KR20020050833A - 비접촉식 결정입경 측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 초음파를 비접촉방식으로 발생시켜 측정 대상물의 초음파 감쇄계수를 측정하고 그에 따라 결정입경을 측정함으로써, 측정 대상물의 상태 및 주변환경에 무관하게 측정 대상물의 결정입경을 측정하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 결정입경 측정장치는, 측정 대상물의 한 쪽의 표면 온도를 급격히 상승시키고 순간적인 단열팽창을 일으켜 초음파가 발생하도록 측정 대상물의 한 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 펄스형 고출력 레이저(1)와, 펄스형 고출력 레이저(1)에 의해 발생된 초음파에 의해 광선이 반사되도록 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 연속발진 레이저(9)와, 연속발진 레이저(9)에 의해 반사된 광선 중 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에서 반사된 광선만을 간섭시키는 패브리-페로 간섭계(10)와, 패브리-페로 간섭계(10)에서 간섭된 광선으로 초음파 신호를 검지하는 광검지기(11) 및, 광검지기(11)에서 검지한 초음파 신호에 따라 초음파의 감쇄계수(α)를 계산하는 연산장치(12)를 포함하며, 결정입경과 선형적인 비례관계를 갖는 감쇄계수(α)를 이용하여 측정 대상물의 결정입경을 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

비접촉식 결정입경 측정장치 및 방법{Apparatus and method of noncontact measurement of crystal grain size}

본 발명은 결정입경 측정장치에 관한 것이며, 특히, 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 측정 대상물에 비접촉식으로 초음파를 발생시켜 초음파의 감쇄계수를측정하고 그에 따라 결정입경을 측정하는 비접촉식 결정입경 측정장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 측정 대상물에 비접촉식으로 초음파를 발생시켜 초음파의 감쇄계수를 측정하고 그에 따라 결정입경을 측정하는 비접촉식 결정입경 측정방법에 관한 것이기도 하다.

제철분야에서 압연제어기술의 발전에 따라 동일한 성분 조성을 갖는 물질을 통해 다양한 종류의 열연강판을 생산하는 것이 가능하다. 이와 같이 압연제어를 통해 원하는 종류의 강판을 생산하기 위해서는 강판의 결정입경의 크기를 생산라인에서 온-라인으로 계측하는 것이 필요하다.

결정입경의 크기를 측정하는 방법으로는 결정입자의 경계를 화학약품으로 부식시켜 광학현미경으로 관찰하는 것이 일반적이지만 이 방법은 시편을 샘플링하여 오프-라인으로 측정하는데 적합하다. 또다른 방법으로는 초음파를 강판에 입사시켜 강판 내부에서 전파하는 초음파의 감쇄특성을 이용하여 결정입자의 크기를 측정할 수가 있다. 이러한 초음파를 이용한 특성평가는 측정대상을 변형시키지 않는 비파괴 검사이기 때문에 온-라인 계측방식으로 적절한 방법이다. 그러나, 생산라인에서 고속으로 이동하는 강판을 측정대상으로 할 경우에는 초음파의 발진 및 검지가 비접촉식으로 이루어져야 하며 이는 기존의 압전소자를 이용한 변환기(transducer) 방식으로는 실현이 불가능하다.

따라서, 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 초음파를 비접촉방식으로 발생시켜 측정 대상물의 초음파 감쇄계수를 측정하고 그에 따라 결정입경을 측정함으로써, 측정 대상물의 상태 및 주변환경에 무관하게 측정 대상물의 결정입경을 측정하는 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 비접촉식 결정입경 측정장치의 개략적인 구성도이고,

도 2는 도 1에 도시된 비접촉식 결정입경 측정장치를 사용하여 결정입경을 측정한 그래프이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

1 : 펄스형 고출력 레이저 2, 7, 8 : 거울

3, 5 : 볼록렌즈 4 : 시편

6 : 오목렌즈 9 : 연속발진 레이저

10 : 패브리-페로 간섭계 11 : 광검지기

12 : 연산장치

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 결정입경 측정장치는, 측정 대상물의 한 쪽의 표면 온도를 급격히 상승시키고 순간적인 단열팽창을 일으켜 초음파가 발생하도록 측정 대상물의 한 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 제1 레이저와, 상기 제1 레이저에 의해 발생된 초음파에 의해 광선이 반사되도록 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 제2 레이저와, 상기 제2 레이저에 의해 반사된 광선 중 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에서 반사된 광선만을 간섭시키는 패브리-페로 간섭계와, 상기 패브리-페로 간섭계에서 간섭된 광선으로 초음파 신호를 검지하는 광검지기 및, 상기 광검지기에서 검지한 초음파 신호에 따라 초음파의 감쇄계수를 계산하는 연산장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 결정입경 측정방법은, 측정 대상물의 한 쪽의 표면 온도를 급격히 상승시키고 순간적인 단열팽창을 일으켜 초음파가 발생하도록 측정 대상물의 한 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 제1 조사단계와, 상기 제1 조사단계에 의해 발생된 초음파에 의해 광선이 반사되도록 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 제2 조사단계와, 상기 제2 조사단계에 의해 반사된 광선 중 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에서 반사된 광선만을 간섭시키는 간섭단계와, 상기 간섭단계에서 간섭된 광선으로 초음파 신호를 검지하는 검지단계 및, 상기 검지단계에서 검지한 초음파 신호에 따라 초음파의 감쇄계수를 계산하는 연산단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

아래에서, 본 발명에 따른 비접촉식 결정입경 측정장치 및 방법의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 비접촉식 결정입경 측정장치의 개략적인 구성도이다. 도 1에 보이듯이, 본 발명의 장치는 초음파의 발진을 위해 펄스형 고출력 레이저(1)를 사용한다. 이런 펄스형 고출력 레이저(1)에 발진되는 펄스 빔은 거울(2)에 의해 원하는 방향으로 진행 방향이 결정된 후 볼록렌즈(3)에 의해 집광되어 시편(4)의 한 쪽의 표면에 입사하여 초음파를 발생시킨다. 즉, 시간적으로 짧은 펄스 폭을 갖는 펄스형 고출력 레이저(1)에서 발진된 펄스 빔이 측정 대상물의 시편(4)의 표면에 부딪쳐 표면 온도를 급격히 상승시킨 후 순간적으로 단열팽창을 일으켜 초음파를 발생시키는 것이다. 이런 초음파에 의해 시편(4)의 표면에서는 국소적인 표면변위가 발생하게 된다.

이렇게 발생된 초음파를 본 발명에서는 시편(4)의 표면에서 패브리-페로 간섭계(10)를 이용하여 측정하는 것이다. 이를 위해 본 발명에서는 연속발진 레이저(9)에서 발진된 광선을 거울(8)로 반사시켜 측정하고자 하는 시편(4)의 다른 쪽의 표면에 입사시킨다. 이렇게 입사된 광선은 시편(4)에서 국부적으로 발생하는 표면변위에 따라 반사하는데, 이렇게 반사된 광선은 볼록렌즈(5)에 의해 집광된 후 오목렌즈(6)를 통과한 후 평행광선이 되어 거울(7)에서 반사되어 패브리-페로 간섭계(10)에 입사된다. 이런 간섭계(10)는 주파수 영역이 매우 넓으므로 초음파의 주파수에 따른 신호의 왜곡이 없어 데이터 해석을 위한 신호처리가 매우 용이한 특징이 있다.

이런 특징을 갖는 패브리-페로 간섭계(10)로 입사된 광선 중 시편(4)에서 반사되어 입사한 광선은 패브리-페로 간섭계(10) 내에서 왕복하며 간섭을 일으킨다. 그 결과 간섭계(10)를 통과한 빛은 광검지기(11)에서 초음파 신호가 검지되고, 이렇게 검지된 신호에 따라 연산장치(12)는 초음파의 감쇄계수를 계산하고, 그 결과를 사용하여 결정입경을 구하게 된다.

초음파의 감쇄계수(α)는 다음의 수학식 1을 이용하여 구할 수 있다.

여기서 l 은 시편의 두께를 나타내고, B와 C는 각각 초음파가 시편 내부를 한 번 및 두 번 왕복한 후의 세기를 나타내며, R은 시편 내부의 초음파가 경계면(시편 표면)에서 반사될 때의 반사율을 나타낸다.

도 2는 도 1에 도시된 비접촉식 결정입경 측정장치를 사용하여 결정입경을 측정한 그래프로서, 결정입경의 크기가 다른 여러 개의 시편을 대상으로 감쇄계수(α)를 측정한 결과와 현미경으로 관찰한 결정입경의 크기를 비교한 것이다.

도 2에서 알 수 있듯이, 측정결과 결정입경의 증가에 따라 감쇄계수(α)가 증가하는데, 결정입경의 크기는 초음파의 감쇄계수(α)와 선형적인 비례관계가 있음을 알 수 있다.

따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 비접촉식 결정입경 측정장치 및 방법은 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 초음파을 발진 및 검지하는 비접촉방식으로 측정 대상물의 감쇄계수(α)를 계산하고, 그 감쇄계수(α)를 통해 측정 대상물의 결정입경을 구할 수 있는 것이다.

즉, 본 발명의 비접촉식 결정입경 측정장치 및 방법을 이용하여 측정 대상물의 결정입경의 크기를 비접촉식 및 비파괴식으로 측정 대상물의 상태 및 주변환경에 무관하게 온-라인으로 측정할 수가 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 비접촉식 결정입경 측정장치 및 방법은 레이저를 이용한 광학적 간섭방법으로 측정 대상물의 결정입경의 크기를 비접촉식 및 비파괴식으로 측정 대상물의 상태 및 주변환경에 무관하게 온-라인으로 측정하는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 비접촉식 결정입경 측정장치는 측정 대상물로부터 멀리 떨어진 지점에서의 원격측정이 가능하기 때문에, 열악한 주변환경에 있는 측정 대상물의 측정시에도 그 보호가 용이할 뿐만 아니라 높은 현장 적용성을 갖는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 비접촉식 결정입경 측정장치 및 방법에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (4)

1. 초음파를 이용하여 측정 대상물의 결정입경의 크기를 측정하는 결정입경 측정장치에 있어서,

   측정 대상물의 한 쪽의 표면 온도를 급격히 상승시키고 순간적인 단열팽창을 일으켜 초음파가 발생하도록 측정 대상물의 한 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 제1 레이저와, 상기 제1 레이저에 의해 발생된 초음파에 의해 광선이 반사되도록 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 제2 레이저와, 상기 제2 레이저에 의해 반사된 광선 중 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에서 반사된 광선만을 간섭시키는 패브리-페로 간섭계와, 상기 패브리-페로 간섭계에서 간섭된 광선으로 초음파 신호를 검지하는 광검지기 및, 상기 광검지기에서 검지한 초음파 신호에 따라 초음파의 감쇄계수를 계산하는 연산장치를 포함하며,

   결정입경과 선형적인 비례관계를 갖는 상기 감쇄계수를 이용하여 측정 대상물의 결정입경을 측정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 결정입경 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저는 일정 시간 간격마다 펄스 빔을 발진하는 펄스형 레이저인 것을 특징으로 하는 비접촉식 결정입경 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 제2 레이저는 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에서 반사되는 광선이 간섭되도록 연속적으로 광선을 발진시키는 연속발진 레이저인 것을 특징으로 하는 비접촉식 결정입경 측정장치.
4. 초음파를 이용하여 측정 대상물의 결정입경의 크기를 측정하는 결정입경 측정방법에 있어서,

   측정 대상물의 한 쪽의 표면 온도를 급격히 상승시키고 순간적인 단열팽창을 일으켜 초음파가 발생하도록 측정 대상물의 한 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 제1 조사단계와, 상기 제1 조사단계에 의해 발생된 초음파에 의해 광선이 반사되도록 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에 레이저 광선을 조사하는 제2 조사단계와, 상기 제2 조사단계에 의해 반사된 광선 중 측정 대상물의 다른 쪽의 표면에서 반사된 광선만을 간섭시키는 간섭단계와, 상기 간섭단계에서 간섭된 광선으로 초음파 신호를 검지하는 검지단계 및, 상기 검지단계에서 검지한 초음파 신호에 따라 초음파의 감쇄계수를 계산하는 연산단계를 포함하며,

   결정입경과 선형적인 비례관계를 갖는 상기 감쇄계수를 이용하여 측정 대상물의 결정입경을 측정하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 결정입경 측정방법.