasonic wave is generally very small, the production line is generally in a harsh environment (large sheet thickness, various noise elements). In S / N ratio, the signal-to-noise ratio is very low, and in order to derive the spreading expression that is closest to the measured spreading signal, it is necessary to derive the spreading formula by continuously changing the parameters and compare it with the measured signal. However, there is a disadvantage in that a criterion for establishing a theoretical diffusion equation most similar to the measured signal must be provided. Due to these drawbacks, this prior art is not suitable for on-line measurements in production lines, although applicable in laboratory environments. In addition, there are no problems and solutions to on-line measurements in production lines. Another conventional technique for measuring the physical properties of the plate using ultrasonic resonance (US Patent 6,057,927) provides a method for measuring the thickness or mechanical properties of the specimen using the resonance frequency of the longitudinal or / and transverse wave, but in the present invention In order to be applied, a plurality of continuous ultrasonic wave signals have to be acquired. In addition, the resonance frequency must be analyzed from a plurality of measured ultrasonic signals and the thickness or physical properties of the measurement target should be calculated. However, in the prior art (US Pat. No. 6,057,927), a method for automatically performing resonance frequency analysis and property calculation Since it is not presented, it is difficult to apply on-line in a production line requiring real time signal processing.
초음파 측정용 레이저 간섭계에 대한 종래기술로서 미국특허(4,659,224 ; Optical interferometric reception of ultrasonic energy)가 있다. 이 특허에서는 공초점 Fabry-Perot 간섭계를 이용하여 시편 표면에 도달한 초음파를 측정하는 방법을 제공하고 있으며, 상기한 바와 같은 간섭계의 안정화 방법도 제시하고 있다. 그러나 이 특허에서 제시하는 방법에 의해 간섭계를 안정화하기 위해서는 Rock-in 증폭기, 전기광학 셀(electro-optic cell) 등과 같이 규모가 크고 고가이며 복잡한 회로 구성을 갖는 장치를 사용하여야 한다. 또한 이 종래기술(미국특허 4,659,224)에서는 공초점 Fabry-Perot 간섭계의 최적 조건을 유지하기 위하여 초음파 측정용 레이저의 주파수를 항시 조절해야 하므로 매우 복잡하며 민감한 제어회로를 구성하 여야 하는 단점이 있다. 근래에는 레이저를 이용하는 측정장치를 구성할 때 장치 구성을 용이하게 하기 위하여 상용화된 레이저를 사용하는 추세이며, 이와 같은 상용화된 레이저는 그 내부구성을 변경하는 것이 용이하지 않다. 또한 상기 미국특허 4,659,224)에 의하면 상용화된 레이저를 그대로 사용할 수 없고, 상용화된 레이저의 내부 구성을 변경하거나 측정장치의 목적에 맞게 레이저를 자체적으로 제작하여야 하므로 특허의 내용을 구현하는 것이 매우 어렵다. There is a US patent (4,659,224; Optical interferometric reception of ultrasonic energy) as a prior art for laser interferometer for ultrasonic measurement. This patent provides a method for measuring the ultrasonic waves reaching the specimen surface using a confocal Fabry-Perot interferometer, and also suggests a method for stabilizing the interferometer as described above. However, in order to stabilize the interferometer by the method proposed in this patent, a device having a large, expensive, and complicated circuit configuration such as a rock-in amplifier and an electro-optic cell should be used. In addition, the prior art (US Patent 4,659, 224) has a disadvantage in that a very complex and sensitive control circuit must be configured because the frequency of the ultrasonic measurement laser must be adjusted at all times in order to maintain the optimum conditions of the confocal Fabry-Perot interferometer. In recent years, when configuring a measuring device using a laser, a commercially available laser is used to facilitate the device configuration, and such a commercialized laser is not easy to change its internal configuration. In addition, according to the US Patent 4,659,224, it is very difficult to implement the contents of the patent because it is not possible to use a commercialized laser as it is, and to change the internal configuration of the commercialized laser or to make the laser itself according to the purpose of the measuring device.
본 발명은, 상기한 바와 같이 레이저를 이용한 비접촉식 결정입경 측정을 생산라인의 압연공정에 적용할 경우 발생하는 종래의 문제점들을 해결하기 위해 제공된 것으로, 펄스형 레이저를 이용하여 강판에 초음파를 비파괴적으로 발생시키고 상기 초음파 발생지점과 동일 지점에 측정용 레이저 빔을 조사하여 상기 초음파에 의한 레이저 산란광을 포집하여 상기 초음파의 감쇠계수를 계산하고, 상기 감쇠계수를 이용하여 강판의 결정입경을 측정하는 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the conventional problems that occur when the non-contact grain size measurement using a laser as described above in the rolling process of the production line, to provide a non-destructive ultrasonic wave to the steel sheet using a pulsed laser And a laser beam for measurement at the same point as the ultrasonic wave generation point to collect the laser scattered light by the ultrasonic wave to calculate the attenuation coefficient of the ultrasonic wave, and to measure the crystal grain size of the steel sheet using the attenuation coefficient. An object of the present invention is to provide an on-line grain size measuring system and method using ultrasonic waves.
본 발명의 다른 목적은, 초음파에 의한 산란광 중 고 강도의 초음파 생성 시에 상존하는 플라즈마 방사광에 의한 영향을 차단하여 초음파에 의한 산란광만을 검출함으로써 정확하고 효율적 초음파 측정을 가능케 하며, 상기 측정된 초음파 신호로부터 실시간 결정입경 산출을 가능하게 하는 온-라인 결정입경 측정장치 및 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention, by detecting the scattered light by the ultrasonic wave only by blocking the influence of the existing plasma radiation in the generation of high-intensity ultrasonic wave of the scattered light by the ultrasonic wave to enable accurate and efficient ultrasonic measurement, the measured ultrasonic signal The present invention provides an on-line grain size measuring apparatus and method for real-time grain size calculation.
본 발명의 또 다른 목적은, 초음파 측정이 초음파의 발생지점과 동일한 지점에서 수행되어 본 검출장치가 생산중에 있는 강판의 상부에만 존재하도록 하여 실제 생산라인에 적용할 수 있는 온-라인 결정입경 측정장치를 제공하는데 있다. Still another object of the present invention is that the ultrasonic measurement is performed at the same point as the point of generation of the ultrasonic wave so that the present detection device is present only on the upper part of the steel sheet in production so that the on-line grain size measuring device can be applied to the actual production line. To provide.
본 발명의 또 다른 목적은, 대상체에 초음파 발생용 레이저 빔을 조사하여 발생된 초음파를 측정하기 위하여 초음파 측정용 레이저 빔을 출력하고 상기 초음파에 기인하여 주파수 편이가 발생한 상기 초음파 측정용 레이저 빔의 산란광을 온-라인으로 효율적으로 검출하는 초음파 측정을 위한 온-라인 레이저빔 검출장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Still another object of the present invention is to output an ultrasonic measuring laser beam to measure an ultrasonic wave generated by irradiating a laser beam for ultrasonic generation to an object, and scattered light of the ultrasonic measuring laser beam having a frequency shift caused by the ultrasonic wave. It is an object of the present invention to provide an on-line laser beam detection apparatus and method for ultrasonic measurement to efficiently detect the on-line.
본 발명의 또 다른 목적은, 대상체에 발생된 초음파에 의한 레이저 빔의 산란광을 간섭시키는 초음파 측정용 레이저-간섭계를 안정화하여 최적의 효율로 초음파를 측정하기 위한 초음파 측정용 레이저-간섭계 안정화장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Still another object of the present invention is to stabilize the laser-interferometer for ultrasonic measurement by interfering the scattered light of the laser beam by the ultrasonic wave generated in the object, and the laser-interferometer stabilization apparatus and method for ultrasonic measurement for measuring ultrasonic waves with optimum efficiency The purpose is to provide.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 측정장치는, On-line crystal grain size measuring apparatus using the laser-ultrasound of the present invention for achieving the above object,
측정 대상체 내부에 초음파가 발생하도록 상기 측정 대상체의 상면에 펄스형 레이저 빔을 비접촉식으로 조사하는 초음파 발생용 레이저; 상기 측정 대상체에 발생된 초음파를 측정하기 위한 레이저 빔을 출력하는 초음파 측정용 레이저; 상기 초음파 발생용 레이저에서 조사된 펄스형 레이저 빔에 의해 초음파가 발생된 지점과 동일한 지점에 상기 초음파 측정용 레이저로부터 출력된 레이저 빔을 비접촉식으로 조사하고 상기 대상체의 하면에서 반사되어 상면의 초음파 발생지점으로 되돌아온 상기 초음파에 의한 레이저 산란광을 포집하는 산란광 포집수단; 상기 포집된 산란광을 내부에서 왕복시켜 간섭을 발생시키고 상기 초음파에 기인한 서로 반대 위상의 투과 간섭광 및 반사 간섭광을 출력하는 레이저-간섭계; 상기 레이저-간섭계에서 출력되는 상기 두 간섭광의 세기를 전기적 신호로 각각 변환하고 상기 변환된 전기적 신호를 이용하여 초음파 신호를 검출하는 초음파 신호 검출수단; 및 상기 검출된 초음파 신호의 주파수별 초음파 감쇠계수를 계산하고 상기 계산된 감쇠계수를 미리 설정된 결정입경-초음파 감쇠계수 상관식에 적용하여 상기 측정 대상체의 결정입경을 산출하는 신호처리수단을 포함하고, 상기 초음파 측정용 레이저에서 상기 측정 대상체 표면에 조사된 빔의 원형반점(spot)의 직경이 상기 초음파 발생용 레이저에서 상기 표면의 동일지점에 조사된 빔의 원형반점의 직경보다 작은 것을 특징으로 한다.Ultrasonic wave generation laser for irradiating a non-contact type pulsed laser beam on the upper surface of the measurement object to generate an ultrasonic wave inside the measurement object; Ultrasonic measurement laser for outputting a laser beam for measuring the ultrasound generated in the measurement object; The laser beam output from the ultrasonic measuring laser is irradiated non-contactly to the same point where the ultrasonic wave is generated by the pulsed laser beam irradiated from the ultrasonic wave generating laser, and is reflected from the lower surface of the object to generate the ultrasonic wave on the upper surface. Scattered light collecting means for collecting the laser scattered light by the ultrasonic waves returned to the; A laser-interferometer which reciprocates the collected scattered light internally to generate interference and outputs transmission interference light and reflection interference light of opposite phases due to the ultrasonic waves; Ultrasonic signal detection means for converting the intensity of the two interference light output from the laser interferometer into an electrical signal and detecting an ultrasonic signal using the converted electrical signal; And signal processing means for calculating the crystal attenuation coefficient of the measurement object by calculating an ultrasonic attenuation coefficient for each frequency of the detected ultrasonic signal and applying the calculated attenuation coefficient to a predetermined crystal grain size-ultrasonic attenuation coefficient correlation. The diameter of the circular spot of the beam irradiated to the surface of the measurement object in the ultrasonic measuring laser is smaller than the diameter of the circular spot of the beam irradiated to the same point of the surface in the laser for ultrasound generation.
본 발명의 일 실시예에서 본 발명에 따른 결정입경 측정 시스템은, 상기 초음파 발생용 레이저로부터 출력되는 레이저 빔을 집광하는 집광렌즈; 및 상기 측정 대상체 표면의 초음파 발생지점의 상부에 설치되어 상기 집광된 레이저 빔이 상기 측정 대상체 표면의 초음파 발생시점과 동일한 지점에 실질적으로 수직으로 조사되도록 상기 레이저 빔을 반사시키는 전반사 거울을 추가로 포함할 수도 있다.Crystal grain size measurement system according to an embodiment of the present invention, the condensing lens for condensing a laser beam output from the laser for generating ultrasound; And a total reflection mirror installed above the ultrasonic generation point on the surface of the measurement object to reflect the laser beam such that the focused laser beam is irradiated substantially perpendicular to the same point as the ultrasonic generation point on the surface of the measurement object. You may.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 결정입경 측정 시스템은 상기 산란광 포집수단에서 레이저-간섭계로 전송되는 산란광에 포함되어 있는, 상기 측정 대상체 표면에 초음파 생성시에 발생하는 플라즈마 방사광이 상기 레이저-간섭계로 입사되는 것을 차단하는 플라즈마 방사광 차단수단을 추가로 포함할 수 있 다.In addition, in one embodiment of the present invention, the crystal grain size measurement system according to the present invention is included in the scattered light transmitted from the scattered light collecting means to the laser interferometer, the plasma emission light generated when generating ultrasonic waves on the surface of the measurement object It may further include a plasma radiation blocking means for blocking the incident to the laser-interferometer.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 측정방법은,In addition, the on-line crystal grain size measuring method using the laser-ultrasound according to the present invention for achieving the above object,
측정 대상체 내부에 초음파가 발생하도록 상기 측정 대상체의 상면에 펄스형 레이저 빔을 비접촉식으로 조사하는 제1단계; 상기 조사된 펄스형 레이저 빔에 의해 초음파가 발생한 지점과 동일한 지점에 상기 측정 대상체에 발생된 초음파를 측정하기 위한 레이저 빔을 조사하는 제2단계; 상기 측정 대상체의 상면에서 발생된 후 하면에 반사되어 상기 상면의 초음파 방생지점으로 되돌아온 상기 초음파에 의한 레이저 산란광을 포집하는 제3단계; 상기 포집된 산란광을 내부에서 왕복시켜 간섭을 발생시키고 상기 측정 대상체에 발생된 초음파에 기인한 서로 반대 위상의 투과 간섭광 및 반사 간섭광을 출력하는 제4단계; 상기 출력되는 상기 두 간섭광의 세기를 전기적 신호로 각각 변환하고 상기 변환된 전기적 신호를 이용하여 초음파 신호를 검출하는 제5단계; 상기 검출된 초음파 신호의 주파수별 초음파 감쇠계수를 계산하는 제6단계; 및 상기 계산된 감쇠계수를 미리 설정된 결정입경-초음파 감쇠계수 상관식에 적용하여 상기 측정 대상체의 결정입경을 산출하는 제7단계를 포함하고,
상기 측정 대상체 표면에 조사된 초음파 측정용 레이저 빔의 원형반점(spot)의 직경이 상기 표면의 동일지점에 조사된 초음파 발생용 레이저 빔의 원형반점의 직경보다 작은 것을 특징으로 한다.A first step of irradiating a non-contact type pulsed laser beam on an upper surface of the measurement object to generate ultrasonic waves inside the measurement object; Irradiating a laser beam for measuring ultrasonic waves generated on the measurement object to the same point where ultrasonic waves are generated by the irradiated pulsed laser beam; A third step of collecting the laser scattered light by the ultrasonic waves generated on the upper surface of the measurement object and reflected on the lower surface and returned to the ultrasonic emission point of the upper surface; A fourth step of generating interference by reciprocating the collected scattered light internally and outputting transmission interference light and reflection interference light of opposite phases due to ultrasonic waves generated in the measurement object; A fifth step of converting the intensities of the two interfering light outputs into electrical signals and detecting an ultrasonic signal by using the converted electrical signals; A sixth step of calculating an ultrasonic attenuation coefficient for each frequency of the detected ultrasonic signal; And a seventh step of calculating the crystal grain size of the measurement object by applying the calculated attenuation coefficient to a predetermined crystal grain size-ultrasonic attenuation coefficient correlation equation.
The diameter of the circular spot of the ultrasonic laser beam for irradiation on the surface of the measurement object is smaller than the diameter of the circular spot of the laser beam for ultrasound generation irradiated at the same point on the surface.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명에 따른 결정입경 측정방법은, 상기 포집된 산란광에 포함되어 있는, 상기 측정 대상체 표면에 초음파 생성시에 발생하는 플라즈마 방사광이 상기 레이저-간섭계로 입사되는 것을 차단하는 제8단계를 추가 로 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the crystal grain size measuring method according to the present invention, the plasma emission light generated during the generation of the ultrasonic wave on the surface of the measurement object, which is included in the collected scattered light block the incident of the laser-interferometer The eighth step may be further included.
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본 발명은 제철소에서 생산하는 각종 강판의 열간 또는 냉간압연 공정에서 효율적인 압연작업에 필요한 결정입경 정보를 실시간으로 제공하기 위하여, 펄스형 레이저를 이용하여 강판 표면에 초음파를 발생시키고 상기 초음파가 발생한 지점과 동일한 지점에 측정용 레이저 빔을 조사하여 상기 강판 내부를 전파한 상기 초음파에 의한 상기 레이저 빔의 산란광을 포집하여 초음파 감쇠계수를 구하고 이를 이용하여 강판의 결정입경을 실시간으로 측정하는 온-라인 결정입경 측정장치 및 방법 을 제공한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 강판의 동일면 상에서 초음파(종파)의 발진 및 측정을 수행하여 열간 또는 냉간압연 중에 있는 강판에의 온-라인 적용을 용이하게 하고, 최적 초음파 발생위치 및 측정위치를 적용하여 종파측정 효율을 증대함과 동시에 플라즈마에 의한 간섭을 저감하며, 효율화된 레이저 간섭계의 적용을 통해 상기 초음파 측정신호를 안정화하고, 초음파 회절, 초음파 발진의 방향성 및 온도영향이 보정된 검량선을 이용하여 측정된 초음파 감쇠계수로부터 결정입경의 도출을 가능케 하며, 상기 초음파의 주파수 성분 중 최적 주파수를 선정하고 이 주파수 만을 감쇠계수 분석 및 결정입경 측정에 적용함으로써 빠르고 용이한 결정입경 측정을 가능하게 함으로써 전체적으로 열간 압연공정에서 용이한 결정입경의 측정을 가능하게 하는 온-라인 결정입경 측정장치 및 방법을 제공한다. The present invention in order to provide in real time the crystal grain size information necessary for efficient rolling work in the hot or cold rolling process of various steel sheets produced in steel mills, by generating a ultrasonic wave on the surface of the steel sheet using a pulsed laser and On-line crystal grain size for irradiating the laser beam for measurement to the same point to collect the scattered light of the laser beam by the ultrasonic wave propagated inside the steel sheet to obtain the ultrasonic attenuation coefficient and to measure the grain size of the steel sheet in real time It provides a measuring device and method. More specifically, the present invention facilitates the on-line application to the steel sheet during hot or cold rolling by performing the oscillation and measurement of the ultrasonic wave (long wave) on the same surface of the steel sheet, and apply the optimum ultrasonic generating position and measurement position By increasing the longitudinal measurement efficiency and reducing the interference by the plasma, and stabilized the ultrasonic measurement signal by applying an efficient laser interferometer, by using the calibration curve corrected for the ultrasonic diffraction, the direction of the ultrasonic oscillation and the temperature effect It is possible to derive the crystal grain size from the measured ultrasonic attenuation coefficient, and select the optimum frequency among the frequency components of the ultrasonic wave and apply only this frequency to the attenuation coefficient analysis and the grain size measurement to enable quick and easy crystal grain measurement. ON- enables easy measurement of grain size in the rolling process An apparatus and method for measuring line grain size are provided.
또한, 본 발명은 강판의 동일면 상에서 초음파(종파)의 발진 및 측정을 수행하여 열간 또는 냉간압연 중에 있는 강판에의 온-라인 적용을 용이하게 하고, 최적 초음파 발진위치 및 측정위치를 적용하여 종파측정 효율을 증대하며, 전체적으로 열간 압연공정에서 용이한 초음파 신호의 측정을 가능하게 하는 초음파 측정을 위한 온-라인 레이저빔 검출장치 및 방법을 제공한다. In addition, the present invention facilitates the on-line application to the steel sheet during hot or cold rolling by performing the oscillation and measurement of the ultrasonic wave (long wave) on the same surface of the steel sheet, the longitudinal wave measurement by applying the optimum ultrasonic oscillation position and measurement position The present invention provides an on-line laser beam detection apparatus and method for ultrasonic measurement which increases the efficiency and enables the measurement of the ultrasonic signal easily in the hot rolling process as a whole.
나아가, 본 발명은 제철소에서 생산하는 각종 강판의 열간 또는 냉간압연 공정에서 효율적인 압연작업에 필요한 결정입경 정보를 실시간으로 제공하기 위하여, 펄스형 레이저를 이용하여 강판 표면에 초음파를 발생시키고 강판 내부를 전파한 상기 초음파를 레이저 간섭계를 이용하는 측정하는 경우 생산라인의 열악한 환경에서도 레이저 간섭계의 초음파 측정 효율이 저하되지 않도록 레이저 간섭계를 안정 화시키는 장치 및 방법을 제공한다.Furthermore, the present invention generates ultrasonic waves on the surface of the steel sheet using a pulsed laser and propagates the inside of the steel sheet in order to provide crystal grain size information necessary for efficient rolling in a hot or cold rolling process of various steel sheets produced in a steel mill in real time. When the ultrasonic wave is measured using a laser interferometer, there is provided an apparatus and method for stabilizing a laser interferometer so that ultrasonic measurement efficiency of a laser interferometer is not degraded even in a harsh environment of a production line.
생산라인에서 압연 중에 있는 강판은 일반적으로 상하면이 서로 평행하다. 따라서 본 발명에서는 초음파가 측정대상 내부를 전파하는 동안 결정립의 경계면에서 발생하는 산란에 의한 감쇠계수를 이용하여 결정입경을 측정한다. The steel sheets being rolled on the production line are generally parallel to each other at the top and bottom. Therefore, in the present invention, the crystal grain size is measured using the attenuation coefficient due to scattering generated at the boundary of the crystal grain while the ultrasonic wave propagates inside the measurement object.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, detailed descriptions of preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that reference numerals and like elements among the drawings are denoted by the same reference numerals and symbols as much as possible even though they are shown in different drawings. In the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 측정 시스템의 전체 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 결정입경 측정 시스템은, 측정 대상체(90) 내부에 초음파가 발생하도록 상기 측정 대상체(90)의 상면(71)에 펄스형 레이저 빔(13)을 비접촉식으로 조사하는 초음파 발생용 레이저(10), 상기 측정 대상체(90)에 발생된 초음파를 측정하기 위한 레이저 빔을 출력하는 초음파 측정용 레이저(20), 상기 측정 대상체(90)의 초음파 발생지점과 동일한 지점에 상기 초음파 측정용 레이저(20)로부터 출력된 레이저 빔(27)을 비접촉식으로 조사하여 상기 대상체(90)의 하면(92)에서 반사되어 다시 상면(91)의 초음파 발생지점으로 되돌아온 상기 초음파에 의한 레이저 산란광(28)을 포집하는 산란광 포집수단(30), 상기 포집된 산란광(28)을 내부에서 왕복시켜 간섭을 발생시키고 상기 초음파에 기인한 서로 반대 위상의 투과 간섭광 및 반사 간섭광을 출력하는 레이저-간섭계(60), 상기 레이저-간섭계(60)에서 출력되는 상기 두 간섭광의 세기를 전기적 신호로 각각 변환하고 상기 변환된 전기적 신호를 이용하여 초음파 신호를 검출하는 초음파 신호 검출수단(70) 및 상기 검출된 초음파 신호의 주파수별 초음파 감쇠계수를 계산하고 상기 계산된 감쇠계수를 미리 설정된 결정입경-초음파 감쇠계수 상관식에 적용하여 상기 측정 대상체의 결정입경을 산출하는 신호처리수단(80)을 포함한다.1 is an overall schematic diagram of an on-line grain size measurement system using laser-ultrasound according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, in the crystal grain size measurement system according to the present invention, the
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에서 상기한 결정입경 측정 시스템은, 초음파 발생용 레이저(10)에서 출력된 레이저 빔을 집광하는 제3 집광렌즈(11) 및 측정 대상체 표면의 초음파 발생지점의 상부에 설치되어 상기 집광된 레이저 빔이 상기 측정 대상체 표면에 실질적으로 수직으로 조사되도록 상기 레이저 빔을 반사시키는 전반사 거울(12)을 추가로 포함할 수도 있다.In the embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the crystal grain size measuring system includes a
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 결정입경 측정 시스템은, 상기 산란광 포집수단(30)에서 레이저-간섭계(60)로 전송되는 산란광에 포함되어 있는, 상기 측정 대상체(90) 표면(91)에 초음파 생성시에 발생하는 플라즈마 방사광이 상기 레이저-간섭계(60)로 입사되는 것을 차단하는 플라즈마 방사광 차단수단(50)을 추가로 포함할 수도 있다.In addition, in one embodiment of the present invention, the crystal grain size measurement system is included in the scattered light transmitted from the scattered light collecting means 30 to the
나아가, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 상기 결정입경 측정 시스템은, 상기 레이저-간섭계(60)를 안정화하는 안정화수단(40)을 추가로 포함할 수도 있다.Furthermore, as shown in FIG. 1, the crystal grain size measuring system may further include stabilization means 40 for stabilizing the
도 1을 참조하면, 초음파 발생용 레이저(10)에서 발생된 펄스형 레이저 빔(13)은 측정 대상체(90) 표면에 실질적으로 수직으로 입사되어 각종 초음파(종파, 횡파 및 표면파)를 발생시킨다(참고문헌: Scruby, C.B). 도 1에는 본 발명의 바람직한 실시예로서 초음파 발생용 레이저(10)에서 발생된 펄스형 레이저 빔(13)은 제3 집광렌즈(11)에 의해 집광된 후 전반사 거울(12)에 의해 측정 대상체(90)의 표면에 입사된다. 이는 원격지에 위치된 상기 초음파 발생용 레이저(10)에서 출력된 초음파 발생용 레이저 빔(13)이 상기 측정 대상체(90)에 수직으로 입사되도록 하기 위한 광학소자들이다. Referring to FIG. 1, the
이와 같이 펄스형 레이저 빔(13)의 입사에 의해 발생된 각종 초음파의 발생효율은 전술한 바와 같이 입사된 펄스 빔의 세기밀도(power density)에 의해 결정되며, 펄스형 레이저 빔(13)의 세기밀도가 커지면(측정대상 표면에서 대략 5x108W/cm2 이상이면), 주로 표면물질의 융발(ablation)에 의해 초음파가 발생된다. 전술한 바와 같이 생산라인에서의 초음파 탐상에는 고강도의 초음파가 필요하므로 바람직하게는 융발 효과에 의한 초음파의 발생이 요구된다. 이와 같은 측정대상 표면의 융발에 의한 초음파의 발생을 위하여 수 나노 초(nano-seconds)에서 수십 나노 초의 짧은 펄스 폭의 레이저 빔을 발생시키는 Q-switched 레이저를 사용하는 것이 바람직하다. 여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 초음파 발생용 레이 저(10)는 상기 측정 대상체(90) 표면물질의 융발 효과에 의한 초음파가 발생하도록 상기 측정 대상체(90)의 두께에 따라 펄스형 레이저 빔의 세기를 조절하는 것이 가능하다.As described above, the generation efficiency of various ultrasonic waves generated by the incident of the
또한, 동일한 레이저 펄스를 사용하는 경우에도 측정 대상체(90) 표면에서의 펄스형 레이저 빔의 세기밀도는 집광된 펄스 광의 크기에 의해 달라진다. 통상 펄스형 레이저 빔의 단면은 원형이므로 측정 대상체(90) 표면에 집광된 펄스 광도 원형이며 이 펄스 광의 크기, 즉 직경(S1)이 작아질수록 세기밀도는 커진다. 통상 융발 효과의 발생조건을 구현할 때 펄스 광의 크기(S1)를 조절한다. 이와 같은 측정대상 표면에 집광된 펄스 광의 크기(S1)는 상기 렌즈(11)의 초점거리(F1)와, 상기 렌즈(11)와 측정대상(90) 표면 사이의 펄스 광의 전파 거리(D1)에 의해 결정된다. 즉, D1과 F1이 일치할 경우 집광된 펄스 광의 크기(S1)는 가장 작으며 D1
이 F1보다 작아질수록 S1이 커진다. 본 발명에서는 이러한 D1과 F1을 적절히 조절하여 주로 융발 효과에 의해 초음파가 발생하도록 하는 것이 바람직하다. In addition, even when using the same laser pulse, the intensity density of the pulsed laser beam on the surface of the
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 초음파 측정용 레이저(20)에서 발생된 선형 편광된(linearly polarized) 레이저 빔은 바람직하게는 집광렌즈(23)에 의해 레이저 빔 전송용 편광유지 광섬유(polarization maintaining fiber;PMF)(25)로 유입된 후 산란광 포집수단(30)으로 전송된다. 상기 편광유지 광섬유(25)에 의해 전송된 레이저 빔은 산란광 포집수단(30)에 의해 측정 대상체(90)의 상부 표면(91)에 집광 됨으로써 반대면(92)에서 반사되어 측정 표면(91)에 되돌아온 종파의 측정에 사용된다. As shown in FIG. 1, the linearly polarized laser beam generated by the ultrasonic measuring
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 펄스로 생성된 초음파(종파)의 반사시 발생하는 모드변환을 나타낸 개략도이다. 상술한 바와 같이, 융발효과에 의해 각종 초음파(종파, 횡파 및 표면파)가 발생되며, 이 때 발생된 종파는 도 2(a)에 나타낸 바와 같이 주로 측정 대상체(90)의 표면(91)에 수직한 방향을 중심으로 전파한다. 생산라인에서 압연 중에 있는 강판은 통상 상,하면(91)(92)이 서로 평행하다. 따라서 본 발명에서는 바람직하게는 온-라인 측정을 용이하게 하기 위해 상기 측정 대상체(90) 표면(91)의 동일 지점에서 초음파의 발생 및 측정을 수행하며, 초음파가 측정 대상체의 내부를 전파하는 동안 발생하는 결정립에 의한 초음파 감쇠계수를 이용하여 결정입경을 구하고자 하는 경우 도 2(b)와 같이 측정 대상체 표면에 대해 수직으로 전파하는 초음파를 발생시키고, 측정 대상체 표면의 반대 면(92)에서 반사되어 되돌아온 초음파를 초음파가 발생된 지점과 동일한 지점에서 측정하는 것이 가장 효율적이다. 이는 초음파의 발생 지점과 측정 지점이 다를 경우 도 2(c)와 같이 측정 대상체(90) 표면에 대해 일정한 각을 가지고 전파하는 초음파를 이용하여야 하며 이 경우 측정 대상 표면의 반대 면에서 초음파가 반사할 때 모드 변환(mode conversion)에 의해 종파 에너지의 일부가 횡파로 변환되므로 결정입경의 측정에 사용되는 종파 세기의 손실이 발생하는 단점이 있다. 또한 도 2(c)와 같이 초음파의 발생 지점과 측정 지점이 다를 경우 초음파 감쇠계수의 계산에 필요 한 초음파의 전파경로 및 전파거리 계산이 매우 복잡해지는 단점도 있다. 상기와 같은 기술적인 이유로 인해 생산라인에서 온-라인으로 결정입경을 측정하는 경우 융발 효과에 의해 수직으로 초음파(종파)를 발생시키고 초음파의 발생지점과 동일한 지점에서 초음파를 측정하는 것이 가장 효율적이다.Figure 2 is a schematic diagram showing the mode conversion generated when the reflection of the ultrasonic wave (longwave) generated by the laser pulse according to an embodiment of the present invention. As described above, various ultrasonic waves (long wave, transverse wave and surface wave) are generated by the sparking effect, and the generated longitudinal wave is mainly perpendicular to the
도 3은 본 발명의 일례에 따른 초음파 발생용 레이저 빔의 원형반점(spot)과 초음파 측정용 레이저 빔의 원형반점을 나타낸 개략도이다. 상술한 바와 같이, 초음파 측정용 레이저 빔(27)은 생산라인에서 반사 종파의 측정 및 감쇠계수의 산출을 용이하게 하기 위해, 도 3(a)에 도시한 바와 같이 초음파 발생용 레이저 펄스 광(13)과 초음파 측정용 레이저 빔(27)이 측정 대상체(90) 표면(91)의 동일한 지점에 입사되며 도 3(b)에 도시한 바와 같이 측정 대상체 표면에 집광된 초음파 발생용 레이저 펄스 광의 원형 반점(spot)(14)의 중심에 초음파 측정용 레이저 빔(27)이 직경 S2의 크기로 집광된다. 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 통상 초음파 측정용 레이저 빔(27)에 의한 원형반점(37)의 직경(S2)이 작을수록 산란광 포집수단(30)을 이용하여 측정 대상체 표면에서 산란된 빛을 포집한 후 다중포드 광섬유(31)를 통하여 레이저-간섭계(60)로 전송하는 효율이 높다. 3 is a schematic diagram showing circular spots of an ultrasonic wave generating laser beam and circular spots of an ultrasonic wave measuring laser beam according to an example of the present invention. As described above, the
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 산란광 포집수단의 구성에 대한 개략도이다. 도 4(a)의 일례를 참조하면, 본 발명에 따른 산란광 포집수단(30)은, 제1 편 광유지 광섬유(25)를 통해 초음파 측정용 레이저 빔(27)을 수광하고 상기 수광된 초음파 측정용 레이저 빔(27)을 평행광으로 변환하는 빔평행기(collimator)(38), 상기 변환된 초음파 측정용 레이저 빔(27)이 상기 대상체(90)의 표면(91)에 수직으로 입사하도록 상기 초음파 측정용 레이저 빔(27)을 반사(또는 투과)시키고, 상기 대상체(90)에 발생된 초음파에 기인한 상기 초음파 측정용 레이저 빔(27)의 산란광(28)을 투과(또는 반사)시키는 빛살가르개(33), 상기 빛살가르개(33)에서 반사(또는 투과)되어 상기 대상체(90) 표면(91)에 수직으로 입사되는 선편광된(linear polarization)된 레이저 빔(27)을 원편광(circular polarization)된 레이저 빔으로 변환시키고, 상기 대상체(90)의 표면(91)으로부터의 원편광된 산란광(28)을 다시 선편광된 산란광으로 변환시켜 결과적으로는 편광방향을 90도 회전시키는 쿼터파장판(quarter waveplate)(34), 상기 대상체 표면(91)으로부터의 산란광(28)을 집광하는 제1볼록렌즈(36), 상기 집광된 산란광(28)을 포커싱하는 제2볼록렌즈(37) 및 상기 포커싱된 산란광(28)을 그 단면의 직경이 특정 크기로 축소된 평행광으로 변환하여 상기 쿼터파장판(34) 및 빛살가르개(33)로 출력하는 오목렌즈(35)를 포함하며, 바람직하게는 상기 빛살가르개(33), 쿼터파장판(34), 오목렌즈(35), 제2볼록렌즈(37) 및 제1볼록렌즈(36)가 동일선상에 순차적으로 배치된다. 여기서, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 산란광 포집수단(30)은 상기 오목렌즈(35)에서 출력되어 상기 쿼터파장판(34) 및 빛살가르개(33)를 통과한 산란광(28)을 다중모드 광섬유(31)의 입사면으로 집광하는 집광렌즈(38)를 추가로 포함할 수도 있다. 상기 집광렌즈(38)는 상기 산란광(28)이 광섬유(31)에 효율적으로 입사되 도록 한다. 즉, 집광렌즈(38)에 의해 광섬유(31)의 입사면에 집광되는 빔의 입사각도(θ)와 반점(spot)의 크기가 작을수록 상기 광섬유(31)에 유입되는 빛의 광량이 증가한다.Figure 4 is a schematic diagram of the configuration of the scattered light collecting means according to an embodiment of the present invention. 4 (a), the scattered light collecting means 30 according to the present invention receives the
도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예를 참조하면, 광섬유(25)를 통해 전송된 초음파 측정용 레이저 빔(27)은 빔평행기(collimator)(32)에 의해 평행광이 된 후 편광형 빛살가르개(33)에 의해 대상체(90)에 수직방향으로 반사된다. 이와 같은 편광형 빛살가르개(33)에 의한 레이저 빔의 반사율은 상기 레이저 빔의 편광방향에 따라 달라진다. 본 발명의 일 실시예에서는 소정의 반파장판(도면에는 미도시됨)의 결정축(crystal axis)을 회전함으로써 제1 편광유지 광섬유(25)를 통해 전송된 레이저 빔의 편광방향을 적절히 회전시켜 상기 편광형 빛살가르개(33)에 의한 반사율이 최대가 되도록 한다. 이와 같이 효율적으로 편광형 빛살가르개(33)에 의해 반사된 초음파 측정용 레이저 빔(27)은 쿼터파장판(quarter waveplate)(34)을 통과한 후 오목렌즈(35)와 제2 및 제1 볼록렌즈(37,35)를 통해 대상체(90) 표면(91)에 집광된다. 이 때 초기에 선형적으로 편광되어 있던 초음파 측정용 레이저 빔(27)은 쿼터파장판(34)을 통과한 후 원형 편광(circular polarization)이 된다. 상기 대상체(90) 표면(91)에서 반사된 산란광(28)은 다시 제1 및 제2 볼록렌즈(36,37) 및 오목렌즈(35)를 통과하면서 평행광이 된 후 상기 쿼터파장판(34)을 통과하면서 다시 선형 편광된다. 이와 같이 쿼터파장판(34)에 의해 다시 선형 편광된 빛의 편광방향은 초기의 편광방향에 대해 90도 회전된 상태이며, 상기 원리에 의해 편광형 빛살가르개(33)에 의한 반사율이 최소가 된다. 이와 같은 원리에 의해 대상체(90) 표면 (91)에서 반사된 산란광(28)은 가장 효율적으로 편광형 빛살가르개(33)를 통과하여 집광렌즈(38)에 의해 광섬유(31)의 입사면에 집광된다. Referring to an embodiment of the present invention shown in FIG. 4, the ultrasonic beam for measuring
한편, 도 4를 참조하면, 상기한 바와 같이 제1 편광유지 광섬유(25)를 통해 전송된 초음파 측정용 레이저 빔(27)은 빔평행기(collimator)(32)에 의해 평행광이 된 후 편광형 빛살가르개(33)에 의해 반사되고, 또한 상기 오목렌즈(35)에서 출력되어 상기 쿼터파장판(34)을 통과한 산란광(28)은 편광형 빛살가르개(33)를 통과하여 집광렌즈(107)에 의해 집광되어 광섬유(31)에 유입된다. 여기서, 도 4(a)에는 본 발명의 일례로서, 상기 빔평행기(32) 및 집광렌즈(38)가 본 발명의 산란광 포집수단(30)의 측면부 및 상면부에 각각 위치된 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 다른 일 실시예(도 4(b))에서는 상기 빔평행기(32) 및 집광렌즈(38)가 상면부 및 측면부에 각각 위치될 수도 있다. 이 경우 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 광섬유(25)를 통해 전송된 초음파 측정용 레이저 빔(27)은 상면부에 위치된 빔평행기(32)에 의해 평행광이 된 후 편광형 빛살가르개(33)에 의해 투과된다. 또한 상기 오목렌즈(35)로부터 출력되어 상기 쿼터파장판(34)을 통과한 산란광(28)은 편광형 빛살가르개(33)에 의해 반사되어 우측면에 위치된 집광렌즈(38)에 의해 집광되어 광섬유(31)에 유입된다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서는 빔평행기(32) 및 집광렌즈(38)의 위치에 따라 상기 편광형 빛살가르개(33)는 초음파 측정용 레이저 빔(27)을 반사 또는 투과시켜 상기 레이저 빔(27)이 상기 대상체(90)에 수직으로 입사되도록 하고, 산란광(28)을 반사 또는 투과시켜 집광렌즈(38)로 입사되도록 한다. 나아가, 본 발명의 다른 실시예에서는 상기 빔평행기(32) 및 집광렌즈(38)가 다른 면에 위치될 수도 있다. 이 경우 상기 편광형 빛살가르개(33)는 그들의 위치에 따라 상기 초음파 측정용 레이저 빔(27)을 반사 또는 투과시켜 상기 레이저 빔(27)이 상기 대상체(90)에 수직으로 입사되도록 하고, 산란광(28)을 반사 또는 투과시켜 집광렌즈(38)로 입사되도록 한다.On the other hand, referring to Figure 4, as described above, the ultrasonic beam for measuring the
본 발명에 적용되는 광섬유(31)는 통상 다중모드 광섬유로서 광섬유의 코어(core)에 유입된 빛이 전송된다. 광섬유 코어의 직경이 수십~수백 ㎛ 정도인 것이 바람직하다. 따라서 집광렌즈(38)에 의해 다중모드 광섬유(31)의 코어 단면에 집광된 반점(spot)의 크기가 작을수록 광섬유에 유입되는 빛의 광량이 증가한다. 이와 같이 광섬유(31)의 코어 단면에 집광된 원형반점(spot)의 크기는 광학적 원리에 의해 대상체 표면(91)에 집광된 원형반점(spot)(S2)의 크기에 비례한다. 이와 같은 기술적 사유로 인해, 초음파 측정용 레이저 빔에 의한 원형반점의 직경(S2)이 작을수록 본 발명의 산란광 포집수단(30)을 이용하여 측정 대상체 표면에서 산란된 빛을 수광한 후 광섬유(31)를 통하여 레이저-간섭계(60)로 전송하는 효율이 높은 것이다. 상기 광섬유(31)에 의한 산란광 전송효율에 영향을 미치는 또 다른 요인은 상기 집광렌즈(38)에 의해 광섬유 입사단면으로 집광되는 빛의 입사각이다.The
도 5는 본 발명에 적용되는 집광렌즈에 의한 산란광의 입사각과 광섬유 단면을 나타낸 일 예시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 집광렌즈(55)에 의한 빛의 입사각(θ)이 크면 광섬유 코어(56)로 유입된 빛이 광섬유의 클래딩(cladding)(57)에 의해 흡수되어 전송되지 않기 때문이다. 도 4의 산란광 포집수단(30)에 의하면, 측정 대상체(90) 표면에서 반사된 산란광(28)은 집광렌즈(38)에 의해 상기 광섬유(31) 단면으로 집광되기 때문에 도 5에 표시한 바와 같은 입사각(θ)이 작은 것이 유리하다. 상기한 바와 같이 도 4의 산란광 포집수단(30)에 의하면 제1 편광유지 광섬유(35)에 의해 전송된 레이저 빔을 손실 없이 최대의 효율로 측정대상(90) 표면에 집광하고, 상기 측정 대상체(90) 표면에서 반사된 산란광(28)을 역시 최대의 효율로 제2 편광유지 광섬유(31)를 통해 레이저-간섭계(60)로 전송할 수 있는 것이다. 5 is an exemplary view showing an incident angle of the scattered light and the optical fiber cross section by the condensing lens applied to the present invention. As shown in FIG. 5, when the incident angle θ of the light by the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저-간섭계를 도시한 개략도이다. 도 6에는 일례로 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계를 도시하고 있다. 먼저, 도 2(a)는 패브리-페로 간섭계의 기본적인 구성의 일 예시도로서, 산란광 포집수단(30)로부터 다중모드 광섬유(31)를 통해 전송된 산란광(28)은 빔평행기(collimator)(61)에 의해 평행광으로 변환되어 공진기(cavity)(66)로 입사된다. 상기 공진기(66)는 바람직하게는 양단에 곡면의 부분반사 공진기거울(62,63)로 구성되는데, 상기 각 공진기거울(62,63)은 한쪽면이 소정의 반사율을 갖는 거울이며 다른 반대면은 유리로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 두 거울(62,63)은 일정한 간격을 두고 거울인 면이 서로 대향하여 배치되며 소정의 반사율을 갖는다. 따라서, 상기 공진기(66)로 입사된 산란광(28)은 상기 두 공진기거울(62,63)의 일부 반사에 의해 왕복되면서 간섭광(69)을 발생시킨다. 이때, 상기 두 공진기거울(62,63)은 소정의 반사율을 가 지므로 일부 광은 투과시킨다. 따라서 상기와 같이 왕복되면서 제1 공진기거울(62)을 통해 출력되는 반사 간섭광(64)은 초음파 신호검출기(70)(도 1에 도시됨) 내의 제1 광검출기(71)로 입사된다. 또한 상기와 같이 왕복되면서 제2 공진기거울(63)을 통해 출력되는 투과 간섭광(65)은 상기 초음파 신호검출기(70) 내의 제2 광검출기(72)로 입사된다. 6 is a schematic diagram illustrating a laser-interferometer according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a Fabry-Perot interferometer as an example. First, Figure 2 (a) is an exemplary diagram of the basic configuration of the Fabry-Perot interferometer, the scattered light 28 transmitted from the scattered light collecting means 30 through the multi-mode
이와 같이, 상기 다중모드 광섬유(31)를 통해 전송된 산란광(28)은 레이저 간섭계(60)에 의해 그 주파수가 분석되어 초음파 신호에 기인하는 광신호를 출력한다. 상기 레이저 간섭계(60)는 초음파에 의한 산란광의 파장 편이(shift)를 내부에서 반사 간섭광(64) 및 투과 간섭광(65)의 세기 변화로 변환한다. 다시 말하면 상기 산란광 포집수단(30)에서 포집된 산란광(28)을 내부에서 왕복시켜 간섭을 발생시키고 초음파에 기인한 서로 반대 위상의 반사 간섭광(64) 및 투과 간섭광(65)을 출력한다.As such, the scattered light 28 transmitted through the multimode
도 2(b)는 패브리-페로 간섭계의 다른 구성에 대한 예시도로서, 도 2(a)에서 다수의 광학소자가 추가된 구성을 나타낸다. 도 2(b)를 참조하면, 산란광 포집수단(30)으로부터 상기 다중모드 광섬유(31)를 통해 전송된 산란광(28)은 빔평행기(61)에 의해 평행광으로 변환된 후 편광형 빛살가르개(67) 및 쿼터(1/4)파장판(68)을 통과함으로써 상기 산란광(28)의 편광방향이 45도 회전하게 된다. 상기 회전된 산란광(28)은 공진기(66)에 입사되며 도 2(a)에서 설명한 바와 같이 내부에서 왕복되어 간섭을 발생시킨다. 이후의 과정은 도 2(a)에서 설명한 과정도 동일하므로 설명을 생략한다. 다만, 제1 공진기거울(62)을 통과한 반사 간섭광(64)은 다시 쿼터파 장판(68)을 통과하면서 그 편광방향이 45도 더 회전하게 되어 결과적으로 90도 회전하게 되며 이로써 상기 편광형 빛살가르개(67)를 투과하지 못하고 반사되어 제1 광검출기(71)로 입사하게 된다.Figure 2 (b) is an illustration of another configuration of the Fabry-Perot interferometer, it shows a configuration in which a plurality of optical elements are added in Figure 2 (a). Referring to FIG. 2 (b), the scattered light 28 transmitted from the scattered light collecting means 30 through the multimode
도 2(c)는 패브리-페로 간섭계의 또 다른 구성에 대한 예시도로서, 도 2(b)의 레이저 간섭계에서 제2 광검출기(72)의 전단에 또 다른 쿼터파장판(73) 및 편광형 빛살가르개(74)를 추가한 것이다. 도 2(c)에서는 상기 공진기(66)로부터 출력되는 투과 간섭광(65)을 상기 쿼터파장판(73)에서 수광하여 그 편광방향을 45도 회전시키고 상기 편광형 빛살가르개(74)에서 상기 편광방향이 회전된 투과 간섭광(65)을 통과시켜 제2 광검출기(72)에 입력되도록 한다. 도 2에는 본 발명이 적용되는 레이저 간섭계의 다양한 구성을 도시하고 있으나 본 발명이 적용되는 레이저 간섭계는 이에 한정되지 않는다.Figure 2 (c) is an illustration of another configuration of the Fabry-Perot interferometer, another
이하에서는 설명의 편의상, 도 6(b)를 참조하여 본 발명에 따른 레이저 간섭계의 작용을 설명한다. 도 6(b)를 참조하면, 상기 다중모드 광섬유(31)로 전송된 산란광(28)은 레이저-간섭계(60)에 의해 그 주파수가 분석되어 초음파 신호에 기인하는 광신호를 출력한다. 상기 레이저-간섭계(60)는 초음파에 의한 산란광의 파장 편이(shift)를 내부에서 투과 간섭광 및 반사 간섭광의 세기 변화로 변환한다. 다시 말하면, 상기 산란광 포집수단(30)에서 포집된 산란광(28)을 내부에서 왕복시켜 간섭을 발생시키고 상기 발생된 초음파에 기인한 서로 반대 위상의 투과 간섭광 및 반사 간섭광을 출력한다. 도 6을 참조하면, 다중모드 광섬유(31)로 전송된 산란광은 콜리메이터(61)에 의해 평행광이 된 후 편광형 빛살가르개(67) 및 쿼터(4분의 1)파장판(68)을 통과함으로써 산란광(28)의 편광방향이 45도 회전하게 된다. 상기 회전된 산란광은 특정 반사율을 갖는 공진기거울(62,63)에 의해 왕복되어 간섭을 발생시킨다. 이때 제2 공진기거울(63)을 투과한 투과 간섭광(65)은 초음파 신호 검출수단(70)의 제1 광검출기(72)로 출력되고, 상기 제1 공진기거울(62)로 반사된 반사 간섭광은 상기 쿼터파장판(68)을 다시 통과함으로써 편광방향이 45도 더 회전하게 되어 상기 편광형 빛살가르개(67)에서 반사되어 상기 초음파 신호 검출수단(70)의 제2 광검출기(71)로 출력되어 초음파 신호가 검출된다. Hereinafter, for convenience of description, the operation of the laser interferometer according to the present invention will be described with reference to FIG. 6 (b). Referring to FIG. 6B, the scattered light 28 transmitted to the multimode
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 방사광 차단수단이 결합된 레이저-간섭계를 도시한 개략도이다. 도 7은 일례로서 도 6(b)에 레이저 간섭계(60)에 플라즈마 방사광 차단수단(50)이 결합된 형태를 도시하고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 플라즈마 방사광 차단수단(50)은 도 7(a) 및 도 7(c)를 포함하여 다른 형태의 레이저 간섭계에도 결합될 수가 있다. 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 방사광 차단수단(50)은, 초음파 발생용 레이저(10)에서 레이저 빔을 발진하는 순간의 여기신호를 출력하는 여기신호 인가수단(116), 상기 여기신호가 수신되면 설정된 시간동안 후술하는 개폐기의 동작을 제어하는 개폐기 제어수단(111) 및 상기 개폐기 제어수단(111)의 제어신호에 따라 상기 설정된 시간동안에는 상기 산란광 포집수단에서 레이저-간섭계(38)로 전송되는 광신호를 차단하는 개폐기(110)를 포함한다.Figure 7 is a schematic diagram showing a laser-interferometer combined with a plasma radiation blocking means according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 illustrates a form in which the plasma radiation blocking means 50 is coupled to the
도 7을 참조하여 상기 플라즈마 방사광 차단수단(20)을 보다 상세하게 설명 한다. 상기 개폐기(110)는 상기 다중모드 광섬유(31)로 전송된 산란광(28)을 통과시키거나 차단한다. 이와 같은 개폐기(110)는 융발 효과에 의한 초음파 발생시 발생하는 플라즈마 방사광(plasma radiation)에 의한 영향을 저감하는 목적으로 사용된다. 즉, 상기한 바와 같이 생산라인에서 온-라인으로 결정입경을 측정하는 경우, 융발 효과에 의한 고강도의 초음파의 발생이 필요하고, 용이한 초음파 감쇠계수의 산출을 위해 초음파 발생 면의 반대쪽 면에서 반사되어 되돌아온 초음파를 초음파가 발생된 지점과 동일한 지점에서 측정하는 것이 가장 효율적이다. 그러나 이와 같은 융발 효과에 의한 초음파의 발생시 초음파의 발생위치에서 연속적인 파장의 빛을 방출하는 플라즈마(plasma)의 발생이 동반되며, 초음파의 발생과 측정이 동일한 지점, 또는 근접한 지점에서 수행될 경우 플라즈마에서 방출된 빛이 초음파 측정용 레이저 간섭계(60)에 유입되어 초음파 측정의 장애요인으로 작용한다. 이와 같이 초음파 발생시 수반되는 플라즈마 방사광은 도 8에 나타낸 바와 같이 초음파 발생용 레이저 펄스 빔이 측정대상 표면에 입사된 시각으로부터 초기(수 m초 이내)에 매우 강하다. 이에 비해 결정입경 측정에 사용되는 초음파의 최소 전파거리(L)는 측정대상 강판두께의 2배에 해당하므로, 예를 들어 10mm 두께의 측정대상의 경우, 초음파(종파)의 도달시각은 대략 3.3 ms 이상이며 플라즈마 방사광의 세기가 저하된 시점이다. 융발 효과에 의한 고강도 초음파의 발생은 주로 두께가 두꺼운 측정대상의 결정입경 측정 시에 필요하며 이에 따라 초음파의 도달 시각은 3~4 ms 이상인 경우가 대부분이다. 따라서 플라즈마 방사광의 세기는 통상 초음파가 도달하기 전에 최고점에 도달한다. 그러나 초음파의 측정에는 APD(avalanche photo- diode) 등과 같이 매우 감도가 높은 광검출기가 사용되므로 플라즈마 방사광에 의해 포화(saturation) 상태가 된다. 이와 같이 한번 포화된 광검출기는 이후 플라즈마 방사광의 세기가 저하되더라도 정상적인 작동상태로의 복원에 일정한 시간이 소요된다. 따라서 플라즈마 방사광의 세기가 저하된 시점에 초음파가 도달하더라도 광검출기가 포화상태에서 완전히 복원되지 못하였기 때문에 정상적인 초음파 측정이 어려운 것이다. 통상 측정용 레이저 빔 이외의 빛이 유입되어 발생하는 광 잡음(optical noise) 특정 파장의 빛만을 통과시키는 광 필터(optical filter)를 광검출기의 입력부에 설치하여 해결하는 것이 일반적이다. 그러나 플라즈마 방사광의 경우 연속적인 파장 스펙트럼을 갖기 때문에 측정용 레이저 빔의 파장과 동일한 파장 성분을 갖는다. 따라서 통상적인 광 필터로는 플라즈마 방사광에 의한 영향을 해결할 수 없다. 도 7에 표시한 개폐기(110)는 이와 같은 기존의 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 펄스형 레이저 빔에 의한 초음파 발생 초기에 매우 강한 플라즈마 발생광이 초음파 측정용 광검출기로 유입되는 것을 방지하여 효율적인 초음파 측정이 가능하도록 한다. 즉, 초음파 측정용 펄스형 레이저(10)가 펄스형 레이저 빔을 발진하면서 여기신호 인가수단(116)에서 여기신호(trigger signal)를 개폐기 제어수단(111)에 인가한다. 상기 개폐기 조절기(111)는 여기신호를 수신한 순간으로부터 일정한 시간(DT)이 경과한 후에 고속 개폐기(110)의 문(gate)을 열어 산란광을 통과시킴으로써, 산란광이 간섭계로 입사하여 초음파 측정이 시작되도록 한다. 즉, 상기 개폐기(110)는 도 8에 표시한 바와 같이 개폐기 조절기(111)에 의해 최초의 반사 초음파(종파)가 측정위치에 도달하기 바로 전에 작동되어 산란광을 통 과시키도록 하며, 고속 개폐기(110)의 작동시각(DT)은 측정대상의 두께와 초음파(종파)의 전파속도를 이용하여 산출한다. 이와 같은 작용에 의해 플라즈마 방사광의 세기가 저하된 시점에서 초음파 측정용 산란광이 간섭계에 유입되기 시작하여 초음파를 측정하면, 다소의 플라즈마 방사광이 산란광과 함께 광검출기에 유입되더라도 플라즈마 방사광에 의한 광검출기의 포화가 발생하지 않으므로 정상적인 초음파 측정이 가능한 것이다. The plasma radiation blocking means 20 will be described in more detail with reference to FIG. 7. The
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 방사광 차단수단(20)의 개폐기 구성의 예시도이며, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 개폐기의 두 선편광기의 편광방향을 나타낸 도면이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 상기한 바와 같이 플라즈마 방사광에 의한 영향을 저감함으로써 안정적인 초음파 측정을 가능케 하기 위한 목적으로 본 발명에서 제시한 개폐기 조절기(111)의 구체적인 실시예가 도 9에 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 상기 개폐기(110)는 상기 산란광 포집수단(30)에서 상기 레이저-간섭계(60)로 전송되는 광신호 중 초음파 측정용 레이저 빔(27)과 동일한 파장의 광만을 통과시키는 필터(112), 상기 필터(112)를 통과한 다수의 편광방향의 광을 단일 방향으로 선편광된 광으로 변환하는 제1 선편광기(113), 상기 개폐기 제어수단(111)의 제어신호에 따라 상기 선편광된 광의 편광방향을 회전시키는 단결정(114) 및 상기 제1 선편광기(113)의 편광방향에 수직으로 배치된 제2 선평광기(115)를 포함하며, 바람직하게는 상기 필터(112), 제1 선평광기(113), 단결정(114) 및 제2 선편광기(115)가 동일선상에 순차적으로 배치된다. FIG. 9 is an exemplary view illustrating a configuration of a switch of the plasma radiation blocking means 20 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is a view illustrating polarization directions of two linear polarizers of the switch according to an embodiment of the present invention. 9 and 10, a specific embodiment of the
도 9에서 다중모드 광섬유(31)에 의해 전송된 빛은 초음파 측정용 레이저 빔(27)이 측정 대상체(90)의 표면(91)에서 반사된 산란광(28) 및 플라즈마 방사광을 함께 포함한다. 이 중 초음파 측정용 레이저 빔(27)은 단일한 파장(l)의 빛이며, 플라즈마 방사광은 다양한 파장으로 구성된 빛이다. 도 9의 좁은 선폭의 필터(bandpass filter)(112)는 특정한 파장(l)을 갖는 빛만을 통과시키는 필터로서, 본 발명에서는 초음파 측정용 레이저 빔(27)과 동일한 파장(l)의 빛만을 통과시킨다. 따라서 이 좁은 선폭의 파장필터(112)를 통과한 빛은 초음파 측정용 레이저 빔(27) 및 플라즈마 방사광 중 초음파 측정용 레이저 빔(27)과 동일한 파장을 갖는 빛으로 구성된다. 통상 다중모드 광섬유(31)로 전송된 빛은 편광방향(polarization direction)이 일정하지 않으며, 다양한 편광방향의 빛이 혼재한다. 이와 같이 다중모드 광섬유(31)로 전송된 무작위 편광방향(random polarization direction)의 빛은 특정한 방향으로 편광된 빛만을 통과시키는 제1 선편광기(linear polarizer)(113)에 의해 선형적으로 편광된다. 결과적으로 다중모드 광섬유(31)에 의해 전송된 빛이 좁은 선폭의 파장필터(112)와 제1 선편광기(113)를 통과하면서 단일한 파장의 선편광된 빛이 되는 것이다. 이와 같이 단일 파장의 선편광된 빛은 단결정(crystal)(114)을 통과하면서 그 편광방향이 회전한다. 도 9의 단결정(114)은 자연 상태에서는 복굴절성(birefringence)이 없지만 전압이 인가된 상태에서는 복굴절성을 갖는 물질로서, 포타지움 디하이드로젠 포스페이트(potassium dihydrogen phosphate;KDP), 암모니움 디하이드로젠 포스페이트(ammonium dihydrogen phosphate;ADP), 포타지움 디듀터리움 포스페이트(potassium dideuterium phosphate;KD*P), 리튬 니오베이트(lithium niobate), 바륨 소듐 니오베이트(barium sodium niobate) 등이 도 9의 단결정(114)으로 사용될 수 있다. 도 9에서 단결정(114)의 후방에 있는 제2 선편광기(115)의 편광방향은 단결정(114)의 전방에 있는 제1 선편광기(113)의 편광방향에 대해 수직이다. 이와 같은 두 개의 선편광기(113,115)의 편광방향을 도 10에서 설명하였다. 도 10을 참조하면, 단결정(114) 전방의 제1 선편광기(113)의 편광방향이 예를 들어 a의 각도를 갖는다면 단결정(114)의 후방의 제2 선편광기(115)는 (a+ π/2)의 각도를 갖는다. 따라서 단결정(114)에 의한 편광방향의 회전이 없는 상태에서는 단결정(114) 전방의 제1 선평광기(113)를 통과한 빛이 단결정(114) 후방의 제2 선평광기(115)를 통과할 수 없는 것이다. 그러나 도 10에 도시한 바와 같이 단결정(114)에 적절한 크기의 전압(Vo)이 인가되면 이 단결정(114)을 통과하는 빛은 그 편광방향이 90°(π/2) 만큼 회전할 수 있다. 이와 같이 편광방향이 90°(π/2) 만큼 회전한 빛은 제2 선평광기(115)를 통과한다. 이와 같이 도 9 및 도 10에 도시한 본 발명의 실시예에 의하면 플라즈마 방사광에 의한 영향을 저감하기 위하여 다중모드 광섬유(31)로 전송된 빛을 용이하게 개폐할 수 있다.In FIG. 9, the light transmitted by the multimode
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저-간섭계 안정화수단의 구성에 대한 개략도이고, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계 안정화수단의 구성에 대한 개략도이며, 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 간 섭계 안정화수단의 구성에 대한 개략도이다. 도 11 내지 도 13에는 본 발명의 바람직한 실시 형태로서 본 발명에 따른 레이저 간섭계 안정화수단이 도 7에 도시된 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계에 적용되는 예를 도시하고 있다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 본 발명은 다른 간섭계에서 적용될 수 있음을 밝혀둔다.11 is a schematic diagram of a configuration of a laser-interferometer stabilization means according to an embodiment of the present invention, FIG. 12 is a schematic diagram of a configuration of a laser interferometer stabilization means according to another embodiment of the present invention, and FIG. Schematic diagram of the configuration of the laser interferometric stabilization means according to another embodiment of the. 11 to 13 show an example in which the laser interferometer stabilization means according to the present invention is applied to the Fabry-Perot interferometer shown in FIG. 7 as a preferred embodiment of the present invention. However, it should be noted that the present invention can be applied to other interferometers without departing from the technical spirit of the present invention.
먼저, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 간섭계에 적용된 레이저 간섭계 안정화수단을 예시하고 있다. 도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 간섭계 안정화수단(40)은, 일정한 간격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광(150)을 출력하는 두 개의 공진기거울(62,63)을 갖는 공진기(66)를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계에서, 상기 공진기(66)로 입사된 레이저빔에 의한 간섭광(150) 신호의 세기를 검출하는 광검출기(41), 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하여 상기 간섭광(150) 신호의 세기를 조절하는 압전구동기(44), 상기 검출된 간섭광(150) 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하여 소정의 제어신호를 출력하는 안정화제어회로(42) 및 상기 제어신호에 따라 상기 압전구동기(44)의 구동을 조절하는 압전구동기조절기(43)를 포함하여 구성된다.First, Figure 11 illustrates a laser interferometer stabilization means applied to a laser interferometer according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, the laser interferometer stabilization means 40 according to the present invention is positioned so as to face each other at regular intervals and reciprocates an incident laser beam therein to output two interference beams 150. In the laser interferometer for ultrasonic measurement comprising a
도 11을 참조하여 본 발명의 레이저 간섭계 안정화수단(40)을 보다 구체적으로 설명한다. 도 11을 참조하면, 상기한 바와 같이 초음파 측정용 레이저(20)에서 출력된 일부 초음파 측정용 레이저 빔이 다중모드 광섬유(31)로 전송되어 레이저 간섭계의 공진기(66)로 입사된다. 상기 입사된 레이저 빔은 상기 공진기(66) 내부의 두 공진기거울(62,63)에 의해 왕복되어 간섭광(150)을 발생시킨다. 이때, 광검출기(41)는 상기 공진기(66)로부터 출력되는 간섭광(150) 신호의 세기를 검출한다. 안정화제어회로(42)는 상기 검출된 간섭광(150) 신호의 세기(Is)를 수신하여 미리 설정된 광신호 세기(Ir)와 비교하고 두 신호의 세기 차()가 최소가 되도록 소정의 제어신호(Vc)를 출력한다. 상기 두 신호의 세기의 차이와 제어신호의 관계는 하기 식 1과 같이 나타낼 수 있다.Referring to Figure 11 will be described in more detail the laser interferometer stabilization means 40 of the present invention. Referring to FIG. 11, as described above, some ultrasonic measuring laser beams output from the ultrasonic measuring
[식 1][Equation 1]
상기 식에서 C는 변환상수이며, Vc는 압전구동기(44)에 인가되는 전압에 해당된다. 즉, 두 신호의 세기 차()가 존재할 경우 압전구동기(44)에 전압(Vc)을 인가하여 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정함으로써 두 신호의 세기의 차이()를 저감하는 것이다. 이와 같은 안정화제어회로(42)에 의해 두 신호의 세기 차가 미리 설정된 허용범위(△Ir) 보다 크지 않으면 레이저 간섭계는 안정화된 것이다. 여기서, 상기 미리 설정된 광신호 세기는 상기 초음파 측정용 레이저(20)로부터 전송된 레이저 빔에 의해 결정된다. 즉, 상기 레이저 빔의 세기가 커지면 간섭광(150) 신호의 세기(Is)도 커지므로, 미리 설정된 광신호 세기(Ir)도 이에 비례하여 증대시킨다.In the above formula, C is a conversion constant, and Vc corresponds to a voltage applied to the
상기 제어신호를 수신한 압전구동기조절기(43)는 상기 제어신호에 따라 압전 구동기(44)의 구동을 조절한다. 상기 압전구동기(44)는 하나의 공진기거울에 고정되며, 상기 압전구동기조절기(43)의 조절신호에 따라 상기 하나의 공진기거울의 위치를 조정하여 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정함으로써, 상기 간섭광(150) 신호의 세기를 조절하도록 한다. The
이와 같이, 본 발명의 레이저 간섭계 안정화수단(40)은, 열악한 외부 환경에서 주변 온도나 진동 등에 의해 레이저 간섭계의 두 공진기거울(62,63) 사이의 거리의 미세한 변화하는 경우 상기 두 공진기거울(62,63) 간의 거리 변화에 따른 간섭광(150) 신호의 세기를 검출하고 그 검출결과에 따라 상기 두 공진기거울(62,63) 사이의 거리를 재 조정함으로써, 상기 두 공진기거울(62,63) 간의 간격을 항상 일정하게 유지하도록 하여 상기 레이저 간섭계가 항상 안정된 상태가 되도록 한다. As described above, the laser interferometer stabilization means 40 of the present invention, when the minute change in the distance between the two resonator mirrors 62,63 of the laser interferometer in a poor external environment due to ambient temperature or vibration, the two resonator mirrors 62 The two resonator mirrors 62 and 63 are detected by detecting the intensity of the interference light 150 signal according to the change of the distance between the two and resonator mirrors 63 and adjusting the distance between the two resonator mirrors 62 and 63 according to the detection result. The distance between them is always kept constant so that the laser interferometer is always in a stable state.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계에 적용된 레이저 간섭계 안정화수단을 예시한 것으로서, 도 11에 일례로 도시된 레이저 간섭계 안정화장치에 상기 공진기(66)로부터 출력되는 간섭광(150)의 편광방향을 45도 회전시키는 제1 쿼터파장판(46) 및 상기 제1 쿼터파장판(46)을 통과한 간섭광을 반사시켜 상기 광검출기(41)로 출력시키는 제1 편광형 빛살가르개(45)가 추가로 포함된 것이다. FIG. 12 illustrates a laser interferometer stabilization means applied to a laser interferometer according to another embodiment of the present invention, wherein the interfering light 150 output from the
또한, 도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 간섭계에 적용된 레이저 간섭계 안정화수단을 예시한 것으로서, 도 12에 일례로 도시된 레이저 간섭계 안정화수단에 상기 공진기(66)로 입사되는 초음파 측정용 레이저 빔을 평행광으로 변환하는 빔평행기(47), 상기 평행광으로 변환된 레이저 빔을 반사시키는 제2 편광형 빛살가르개(48), 상기 반사된 레이저 빔의 편광방향을 45도 회전시켜 상기 공진 기(66)로 출력하는 제2 쿼터파장판(49)이 추가로 포함된 것이다. 상기한 도 11 내지 도 13에서의 동일한 구성요소는 동일한 동작을 수행하며, 편광유지 광섬유(26)를 전송된 레이저 빔은 빔평행기(47)에서 수광되어 공진지(66) 또는 제2 편광형 빛살가르개(48)로 입사된다.In addition, Figure 13 illustrates a laser interferometer stabilization means applied to the laser interferometer according to another embodiment of the present invention, for ultrasonic measurement incident to the
한편, 상기 공진기(66) 내부에서 다중반사에 의해 간섭되는 간섭광(150)의 세기는 간섭조건에 의해 결정된다. 이 때 간섭광(150)의 세기를 결정하는 간섭조건은 도 14에 나타낸 바와 같이 빛의 주파수(υ)와 두 공진기거울(62,63) 사이의 거리(d)에 의해 결정된다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 적용되는 Fabry-Perot 간섭계에서의 반사 간섭광 및 투과 간섭광 사이의 관계를 나타낸 도면이다. 도 14를 참조하면, 측정 대상체 표면에 도달한 초음파에 의해 산란광(28)의 주파수(υ)가 변하거나 상기 공진기(66)의 두 공진기거울(62,63) 간의 거리(d)가 변하면 레이저 간섭계에 의해 반사되는 빛의 세기(A)와 투과되는 빛의 세기(B)가 변한다. 따라서 두 공진기거울(62,63) 간의 거리(d)가 일정할 경우 간섭계에 의해 반사되는 빛의 세기(A)와 투과되는 빛의 세기(B) 변화는 초음파의 측정에 이용될 수 있다. 도 14에 표시한 레이저 간섭계 안정화 영역은 일정한 산란광(28)의 주파수(υ) 변화에 대해 반사되는 빛의 세기(A)와 투과되는 빛의 세기(B) 변화가 가장 큰 영역을 나타낸 것이며, 레이저 간섭계가 이 영역에 있을 때 초음파 측정효율이 가장 높다. 따라서 레이저 간섭계의 간섭조건은 항시 이 영역에 있는 것이 요구된다. 산란광의 중심 주파수는 항시 일정하므로 레이저 간섭계의 간섭조건 변화는 주로 두 공진기거울(62,63) 간의 거리(d) 변화에 기인하며, 본 발명에서는 레이저 간섭계를 안정 화할 경우 도 11 내지 도 13에 표시한 압전구동기(PZT actuator)(44)를 이용한다. 즉, 상기 압전구동기(44)로 두 공진기거울(62,63)간의 거리를 조정하여 레이저 간섭계가 항시 도 14에 표시한 간섭계 안정화 영역에 있도록 하는 것이다. On the other hand, the intensity of the
다시 도 13을 참조하면, 도 1에서와 같이 초음파 측정용 레이저(20)에서 출력되는 레이저 빔의 일부를 편광형 빛살가르개(22)로 반사시킨 후 집광렌즈(24)를 이용하여 편광유지 광섬유(26)로 전송한다. 상기 광섬유(26)로 전송된 레이저 빔은 도 13에 나타낸 바와 같이 빔평행기(47)에 의해 평행광으로 변환되고 제2편광형 빛살가르개(48)에서 반사되어 제2 쿼터파장판(49)을 통과하면서 편광방향이 45도 회전하여 원편광으로 변환된 후 레이저 간섭계의 공진기(66)로 입사된다. 상기 레이저 간섭계는 간섭광(150)을 형성하며, 이 레이저 간섭계를 통과한 간섭광(150)은 제1 쿼터파장판(46)을 통과하면서 편광방향이 45도 더 회전되어 원편광에서 선편광으로 다시 변환됨과 동시에 결과적으로는 최초의 편광방향에서 90도 회전한 후 제1 편광형 빛살가르개(45)에 의해 반사되어 광검출기(41)로 입사된다. 상기 광검출기(41)는 상기 간섭광 신호의 세기를 측정한다. 이 때 도 13에 도시된 안정화제어회로(42) 및 압전구동기조절기(43)에 의해 상기 광검출기(41)의 출력신호가 항상 도 14에 나타낸 간섭계 안정화 영역에 있도록 조절된다. 이와 같이 초음파 측정을 위한 간섭광(69) 이외에 별도의 레이저 간섭계 안정화를 위한 또 다른 간섭광(150)을 발생시켜 이를 레이저 간섭계의 안정화에 사용하는 것이다.Referring back to FIG. 13, as shown in FIG. 1, a portion of the laser beam output from the ultrasonic
이와 같은 레이저 간섭계의 안정화방법은 다음과 같은 장점이 있다. 첫째로, 초음파 측정에 사용되는 간섭광(69)에 손실을 발생시키지 않으며, 둘째로, 레이저 간섭계로 입사되는 산란광의 세기 변화에 관계없이 항시 안정적으로 레이저 간섭계를 안정화하는 것이 가능하다.The stabilization method of such a laser interferometer has the following advantages. Firstly, it does not cause any loss in the interference light 69 used for ultrasonic measurement, and secondly, it is possible to stabilize the laser interferometer stably at all times irrespective of the change in the intensity of the scattered light incident on the laser interferometer.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 신호 검출수단의 개략도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 간섭계의 반사 간섭광 및 투과 간섭광의 세기 변화는 측정 대상체(90) 표면에 도달한 초음파의 신호를 나타낸다. 이 때, 두 광검출기(71,72)를 통해 측정된 초음파 신호는 그 위상이 서로 반대이다. 따라서 도 15에서와 같이 차동 증폭기(differential amplifier)(73)를 이용하면 초음파 신호를 2배로 증대 시킬 수 있다. 이와 같은 차동 증폭은 두 광검출기(71,72)에 인가된 동일한 위상의 전기적 잡음을 제거하는 효과도 있다. 두 광검출기 신호를 차동 증폭한 실시 예를 도 16에 나타내었다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭에 의한 초음파 신호의 증대를 설명한 도면이다. 도 15에서 차동 증폭기(73)의 신호는 주파수 필터(bandpass filter)(74)를 거쳐 도 1에 표시한 신호처리수단(80)에 인가되어 측정 대상체의 결정입경(grain size)이 산출된다. 15 is a schematic diagram of the ultrasonic signal detection means according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 15, the intensity change of the reflected interference light and the transmitted interference light of the interferometer represents a signal of ultrasonic waves reaching the surface of the
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저-초음파를 이용한 온-라인 결정입경 측정방법을 보이는 흐름도이다. 도 17을 참조하면, 결정입경을 측정할 측정 대상체(90)에 초음파를 발생하기 위한 펄스형 레이저 빔을 조사한다(S10). 여기서 바람직하게는 상기 펄스형 레이저 빔을 상기 측정 대상체에 조사하여 원격으로 초음파를 발생시킨다. 또한 도면에는 미도시 되었으나 상기 단계(S10)는 상기 측정 대상체(90) 표면물질의 융발 효과에 의해 초음파가 발생하도록 상기 측정 대상체의 두께에 따라 상기 펄스형 레이저 빔의 세기를 조절하는 것이 바람직하며, 상기 레이저 빔은 수 나노 초 내지 수십 나노 초의 펄스 폭을 갖는 것이 바람직하다. 이어 초음파가 발생되면 상기 측정 대상체(90)의 초음파 발생지점과 동일한 지점에 상기 발생된 초음파 측정을 위한 레이저 빔을 조사하고(S12), 상기 측정 대상체(90)에 발생된 초음파에 기인한 레이저 빔의 산란광을 실질적으로 수직 위치에서 포집한다(S14). 상기 포집된 산란광을 바람직하게는 공초점 패브리-페로 간섭계를 이용하여 간섭을 발생시키고(S16), 상기 공초점 패브리-페로 간섭계로부터 투과 간섭광 및 반사 간섭광을 출력한다(S18). 상기 투과 및 반사 간섭광을 이용하여 상기 측정 대상체에 발생된 초음파 신호를 검출한다(S20). 상기 검출된 초음파 신호로부터 주파수별 초음파 감쇠계수를 계산하고(S22), 상기 계산된 초음파 감쇠계수를 초음파 감쇠계수-결정입경 상관식에 대입하여(S24), 상기 측정 대상체의 결정입경을 산출한다(S26).17 is a flowchart illustrating a method for measuring on-line grain size using laser-ultrasound according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 17, a pulsed laser beam for generating ultrasound is irradiated to the
여기서, 도면에는 미도시 되었으나, 본 발명에 따른 결정입경 측정방법은 바람직하게는 상기 포집된 산란광에 포함되어 있는, 상기 측정 대상체 표면에 초음파 생성시에 발생하는 플라즈마 방사광이 상기 레이저-간섭계로 입사되는 것을 차단한다. 이를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 초음파 발생용 레이저에서 레이저 빔을 발진하는 순간의 여기신호를 출력하고, 상기 여기신호가 수신되면 설정된 시간동안 후술하는 개폐기의 동작을 제어한다. 상기 제어신호에 따라 상기 설정된 시간동안에는 상기 포집된 광신호의 전송을 차단하는 것이다. Here, although not shown in the drawing, the crystal grain size measuring method according to the present invention is preferably included in the collected scattered light, the plasma radiation generated when generating ultrasound on the surface of the measurement object is incident to the laser-interferometer Block it. In more detail, the ultrasonic generation laser outputs an excitation signal at the moment of oscillating the laser beam, and when the excitation signal is received, controls the operation of the switch to be described later for a set time. The transmission of the captured optical signal is interrupted for the predetermined time according to the control signal.
상기 단계(S20)를 보다 구체적으로 설명하면, 상기 반사 간섭광 및 투과 간섭광의 세기를 각각 전기적 신호로 변환하고 상기 전기적 신호의 변화로부터 상기 측정 대상체 표면에 도달한 제1 및 제2 초음파 신호를 각각 검출한다. 이어 상기 제1 및 제2 초음파 신호를 차동 증폭하고 상기 차동 증폭된 초음파 신호를 이용하여 특정 주파수 대역의 초음파 신호로 필터링한다. The step S20 will be described in more detail by converting the intensity of the reflected interference light and the transmitted interference light into an electrical signal, respectively, and first and second ultrasonic signals reaching the surface of the measurement object from the change of the electrical signal, respectively. Detect. Subsequently, the first and second ultrasonic signals are differentially amplified and filtered using the differentially amplified ultrasonic signals into ultrasonic signals of a specific frequency band.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상체의 상하면에서 연속적으로 반사되어 측정되는 초음파 신호를 나타낸 도면이고, 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 대상체 내부에서 다중 반사에 의해 전파되는 종파를 도시한 도면이고, 도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 측정된 반사 초음파 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면이고, 도 21은 본 발명의 일 실시예에 적용되는 측정 대상체의 결정입경과 초음파 감쇠계수 간의 상관식을 도출하는 흐름도이며, 도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정입경과 초음파 감쇠계수 간의 상관성 도출한 그래프이다.FIG. 18 is a view illustrating ultrasonic signals that are continuously reflected from upper and lower surfaces of a measurement object according to an embodiment of the present invention, and FIG. 19 is propagated by multiple reflections inside the measurement object according to an embodiment of the present invention. 20 is a view illustrating a longitudinal wave, and FIG. 20 is a view illustrating a frequency spectrum of a continuously measured reflected ultrasound signal according to an embodiment of the present invention, and FIG. 21 is a grain size of a measurement object applied to an embodiment of the present invention. FIG. 22 is a flowchart illustrating a correlation between the ultrasonic attenuation coefficients and FIG. 22 is a graph showing the correlation between the crystal grain size and the ultrasonic attenuation coefficient according to an embodiment of the present invention.
이하에서, 도 18 내지 도 22를 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명의 작용에 의해 효율적으로 측정된 초음파 신호를 이용하여 결정입경을 산출하는 과정을 보다 상세하게 설명한다. 통상 물질의 내부를 전파하는 초음파의 감쇠계수(attenuation coefficient)는 물질의 결정입경에 따라 달라진다. 또한 이와 같은 초음파의 감쇠계수와 결정입경의 상관관계는 초음파의 주파수에 따라 다르다. 따라서 통상 측정대상의 결정입경(D)은 다음과 같이 측정한다. 첫 번째 단계로, 도 19 에 도시한 바와 같은 연속적인 반사 초음파 신호를 측정한다. 도 19에 도시한 초음파 신호 파형에서, Ri(i=1,2,3,...)로 표시한 연속적인 일련의 초음파 신호들은 도 18에 나타낸 바와 같이 측정 대상체(90)의 상부표면(91)에서 반사되어 측정지점에 연속적으로 도달한 신호들이다. 두 번째 단계로 도 19에 도시한 바와 같은 각각의 연속적인 반사 초음파 신호들에 대해 푸리에 변환(fast Fourier transform;FFT)을 수행하여 도 20에 도시한 바와 같은 연속적인 반사 초음파 신호들의 주파수 스펙트럼(spectrum)을 얻는다. 세 번째 단계로 도 20의 연속적인 반사 초음파 신호의 주파수 스펙트럼과 다음의 식 2를 이용하여 주파수별 초음파 감쇠계수()를 구한다. Hereinafter, referring to FIGS. 18 to 22, the process of calculating the crystal grain size using the ultrasonic signal efficiently measured by the operation of the present invention as described above will be described in more detail. Usually, the attenuation coefficient of the ultrasonic wave propagating inside the material depends on the grain size of the material. In addition, the correlation between the attenuation coefficient and the crystal grain size of the ultrasonic wave depends on the frequency of the ultrasonic wave. Therefore, the grain size (D) of the measurement target is usually measured as follows. In a first step, a continuous reflected ultrasound signal as shown in FIG. 19 is measured. In the ultrasonic signal waveform shown in FIG. 19, a series of consecutive ultrasonic signals, denoted by R i (i = 1, 2, 3,...), Is shown in FIG. 18 as shown in FIG. 18. These signals are reflected at 91 and reach the measurement point continuously. In a second step, a Fourier transform (FFT) is performed on each of the consecutive reflected ultrasonic signals as shown in FIG. 19, thereby performing a frequency spectrum of the continuous reflected ultrasonic signals as shown in FIG. Get) In the third step, the frequency spectrum of the continuous reflected ultrasonic signal of FIG. )
[식 2][Equation 2]
상기 식 1에서 l은 시편의 두께이고, 는 초음파 주파수 에 대한 i번째 반사파(Ri)의 초음파 세기를 나타낸다. 마지막 단계로 상기 절차에 의해 구한 주파수별 초음파 감쇠계수()를 분석하여 측정 대상체의 결정입경을 산출한다. Where l is the thickness of the specimen, Ultrasonic frequency It represents the ultrasonic intensity of the i-th reflected wave Ri with respect to. As a final step, the ultrasonic attenuation coefficient for each frequency ) To calculate the grain size of the measurement object.
그러나, 상기와 같이 연속적인 반사 초음파 신호들의 FFT를 수행과 FFT 수행을 통해 얻은 주파수별 초음파 스펙트럼을 분석하여 결정입경에 관한 정보를 산출 하는 것은 많은 시간이 소요되고, 통상 복잡한 비교분석 알고리즘이 필요하므로 실시간 결정입경 도출이 요구되는 생산라인에서의 온-라인 측정에는 적합하지 않을 수 있다.However, as described above, it is very time consuming to calculate the information on the crystal grain size by analyzing the FFT of the continuous reflection ultrasonic signals and analyzing the ultrasonic spectrum by frequency obtained through the FFT, and usually requires a complicated comparative analysis algorithm. It may not be suitable for on-line measurements in production lines where real-time grain size is required.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는, 특정한 측정대상에 대해 결정입경과의 상관성이 가장 우수한 하나의 특정 주파수()를 미리 선정한 후 이 주파수()의 감쇠계수()만을 이용하여 빠르게 결정입경을 산출하는 방법을 제시한다. 즉, 도 21에 나타낸 바와 같이, 생산라인에서 생산 중에 있는 강판 또는 강재 중 결정입경이 품질에 중요하여 결정입경의 제어가 필요한 한 개 또는 다수의 측정대상을 선정하고, 측정실험을 통해 이들 측정대상 각각에 대해 결정입경과 특정 주파수()의 초음파 감쇠계수() 사이의 상관식을 미리 도출한 후 이를 온-라인 측정 시 결정입경의 산출에 이용하는 방법을 제시한다. 이와 같이 온-라인 측정의 수행 전에 실험적으로 미리 결정입경과 특정 주파수()의 초음파 감쇠계수() 사이의 상관식을 도출할 때 사용되는 측정장치의 구성은 도 1에 나타낸 바와 같은 측정장치와 동일하게 한다. 이는 펄스형 레이저 빔에 의해 발생된 초음파는 펄스 광의 반점크기(S1)에 따라 달라지는 회절(diffraction)되는 정도가 다르기 때문이다. 도 16에 제시된 방법을 통해 선정된 최적 주파수(F = 7.8 MHz)와 결정입경 사이의 상관성을 실험적으로 얻은 실시예를 도 22에 도시하였다. 도 21에 제시된 절차 중 마지막 단계에서는 도 22에 나타낸 바와 같은 데이터 들의 상관성 분석을 통해 다음과 같은 식 3의 상관식을 산출한다.In order to solve such a problem, in the present invention, one specific frequency having the highest correlation with the grain size for a specific measurement object ( ), Then select this frequency ( Damping coefficient of We present a method to quickly calculate grain size using only). That is, as shown in FIG. 21, one or more measurement targets for which control of the crystal grain size is necessary because the crystal grain size is important for quality among the steel sheets or steels being produced in the production line, and these measurement targets For each, the grain size and the specific frequency ( Ultrasonic Attenuation Coefficient of We propose a method of deriving the correlation between and before using it to calculate the grain size for on-line measurement. Thus, before the on-line measurement is performed, the experimental grain size and the specific frequency ( Ultrasonic Attenuation Coefficient of The configuration of the measuring device used when deriving a correlation between the same) is the same as that of the measuring device shown in FIG. This is because the ultrasonic waves generated by the pulsed laser beam have different diffraction degrees depending on the spot size S 1 of the pulsed light. FIG. 22 shows an example in which the correlation between the optimal frequency selected by the method shown in FIG. 16 (F = 7.8 MHz) and the crystal grains was experimentally obtained. In the final step of the procedure shown in Figure 21 through the correlation analysis of the data as shown in Figure 22 to calculate the correlation of the following equation (3).
[식 3][Equation 3]
식 3에서 는 측정대상 Mi의 결정입경이다. 특정 측정 대상체에 대해 이와 같이 얻은 상관식을 이용하면, 온-라인 상에서 특정 측정 대상체에 대해 특정 초음파 주파수의 감쇠계수를 측정하면 이 측정 대상체의 결정입경이 자동적으로 산출될 수 있다. In expression 3 Is the grain size of the measurement object M i . Using the correlation obtained as described above for a specific measurement object, the crystal grain size of the measurement object may be automatically calculated by measuring the attenuation coefficient of the specific ultrasound frequency for the specific measurement object on-line.
이하, 도 21를 참조하여, 결정입경과 특정(최적) 주파수의 초음파 감쇠계수 사이의 상관식을 이용하여 온-라인 측정 시 실시간으로 측정 대상체(90)의 결정입경을 산출하는 방법을 설명한다. 먼저 생산라인에서 생산중인 측정 대상체(90)를 선정한다(S30). 다양한 결정입경을 갖는 측정 대상체 시편을 준비한다(S32). 상기 복수의 시편에 대해 상기한 기술적 절차에 의해 반사 초음파 신호(도 19의 R1, R2, R3 등)를 연속적으로 측정한다(S34). 상기 측정된 반사 초음파 신호에 대하여 FFT를 수행하여 상기 반사 초음파 신호들의 초음파 주파수() 스펙트럼을 산출하고(S36), 상기 식1을 이용하여 상기 초음파 주파수()별로 감쇠계수()를 산출 한다(S38). 이어 상기 측정 시편의 주파수()를 감쇠계수()와 결정입경 간의 상관성을 분석한다(S40). 한편, 상기 측정된 반사 초음파 신호들은 신호처리수단(80)으로 입력되고 주파수 필터(bandpass filter)(74)는 특정(최적) 주파수()를 통과시키도록 조절되어 결정입경 도출을 위한 최적 초음파 주파수가 선정된다(S42). 이어서 측정대상에 대하여 초음파 주파수의 초음파 감쇠계수와 결정입경 사이의 상관식을 도출한다(S44). 이로써 상기 신호처리수단(80)의 프로세서(processor)에 미리 입력되어 있는 식 3와 같은 상관식에 감쇠계수를 대입하여 결정입경을 산출하는 것이다. 이와 같이 본 발명에 의해 고안된 결정입경 산출방법을 적용하면 생산라인에서 측정대상의 결정입경을 매우 간단한 신호처리 절차에 의해 빠르게 측정할 수 있는 것이다.Hereinafter, a method of calculating the crystal grain size of the
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 산란광 포집수단에서의 온-라인 레이저빔 포집방법을 보이는 흐름도이다. 도 4 및 도 23을 참조하면, 빔평행기(32)는 광섬유(25)를 통해 전송된 초음파 측정용 레이저 빔(27)을 수광하고(S50), 상기 수광된 초음파 측정용 레이저 빔(27)을 평행광으로 변환한다(S52). 이어 편광형 빛살가르개(33)가 상기 평행광으로 변환된 초음파 측정용 레이저 빔(27)이 대상체(90)의 상면부(91)에 실질적으로 수직으로 입사하도록 상기 초음파 측정용 레이저 빔(27)을 반사(또는 투과)시킨다(S54). 상기 단계(S54)에서 본 발명의 일실시예에 따른 편광형 빛살가르개(33)의 반사율(또는 투과율)은 100%(또는 투과율은 0%)가 바람직 하지만, 이러한 반사율(또는 투과율)은 적용되는 빔의 공간, 특성 및 다른 부품등의 조건에 따라 최적으로 변경될 수 있다. 또한 상기 단계(S14)에서 초음파 측정용 레이저 빔의 반사 또는 투과는 상기 빔평행기(32) 및 후술하는 집광렌즈(38)의 위치에 따라 결정된다. 이와 같은 빔평행기(32) 및 집광렌즈(38)의 위치에 따른 편광형 빛살가르개(33)의 반사 또는 투과 과정은 도 4에 도시된 상기 산란광 포집수단(30)에서 기술되었으므로 여기서는 설명을 생략한다. 23 is a flowchart showing an on-line laser beam collecting method in scattered light collecting means according to an embodiment of the present invention. 4 and 23, the
계속하여, 상기 단계(S54)에서 상기 편광형 빛살가르개(33)에 의해 반사(또는 투과)되어 상기 대상체(90)의 표면(91)에 수직으로 입사되는 초음파 측정용 레이저 빔(27)의 편광방향을 45도 회전시킨다(S56). 상기 대상체(90)의 표면(91)에 수직으로 입사된 초음파 발생용 레이저 빔(13)에 의해 발생된 초음파에 기인한 상기 초음파 측정용 레이저 빔(27)의 산란광(28)을 수광한다(S58). 상기 수광된 산란광(28)을 포커싱하고(S60) 상기 포커싱된 산란광(28)을 그 단면의 직경이 특정 크기로 축소된 평행광으로 변환한다(S62). 상기 평행광으로 변환된 산란광의 편광방향을 45도 더 회전시켜 상기 편광형 빛살가르개(33)로 출력한다(S64). 상기 편광형 빛살가르개(33)를 투과(또는 반사)된 산란광(28)을 상기 광섬유(31)의 입사면에 집광한다(S66). 이로써 상기 산란광(28)은 상기 광섬유(31)를 통해 레이저-간섭계(60)로 전송되어 초음파 측정에 이용된다.Subsequently, in step S54, the
도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화방법을 보이는 흐름도이다. 먼저 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 일정한 간 격으로 이격되어 서로 대향하도록 위치되며, 입사된 레이저빔을 내부에서 왕복시켜 간섭광(150)을 출력하는 두 개의 공진기거울(62,63)을 갖는 공진기(66)를 포함하는 초음파 측정용 레이저 간섭계에서 상기 공진기(66)로 입사된 레이저빔에 의한 간섭광(150) 신호의 세기를 검출한다(S70). 상기 검출된 간섭광 신호의 세기를 설정된 광신호 세기의 허용범위와 비교하고(S72), 상기 검출된 간섭광 신호의 세기가 상기 설정된 광신호 세기의 허용범위를 벗어나면(S74) 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하기 위한 제어신호를 출력한다(S76). 이어, 상기 제어신호에 따라 상기 두 공진기거울(62,63)의 간격을 조정하여(S78) 상기 간섭광 신호의 세기를 조절한다(S80). 만약 상기 단계(S74)에서의 비교결과 상기 검출된 간섭광 신호의 세기가 상기 설정된 광신호 세기의 허용범위를 벗어나지 않으면 상기 단계(S70)로 되돌아가 계속해서 간섭광(150) 신호의 세기를 검출한다(S70).24 is a flowchart illustrating a method of stabilizing a laser interferometer for ultrasonic measurement according to an embodiment of the present invention. First, as shown in FIGS. 11 to 13, two resonator mirrors 62 and 63 are positioned to face each other at regular intervals and reciprocate the incident laser beam therein to output the
상기 레이저 간섭계의 공진기(66) 내 두 공진기거울(62,63) 사이의 간격이 변화하면 상기 레이저 간섭계에서 출력되는 간섭광(150) 신호의 세기가 변하게 되는데, 본 발명의 초음파 측정용 레이저 간섭계의 안정화방법에서는 두 공진기거울(62,63)간의 거리 변화에 따른 간섭광(150) 신호의 세기 변화가 감지하여 압전구동기(44)의 구동을 통해 상기 두 공진기거울(62,63) 사이의 거리를 조정함으로써, 상기 두 공진기거울(62,63) 간의 거리가 항상 일정하게 유지되도록 하는 것이다. 이로써 초음파 측정을 위한 간섭광(69) 이외에 별도의 레이저 간섭계 안정화를 위한 또 다른 간섭광(110)을 이용하여 레이저 간섭계의 안정화를 구현하는 것이다.When the distance between the two resonator mirrors 62 and 63 in the
상기한 상세한 설명 및 도면의 내용은 본 발명의 일 실시예에 한정하여 설명한 것이므로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변경 또는 삭제가 가능할 것이다.The above description and the contents of the drawings are limited to one embodiment of the present invention, and thus the present invention is not limited thereto. It will be possible to substitute, change or delete the component according to the present invention within the scope of the technical idea of the present invention.
따라서, 본 발명의 권리범위는 상기한 상세한 설명 및 도면에 의해 결정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위에 의해 결정되어져야 할 것이다.Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the appended claims rather than by the foregoing description and drawings.
본 발명에 따르면, 초음파의 발생 및 측정이 원격으로 이루어짐으로써 생산라인에서 이송 중에 있는 측정대상의 온라인 초음파 탐상이 가능하다.According to the present invention, the generation and measurement of the ultrasonic waves can be made remotely so that the on-line ultrasonic flaw detection of the measurement object being transferred in the production line is possible.
또한, 본 발명에 따르면 측정대상 표면의 동일면, 동일지점에서 초음파의 발생 및 측정을 수행하여 측정장치가 생산 중에 있는 강판의 상부에만 존재하도록 하여 생산라인에 본 발명의 측정시스템 및 방법을 용이하게 설치 및 적용할 수 있으며, 융발(ablation) 효과에 의해 고강도의 초음파를 발생시킴으로써 두께가 두꺼운 측정대상에 대해서도 결정입경 측정을 가능케 하는 효과가 있다. Further, according to the present invention, the generation and measurement of ultrasonic waves are performed on the same surface and the same point of the surface to be measured so that the measuring device is present only on the upper part of the steel sheet being produced, thereby easily installing the measuring system and method of the present invention on the production line. And it can be applied, by generating a high-intensity ultrasonic wave by the effect of the ablation (ablation) has the effect of enabling the determination of the crystal grain size even for a thick measurement target.
또한, 본 발명에 따르면, 초음파의 발생성과 측정을 측정대상의 동일면, 동일지점에서 수행함으로써 초음파(종파)가 측정대상의 표면에서 반사될 때 발생하는 모드변환(mode conversion)에 의한 초음파 에너지 손실을 방지하고 초음파 전파거리의 산출을 용이하게 하여 결과적으로 초음파 감쇠계수의 계산을 용이하게 하는 효과가 있다.Further, according to the present invention, the ultrasonic energy loss due to the mode conversion generated when the ultrasonic wave (long wave) is reflected from the surface of the measurement object by performing the generation and measurement of the ultrasonic wave at the same plane and the same point of the measurement object. It is effective in preventing and facilitating the calculation of the ultrasonic propagation distance, which in turn facilitates the calculation of the ultrasonic attenuation coefficient.
또한, 본 발명에 따르면, 융발 효과에 의한 고강도의 초음파 생성 시에 상존 하는 플라즈마가 초음파 신호 측정용 광검출기에 미치는 영향을 저감함으로써 효율적 초음파 측정을 통해 보다 정밀한 감쇠계수의 측정을 가능케 하는 장점이 있다. In addition, according to the present invention, by reducing the effect of the existing plasma in the ultrasonic detector for measuring the high-intensity ultrasound generated by the fusion effect, there is an advantage to enable more accurate measurement of the attenuation coefficient through the efficient ultrasonic measurement .
또한, 본 발명에 따르면 특정한 측정대상에 대해 결정입경과의 상관성이 가장 우수한 하나의 특정 주파수를 미리 선정한 후 이 주파수의 감쇠계수만을 이용하여 빠르게 결정입경을 산출함으로써 실시간 적인 온-라인 결정입경 측정을 용이하게 하는 장점이 있다. In addition, according to the present invention, in real-time on-line grain size measurement is performed by preselecting one specific frequency having the highest correlation with the grain size for a specific measurement object and quickly calculating grain size using only the attenuation coefficient of the frequency. There is an advantage to facilitate.
나아가, 본 발명에 따르면, 효율적인 공초점 Fabry-Perot 간섭계를 이용한 측정장치의 구성을 통해 첫째로, 초음파 측정에 사용되는 간섭계의 출력광에 손실을 발생시키지 않으며, 둘째로, 간섭계로 입사되는 산란광의 세기 변화에 관계없이 항시 안정적으로 간섭계를 안정화하는 것이 가능하고, 셋째로, 두개의 광검출기를 통해 간섭계의 두 가지 종류의 출력광, 즉 반사 간섭광과 투과 간섭광을 모두 측정하여 초음파 신호의 세기를 증대할 수 있는 장점이 있다.
Further, according to the present invention, through the configuration of a measuring device using an efficient confocal Fabry-Perot interferometer, firstly, it does not cause a loss in the output light of the interferometer used for ultrasonic measurement, and secondly, It is possible to stabilize the interferometer stably at all times regardless of the intensity change, and thirdly, the two kinds of output light of the interferometer, that is, the reflected interference light and the transmitted interference light, are measured by the two photodetectors. There is an advantage to increase.
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