Displacement sensing has been the most basic and important measuring techniques due to it`s much relation to the other measurements and standards. And the surface characterization, the nature of surfaces and the measurement of surfaces are key factors for precision industries. The intensity modulated type (reflective method) optical fiber displacement sensor is a well-known method and widely applied to displacement measurement and other industrial purposes. Though this type displacement sensor has lots of advantages (relatively cheap cost, small sensor size and easiness of operation), the sensitivity of the sensor is very dependent on several sources of error (the variation in the intensity of the light source, the changes in the surface reflectivity of the object). A optical fiber coupled displacement probe with a new compensation method is presented in this paper.
A newly designed optical fiber coupled displacement probe is developed to measure the different surfaces independent of those different surface characteristics. In general every surface has the different surface characteristics. Surface reflectivity, surface processed grade and surface stuff can affect the result of the light intensity measuring techniques. So, each measurement should be compensated according to its surface characteristics. In order to eliminate those surface characteristics effect on the light intensity modulated measuring technique we need some compensation skills.
In this paper, we aimed to develop the compact and cheap fast light intensity modulated type displacement measuring technique using optical fiber bundle probe. This probe is composed of 5-main parts. Light source, sensor probe, detector system, scanning stage. We use the two laser sources (one for 633nm He-Ne laser, the other for 780nm laser diode) and adopt two band pass filters to segregate the two different output signals. And we set the offset length (d) for two source fiber, which is 300μm longer than 780nm source fiber. And Instead of using the direct output signal, we measure the ration Q which is the rate of two different outputs $Q_R$ and $Q_B$ which are the intensity result of the two detectors.
To verify the system efficiency we measure the 3 standard specimens with different reflectivity. The result shows that newly designed optical fiber bundle displacement sensor can measure the displacement independent of surface characteristics. At that time, the maximum error of displacement measuring was within 3.5%. After evaluating the sensor efficiency of independence of the surface characteristics, we adopt the x-y scanning stage for surface profile measurement. Measured specimens were block gauges for verification. For the surface profile measurement, the range for scanning was 25mm(each x-y direction) and resolution for z-axis was about 100nm. We conclude the proposed displacement sensor can measure the displacement of the target surface independent of materials or surface reflectivity and can be well used for surface measuring equipment.
여러 변위 측정 방식 중에서도 광을 이용한 각종 변위 측정 방식은 측정대상물과의 비 접촉성, 빠른 측정속도, 측정대상 물체의 비파괴성 등의 여러 장점을 갖기 때문에 현 산업계에서 아주 널리 사용되고 있다.
일반적인 광량변조방식의 변위센서는 측정대상물, 대상물의 가공정도, 표면 반사계수에 따라서 측정되는 광량에 오차가 늘 있기 때문에 이를 보상해주는 방식을 적용하여 사용하거나 특정한 표면반사계수와 가공 정도를 갖는 특정한 측정물에 대해서만 한정적으로 사용되어온 것이 사실이다. 이러한 광량변조방식의 가장 큰 단점인 측정 대상물에 따른 보상(compensation)의 문제점을 개선하여 매 측정 시 보상을 필요로 하지 않는 광량변조방식의 변위 측정기의 개발과 이를 이용한 표면의 물성치 측정을 본 논문의 연구 목표로 설정하였다.
본 논문에서는 이러한 광학적 변위 측정 센서 중에서도 측정기의 비교적 간단한 구조, 저렴한 측정기 가격, 빠른 측정 속도, 광섬유를 이용한 측정 헤드의 유연한 적용 등 많은 장점을 갖고 있어 오늘날 산업계에서 널리 사용되고 있는 광량변조방식 (intensity modulated method)의 변위센서의 새로운 보상방법을 제안하였으며 광량변조방식의 변위측정기에 관한 이론적 고찰과 함께 제안된 변위측정기의 컴퓨터 모의 실험의 결과, 다양한 표면 반사 계수를 갖는 측정 시편에 대한 측정 결과를 함께 제시하는 것을 목표로 하였다.
새로운 보상법을 적용한 광량변조방식의 변위 센서는 크게 광섬유 다발로 이루어진 프로브, 광원부, 반사된 광의 수광부 등 세 부분으로 나누어져 있다. 각 부분을 세부적으로 살펴보면 다음과 같다. 첫째 광원부, 새로운 보상법을 적용하기 위해서 두개의 레이저 광원을 사용하였다. 하나는 파장 633nm를 갖는 He-Ne레이저로 파워는 5mW 이고, 다른 하나는 파장 780nm를 갖는 파워 5mW의 반도체 레이저다. 두 개의 광원은 각각 접속렌즈를 통해서 광섬유에 집속된다. 둘째 광학프로브, 두 개의 광원을 조사하기 위한 두 개의 파이버와 이를 각각 두 개의 수광부로 보내기 위한 파이버 두 개를 포함하여 총 네 개의 광섬유로 구성되어 있다. 새로운 보상법을 적용하기 위해서 633nm의 광원 조사를 위한 광섬유는 780nm파장의 광원을 조사하는 광섬유보다 옵셋길이(offset length)만큼 돌출되어 있으며 이 길이의 조정은 추후 측정범위의 조정을 통해서 가능하다. 셋째 수광부, 두 개의 수광소자(photo diode)와 증폭기로 구성되어 데이터를 측정하며 633nm와 780nm광원을 분리 수광하기 위하여 수광부 앞에는 각각 700nm 이하 파장과 700nm 이상 파장을 선별하여 수광하는 필터를 장착하였으며 각각 수광부에서 획득한 결과는 추후 비교를 통하여 변위 측정을 가능하게 해준다. 새롭게 고안된 광량 변조 방식의 변위 센서는 반사율이 각각 다른 시편에 따라서 동일한 변위 측정 결과를 나타내었고, 최대 에러량은 약 3.5% 정도 였다.
고안된 자체 보상법이 적용된 광섬유 변위센서 응용의 일환으로 표면 측정기를 구성하였다. 시편의 평면 구동을 위해서 마이크로 스테핑 모터가 장착된 광학 스테이지를 사용하였다. 고안된 프로필러를 사용하여 표준 블록게이지의 2차원 3차원 표면 형상 측정을 시도하여보았다. 제작된 표면 형상 측정기의 측정범위는 가로 세로 25mm의 영역에 5µm의 수평분해능 성능과 서브마이크로미터급의 수직분해능의 성능을 갖는다.
