광센서를 이용한 모니터링 시스템

Fig. 3-3 은 본 연구에서 개발한 시스템의 구성은 광학헤드(Optical head), 전자회로 모듈(Electronic module), DAQ(Data Acquisition) 보드로 구성되어 있다.

Fig. 3-3 Schematic diagram of laser welding monitoring system

신호 획득을 위한 광학헤드(Optical head) 모듈은 자외선(150~550nm), 적외선(700~1800nm), 가시광선(200~1100nm) 대역을 획득할 수 있는 포토다이오드(Photodiode)를 삽입할 수 있도 록 Fig. 3-4에 나타낸 것처럼 일체형으로 구성하였다.

Fig. 3-4 Photo of the optical head and photodiode module

구성된 파장별 포토다이오드의 사양은 Fig.3-5나타냈다.센서의 양극,음극은 TO-5 타입의 패키지에 자리 잡고 있고,포토다이오드의 양극은 입사 광 전력과 파장의 함수 이고,전류를 생산하고 있다.responsivity (λ)는 예상 photo current의 양을 추정하기 위해 responsivity그래프에서 읽을 수 있다.이것은 회로 접지에 포토다이오드의 양극 에서 부하 저항 (RL)를 배치하여 전압으로 변환 할 수 있고,출력 전압은 다음 식(3.1) 과 같이 얻을 수 있다.

_  ×  ×  (3.1)

아래 Fig.3-8나타낸 것처럼 포토다이오드 주파수 대역을 구하기 위해 식(3.2)을 이 용하여 대역폭 fBW 및 상승 시간 응답 tR,다이오드 커패시턴스 CJ,그리고 부하 ​​저항 RL에서 결정된다.

_  __

    _

 (3.2)

Fig.3-8에서 다이오드 음극에서 회로 접지에 바이어스 전압을 배치하면 다이오드 커 패시턴스를 낮출 수 있다.

(a) IR_photodiode

(b) UV_photodiode

(c) VIS_photodiode

Fig. 3-5 Specification of IR, UV and VIS photodiode

레이저 용접 중 발생하는 스패터로 인한 광학계를 보호하기 위해 광학헤드 모듈 앞 단에 윈도우(Windows)를 부착하였고 Fig. 3-6는 집속효율을 높이기 위해 Optisworks 프 로그램으로 광선추적(Ray tracing)을 실시하여 최적의 조건과 광 집속효율을 높이는 시

뮬레이션 결과에 따라 초점거리가 50mm인 Bi-convex 렌즈(Lens)를 사용하였다.

Fig. 3-7는 레이저 용접과정 중 발생하는 스펙트럼 분석을 통해 광학 부품을 설계하 였다. 파장별 신호를 획득하기 위해서 다층 유전체(Dielectric) 코팅으로 95%의 가시광 선을 반사하고 90%이상 적외선 파장을 투과한 Cold Mirror와 가시광선영역에서 90%의 이상의 투과율을 가지며 95%이상 적외선 파장을 반사한 Hot Mirror를 사용하였다. 또 한, 신호의 광량(Quantity of light)을 조절하기 위해서 ND 필터(Neutral Density Filter)를 삽입하였다.

Fig. 3-6 Optical ray tracing simulation

Fig. 3-7 Diagram of the optical head module

레이저 용접을 하면서 각각의 파장대역별 센서에서 획득된 신호들은 내․외부 환경 에 따라 막대한 영향을 끼치므로 잡음(noise)을 제거하기 위해 광학모듈과 접지하였고, Fig. 3-8은 플라즈마 신호를 증폭함에 있어서 나타나는 60Hz 전원 잡음제거를 위하여 노이즈 필터(Noise filter)를 사용하였다. 노이즈 필터 설계는 역방향 바이어스의 응용으 로 크게 반응 속도와 디바이스의 선형을 개선할 수 있다. 사용하는 영역 폭을 증가하 며, 결과적으로 접합 저항 용량에 감소하게 한다. 그래서 신호가 들어오지 않는 경우에 는 노이즈가 증가하는 현상을 나타난다.

Fig. 3-8 Recommend circuit diagram

Fig. 3-9와 Fig. 3-10는 전자회로 모듈 시스템을 나타냈다. 3개의 가변저항 IR, UV, VIS 신호들을 조절할 수 있도록 하였으며, 증폭된 신호는 1차 LC 필터회로(Inductor Capacitor filter Circuit)로 처리하여 신호 변환장치인 DAQ(Data acquisition)보드(Board)를 사용하였다.

Fig. 3-11의 통합회로는 mmA단위의 신호를 증폭하기 때문에 잡음들도 같이 증폭되 어 신호에 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서 이런 잡음을 제거하기 위한 필터를 구성하였 으며 포토다이오드의 전류신호를 전압으로 변환 증폭하기 위한 증폭회로를 구성 하였 다. 필터는 여과기라는 의미로서 입력신호 중에서 특정의 주파수대역을 통과시키고 나 머지 주파수대역의 신호를 감쇄시켜 제거하는 역할을 하는 회로이다. 노이즈나 불필요 한 성분을 접지로 유도하거나 신호라인을 따라 침입하는 노이즈 제거에 사용되는 필터 는 신호라인용 필터라고 부른다. 컨덴서 단품으로도 저주파성분을 감쇄시키고, 인덕터

단품으로도 고주파 성분을 감쇄시킬 수 있다. 그러나 인덕터와 컨덴서를 조합함으로서 어떤 주파수(컷오프)에서 급격하게 감쇄특성이 있는 필터를 만들 수 있다. 이것을 LC(Inductor capacitor)필터라고 한다. 높은 각도의 센서는 시편의 표면위의 플라즈마의 광강도를 검출하고 낮은 각도의 광센서는 키홀 내부 및 시편 표면위의 플라즈마의 강 도를 함께 검출하게 된다.

Fig. 3-9 Diagram of photodiode amplification circuit

Fig. 3-10 Diagram of electronic module amplification circuit

Fig. 3-11 Integrated monitoring system

Fig. 3-12에 나타낸 DAQ보드 분해능은 16 bit이고, 샘플링 속도는 초당 10,000개의 데이터를 받도록 설정하여 분석 하였다.

Fig. 3-13은 광학헤드 모듈에서 획득된 신호를 전자회로 모듈로 처리된 1차 증폭된 신호를 DAQ 보드로 받아들여 PC와 인터페이스 프로그램을 운영하여 결과를 나타내는 프로그램이다.

레이저 용접 신호를 평가하기 위해서 본 연구에서는 National Instrument사의 Labview 라는 프로그래밍 소프트웨어를 사용하였다. Labview는 문자대신 여러 개의 VI(Virtual Instrument)를 사용하여 보다 쉽게 사용자가 원하는 프로그램을 개발할 수 있는 환경을 제공하는 소프트웨어로 Front panel과 block diagram의 두 부분으로 구성되어 있다.

Front panel 에서는 Tool palette과 control palette을 이용하여 결과 표시부를 구성하고 block diagram에서는 Function palette과 Sub VI를 이용하여 프로그램을 구성하였다. 프 로그램을 이용하여 2차 전처리를 위해 디지털 필터, 주파수영역(FFT)분석, 웨이블릿 변 환 등 실시간으로 데이터 처리 및 저장하는 기능을 가지고 있다.

Fig. 3-12 Photo of high speed multifunction data acquisition

Fig. 3-13 Laser welding monitoring analysis interface program in computer