KR101955440B1 - 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잔류응력 측정 시스템에 관한 것으로, 시험편에 직접 접촉되어 초음파에 의해 시험편에 투과/반사되는 초음파의 시간값을 측정하는 초음파탐촉자를 갖는 휴대가 가능한 탐상기와; 상기 초음파탐촉자의 시간값을 증폭하는 전송하는 초음파증폭기와; 잔류응력 계산식을 갖는 마이크로프로세서를 통해 상기 초음파증폭기로부터 수신 받은 시간값을 계산하여 시험편의 잔류응력값을 산출하여 디스플레이하는 단말기를 포함하고, 상기 탐상기는 상기 시험편에 하면이 접촉되며, 일 부분에 상기 초음파탐촉자가 착탈 가능하게 구비되는 하부 가로바와, 상기 하부 가로바의 상부에 이격되어 손잡이 역할을 수행하는 상부가로바와, 상기 상부 가로바 및 하부 가로바의 일단을 수직으로 이어 지지하는 수직 지지바가 일체로 이루어진 지그몸체와; 상기 하부 가로바에 착탈 가능하게 구비되어 상기 시험편에 초음파를 총출/수신하여 시간값을 측정하는 초음파탐촉자와; 상기 초음파증폭기에 직결되어 상기 단말기로 상기 초음파증폭기의 시간값을 단말기로 전송할 수 있도록 유선 연결하는 커넥터를 포함하는 구성을 통해 기존에 오실로스코프를 통하여 진동자를 얻는 것이 아닌 노트북, 테블릿PC 등과 같은 이동식 모바일 기기 등의 단말기를 통해 현장에서 신속하게 진동자에서 발생하는 특정신호를 확인할 수 있는 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치에 관한 것이다.

Description

초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치{Dynamic modulus and residual stress measurement test evaluation device using ultrasonic sound velocity difference}

본 발명은 잔류응력 측정 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존에 오실로스코프를 통하여 진동자를 얻는 것이 아닌 설치식 혹은 휴대 가능한 이동식 단말기를 통해 현장에서 신속하게 진동자를 확인할 수 있는 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치 에 관한 것이다.

일반적으로, 초음파는 가청주파수범위(20 - 20000Hz)를 초과하는 주파수 형태의 음파를 말한다. 음파와 초음파의 가장 큰 차이점의 하나가 초음파는 금속과 같은 물체속을 진행할 때 등대의 불빛과 같이 지향성이 있으면 확실한 음의 다발이 되어 직진성을 가지면서 공간과 물체의 경계면에서 반사하는 성질을 갖는다. 초음파는 전자적 복사의 형태가 아닌 기계적 진동의 형태이므로 서로 다른 재질에서 다른 파장을 갖는다.

이러한, 초음파 잔류응력 측정과 검사 원리는 초음파를 이용한 잔류응력 측정은 기계적 응력에 대한 초음파 측정원리는 음향탄성 효과를 기반으로 하며, 이 현상에 따르면 금속이나 단단한 물체에 대한 초음파의 전파 속도는 주로 기계적인 응력에 의존한다고 알려져 있다.

따라서, 초음파 잔류응력 측정시 (재료 고유의 성질이 알려진 소재의 경우), 잔류 응력 측정은 종파 및 전단 (또는 직교 방향으로) 편광된 초음파의 전파 속도를 측정하여 잔류응력 검사를 수행한다.

재료의 특성은 2차 및 3차 수식의 탄성계수로 정의되는 비례 계수에 의해 반영된다.

이러한 탄성계수는 측정대상인 시험편의 1축 또는 2축 하중 (압축 또는 장력)에 의해 실험에 의해 계산되고 결정된다

기존에는 오실로스코프를 활용하여 Peak을 얻고 그 Peak을 식에 대입하여 초음파 음향속도를 구해 잔류응력을 측정하는데 이용하였으나 본 특허에서는 이를 사용하지 않고 Lame와 Murnaghan이 정립한 2차, 3차 탄성계수 관련 수식을 7가지 알고리즘으로 정립한 후 전용 프로그램을 통해 자동연산 수식 프로그램을 설계하여 잔류응력 측정, 평가 시스템에 적용하였다

일반적으로, 잔류 응력(Residual Stress) 관련 이슈는 금속과 같은 구조재료처럼 항복 응력에 가까운 하중을 고려하는 엔지니어들 입장에서는 점점 더 중요한 고려 요소가 되어가고 있다.

특히 엔지니어 입장에서 바람직하지 않은 재료 내에 발생하는 “잔류응력”은 앞서 가해진 stress에 또 다시 가해진 stress가 가중되어 금속소재 부품이 사용된 항공기, 발전기기 터빈, 수송용기기, 교량, 플랜드 구조물 등에 증대한 사고를 일으킬 수 있는 위험요소를 발생시킬 수도 있다.

재료 및 구조 부품에 대한 엔지니어링적 특성중에서도 특히, "피로 수명, 왜곡, 치수 안정성, 내부식성 및 취성 파괴"는 "잔류 응력"에 크게 영향을 받는다.

이러한 효과는 대개 부품, 장비 및 구조물의 수리 및 복원에 상당한 비용을 초래하게 한다. 이런 산업현장의 에로사항을 해결하기 위해 요소 부품, 장비, 구조물의 수명, 안전과 관련된 "잔류 응력 해석"은 부품 및 구조 요소의 설계 및 실제 사용 조건에서의 신뢰성 평가에 필수적이다. 이러하듯 잔류 응력은 산업현장에서 생산된 많은 구조물과 관련 부품에서 많이 발생하는데 이때 신뢰할 수 있는 결과값를 얻기 위해 여러 유형의 부품소재 및 구조물에 대해 편리하고 접근이 쉬운 여러 가지 잔류 응력을 측정 방법을 사용한다.

그 중에서도 일반적으로 잔류 응력 측정 방법은 절단법(Sectioning)과 홀-드릴링(Hole-Drilling)과 같은, 파괴적인 방법과 X-선 회절법(X-ray Diffraction), 중성자 회절법(Neutron Diffraction), 바크하우젠법(BN), 음향속도 차이를 이용한 초음파(Ultrasonic) 측정법과 같은 비파괴적인 방법으로 분류하는데 이때 잔류 응력 측정 접근은 용도와 사용 가능성에 따라 달라진다

그 중에서도 본 특허는 초음파의 특성을 이용한 비파괴적 잔류응력 측정방법에 관한 것이다

초음파를 이용한 시험편에 대한 탐상검사 기법을 원리에 따라 나누면 펄스 반사법, 투과법, 공진법으로 구별할 수가 있는데, 이중 상기 펄스 반사법은 시험편의 표면으로부터 지속시간이 극히 짧은 펄스를 내부로 전달하여 시험체중의 결함에 의해 반사되는 에코(echo)를 측정하여 그 크기와 시간을 측정해 거리를 추정하는 방법인데 이를 2차, 3차 탄성계수 관련 수식을 논리적으로 구현한 알고리즘을 이용하여 설계한 지원 소프트웨어를 통해 잔류응력 측정결과값을 획득할 수 있게 하였다.

금번 특허는 "Ultrasonic 탄성파 이론"에 기초하여 초음파 L_CR파 시험 원리를 적용하여 개발하였다. 또 이를 이용해 잔류 응력 측정평가 시스템을 구축하였다. 또한, 잔류응력 측정 정밀도를 높이기 위해 Lame와 Murnaghan이 정립한 2차, 3차 탄성계수 특성을 이용한 7가지 응력 계수 보정 알고리즘을 적용하였다.

또한 초음파 L_CR파를 이용하여 초음파 측정방법 별 잔류응력 측정 방법을 개발하였다.

한편, 초음파 L_CR파를 이용한 측정방식은 고해상도, 높은 침투력과 비파괴성, 인체에 해가 되지 않는 특성을 가지고 있으며 잔류 응력 측정, 평가 기술 중 가장 신뢰성 있는 테크닉이다.

이러한, L_CR파 에서 종파는 주로 응력 방향을 따라 진행된다. 일반적으로 "파속"이 느린 물질로부터 파속이 더 빠른 매체까지 종파가 전파될 때, 스넬의 법칙에 따르면, 종파는 굴절각을 90^o로 만드는 입사각이다.

즉, 굴절각이 90°로 임계 굴절된 파를 L_CR파(종파)라고 하며, 초음파 신호 픽업을 위해서 송신기와 수신 변환기 사이의 거리는 고정 후 음파의 소리에 대한 시간의 변화를 계산한 후 소리의 속도 변화를 반영하여 음탄성 수식을 적용한 알고리즘을 개발하였다.

여기서, 수식(1)는, (잔류)응력의 변화와 소리 전파 시간의 변화 사이를 계산할 때 사용한 관계식이다

이때, K는 측정된 구성 요소의 응력 계수이고, 단위는 MPa/ns이다.

Δt는 응력 조건하에서의 시간 변화이다. L은 송신 및 수신 변환기 사이의 거리이고, 0 V는 제로 응력 조건에서의 종파 속도이다.

[수식(1)]

이들의 신호를 탐지하기 위한 탐상장치로는 탐촉자(probe)가 제안되는 것으로, 초음파를 발생하고 수신하는데 수정체와 같이 쿼르츠나 PZT와 같은 압전소자가 쓰이며 이를 얇은 금속판으로 가공한 전극을 부착해 진동자(tranducer)를 만들어 초음파를 발생시키는데 이러한 진동자를 케이스에 넣은 것을 탐촉자라고 한다.

이와 같이, 다양한 잔류응력 측정기술 중 용접 후 그 부위에 현장에서 존재하는 잔류 응력을 측정하기 위하여 측정 대상체에 전혀 손상을 미치지 않고 정확하고 신속하게 잔류응력을 측정할 수 있는 방법 중 하나가 초음파를 이용한 측정방법이라 할 수 있다.

따라서, 특허문헌 1, 2과 같이, 일반적인 소재의 표면보다 열처리, 용접재료와 같은 금속 재료 내부에서 발생하는 잔류 응력을 측정하는 방법으로서 Ultrasonic Pulse-echo 기법 적용한 잔류응력 측정방법을 제안하고자 한다.

특히, Residual Stress 분석에 있어 재료 내부의 초음파 속도는 재료 내의 응력의 존재에 민감하며 이 원리은 광탄성과 유사하며, 특히 재료의 응력 분포 분석에도 사용 가능하며, 앞서 “Elion”과 “Benson and Raelson”이라는 연구자들은 "음탄성"이라는 이론을 정립하였다.

한편, 음탄성 이론은 초음파를 이용한 잔류응력 검사에서의 중요한 기초 중 하나로, "음탄성" 이론은 탄성체 응력 상태와 거시 탄성파 속도 사이의 관계를 연구하기 위한 연속체 역학에서의 유한 변형을 기본이론으로 적용하여 개발하였다.

특히, 음탄성(Sonoelasticity)"는 광탄성이 편광된 횡파와 유사하게 초음파 전단(횡)응력파를 설명하는 이론으로 사용하였다

그리고 음탄성과 관련한 4가지 기본 가정을 기초로, 초기 좌표하의 응력 매체에서의 탄성파 수식 (Acoustoelasticity equation)을 사용하였다.

여기서 δ_IK는 크로네커 델타 함수이고, ρ_I 는 하중 조건에서의 고체의 밀도, μ_I는 동적 변위, X_j는 입자 위치 벡터, C_IJKL은 재료 상수 및 초기 변위 필드에 의존하는 등가 강성이며, t iJL은 고체 하중 상태에서 초기 좌표로 표시된 Cauchy 응력이다.

균질 변형의 경우에 고체는 등방성이다.

그리고, 초음파 전달 속도와 고체에 대한 응력의 방정식은 응력 방향을 따라 전파하는 종파에 대해 데카르트 좌표계를 적용하였다.

(수식.2)

수식.(2)에서, λ와 μ는 Lame 탄성 상수이다. l, m, n은 Murnaghan 탄성 상수이다.

ρ⁰는 변형 전의 고형물의 밀도이다. σ는 한 방향으로 작용하는 응력이다. 이때, V는 종파의 속도이다. 즉, 잔류응력은 탄성 계수에서 허용값을 계산하고 남은 변형률로부터 계산한다.

그러나, 도 1에 도시된 바, 실험실 등 고정된 장소에 셋팅된 종파.횡파(;세로파/전단파 (Longitudlinal Wave/ Shear Wave) 초음파탐촉자(Ultrasonic transducer), 컴퓨터(PC), 오실로스코프(Oscilloscopes)로 주요 요소가 구성되는데, 이는 각각의 시험편의 특징에 맞는 초음파 펄서/리시버(Ultrasonic Pulser/Receiver) 탐촉자를 준비해야 하여, 이를 셋팅하고 시험평가를 위한 준비 작업 수행을 위해 시험,측정 시간이 지연되는 문제점이 있다.

Yuriy KUDRYAVTSEV, Jacob KLEIMAN, 2016, " Ultrasonic Measurement of Residual Stresses in Welded Elements and Structures", 19th World Conference on Non-Destructive Testing., pp. 1~10 D. I. Crecraft*,1965, "Ultrasonic measurement of stresses"Ultrasonics for Industry .1967 conference paper.1."

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 기존에 사용되는 오실로스코프를 대신하여 2차, 3차 탄성계수 계산수식을 이용한 전용 알고리즘과 전용 설계 보드를 이용한 집적 시스템으로 어디서나 휴대와 이동이 가능한 단말기를 대신하고, 초음파탐촉자를 갖는 이동식 탐상기를 구성하여 기존에 오실로스코프를 통하여 결함과 잔류응력에 대한 특성신호를 판단하는 것이 아닌 이동식 단말기를 통해 현장에서 신속하게 탐촉자의 신호를 확인할 수 있는 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치를 개발 및 제공하는데 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 시험편에 직접 접촉되어 초음파에 의해 시험편에 투과/반사되는 초음파의 시간값을 측정하는 초음파 송수신 탐촉자와, 상기 초음파탐촉자의 시간값을 증폭하여 탐촉신호를 전송하는 초음파증폭기를 탑재하는 이동이 가능한 초음파탐상기와; 잔류응력 계산식을 연산하는 마이크로프로세서를 통해 상기 초음파증폭기로부터 수신 받은 시간값을 계산하여 시험편의 잔류응력값을 산출하여 디스플레이하는 이동식 단말기를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치를 제공한다.

여기서, 상기 탐상기는 상기 시험편에 하면이 접촉되며, 일 부분에 상기 초음파탐촉자가 착탈 가능하게 구비되는 하부 가로바와, 상기 하부 가로바의 상부에 이격되어 손잡이 역할을 수행하는 상부 가로바와, 상기 상부 가로바 및 하부 가로바의 일단을 수직으로 이어 지지하는 수직 지지바가 일체로 이루어진 지그몸체와; 상기 하부 가로바에 착탈 가능하게 구비되어 상기 시험편에 초음파를 총출/수신하여 시간값을 측정하는 초음파탐촉자와; 상기 수직 지지바의 어느 한부분에 내장되어 상기 초음파탐촉자에 의해 측정된 시간값을 증폭시키는 초음파증폭기와; 상기 초음파증폭기에 직결되어 상기 단말기로 상기 초음파증폭기의 시간값을 단말기로 전송할 수 있도록 유선 연결하는 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 초음파탐촉자는 상기 시험편에 대해 초음파를 송출하는 트랜스듀서와; 상기 시험편을 통해 반사된 초음파를 수신하는 리시버로 분할 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 지그몸체의 어느 한 분에는 상기 초음파탐촉자와 시험편의 사이에 자동으로 매질을 공급할 수 있는 매질공급수단이 일체로 구비되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 상부가로바에는 상기 매질공급수단을 통해 공급된 매질과 함께 상기 초음파탐촉자를 시험편에 밀착시킬 수 있도록 상기 초음파탐촉자를 가압하는 가압구를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

마지막으로, 상기 하부 가로바의 하부에는 시험편과 탐촉자 사이에 존재하는 공간과 유격을 밀착시키기 위해 상기 시험편에 형성된 용접부의 불균일한 시험편 표면 형상과의 틈새를 보정하기 위해 간극을 조정하는 매개체를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 기존에 오실로스코프를 통하여 진동자를 얻는 것이 아닌 노트북, 휴대용 모바일기기 등의 이동식 단말기를 통해 현장에서 신속하게 탐촉 신호를 확인할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 기존 잔류응력 측정 시스템을 적용한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용해 잔류응력 측정 시험평가 시스템을 나타내는 기본 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용한 잔류응력 측정 시험평가 장치에서 탐상기의 제1실시예를 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치에서 탐상기의 제2실시예를 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치에서 탐상기의 제3실시예를 나타내는 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 측정대상 표면에서 발생하는 표면파를 이용한 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치에서 탐상기의 제4실시예를 나타내는 구성도.
도 7은 본 발명에 따른 초음파 투과파를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치에서 탐상기의 제5실시예를 나타내는 구성도.
도 8은 본 발명에 따른 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용한 잔류응력 측정 시험평가 장치에서 탐상기의 제6실시예를 나타내는 구성도.
도 9는 본 발명에 따른 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치에서 탐상기의 제7실시예를 나타내는 구성도.
도 10은 본 발명에 따른 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용한 이동식 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치에서 탐상기의 일부 구성도.
도 11은 본 발명에 따른 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치를 포함하여 잔류응력을 측정하는 예시도.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 일반적인 상용 오실로스코프가 아닌 PXI/PCI 보드와 Seesharp Software로 정립한 수식 계산 알고리즘을 초음파 잔류응력 계산 구현을 위해 프로그래밍화 된 전용SW가 탑재된 전용측정PC를 활용하여 측정하고자 하는 시험편의 잔류응력과 관련된 Peak의 위치를 정확히 알아내고 전용 측정장비에서 바로 자동으로 선정된 초음파 잔류응력 Peak의 값이 대입되어 “Residual stress”값이 계산되어 화면정보표시부에 그 결과값을 표시된다

위의 수식을 이용한 알고리즘으로 설계한 전용 SW로 측정대상에 대한 두께를 구한 후 위의 정립한 알고리즘을 통해 설계한 전용SW를 측정 프로세스를 제어하고 측정 및 기타 Data를 저장하고 시험편 내의 잔류 응력을 계산하여 화면정보표시부에 표시한다.

또한 이 전용 SW를 사용하여 전용 PC와 손쉽게 연결 가능.

본 발명을 통해 개발한 잔류응력 측정장치(UltraWave-RS.M) 장치는 고압관, 자동차 구동축, 자동차 쉘 용접 조인트, 항공기 터빈 디스크, 항공기 엔진 블레이드, 알루미늄 합금 판, 고속철로 선로, 코팅층이 있는 부품, Glass, 도자기, 회로 기판, 기어 이빨 루트, 베어링, 얇은 파이프 또는 튜브, 섬유 복합 재료 등 소재부품 및 구조물의 응력을 평가하는 데 사용할 수 있다.

본 발명의 초음파 Pulse-echo 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치는 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 건설 또는 자재 현장에 제작되거나 보관되어 있는 금속자재(이하, '시험편'이라 함.)에 직접 접촉과 함께 초음파를 송출/수신하여 시험편(100)에 반사되는 초음파의 시간차(이하, '시간값'이라 함.)를 측정하는 탐상기(200)와, 이 탐상기(200)의 시간값을 받아 시험편(100)의 초음파 잔류응력을 측정하여 단말기(300)에 디스플레이함으로써 작업자가 현장에서 시험편의 사용 여부를 신속하게 확인할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.

상기한, 초음파 잔류응력측정은 초음파 음향속도를 이용한 탄성계수 측정하는 것으로, 초음파 펄스 에코법을 이용한 방법 중 하나로 재료의 탄성 계수를 측정하는 방법으로 활용되며, 이는 초음파가 전파되는 속도

,

로 부터 계산 된다.

여기서,

(longitudinal wave velocity)이며,

횡파속도 (Transverse wave velocity)이다. 초음파의 속도는 초음파 탐촉자(Ultrasonic transducer)에서 발생된 초음파가 시편을 왕복한 시간(

,

)을 o-silloscope에서 측정한 후에 왕복거리를 왕복시간으로 나눈 값이다. 기본적인 탄성계수, 전단계수, 푸아송비 등을 구하는 관계식은 아래와 같다.

(1)

(2)

식 (1), (2) 로 구해진 속도를 이용하여 식 (3)에 대입하여

(3)

푸아송비(υ)를 구한 후 횡파(t)와 재료의 밀도(ρ)를 이용하여 전단탄성계수(G)를 식 (4)에 의해 구한다.

(4)

(5)

이 전단 탄성계수(G)와 푸아송비(υ)를 식(5)에 대입하여 탄성계수(E)를 구한다.

한편, 잔류 응력 측정 이론으로는 변형 에너지 밀도 및 복원 계수에 관한 것으로, 음향 탄성(Acoustoelasticity)은 파장의 속도가 응력에 의존한다는 점에 있어서 광탄성(Photoelasticity)과 유사하나 음파의 특성상 분극 방향이 세 방향이므로 광탄성보다 복잡하다.

Murnaghan은 응력이 없는 상태에서는 탄성적으로 등방적인 고체가 응력을 받게 되면 이방적인 특성을 보인다는 것을 밝혔으며, Hughes와 Kelly는 Murnaghan의 finite strain formulation을 사용하여 응력을 받았을 때의 응력에 따라 변하는 초음파 속도를 나타내는 7가지의 식을 다음과 같이 유도하였다.

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

여기에서

는 밀도이고 V는 초음파속도,

는 2차탄성계수인 Lame상수이고, l, m, n은 Murnag-han이 정의한 3차 탄성계수이다.

P는 hydrostatic pressure를 나타내고 T는 일축 인장력이며

체적상수인 1/3(3+2

)이다.

첫 번째 subscript l은 종파를 s는 횡파를, 두 번째 subscript인 p는hydrostatic pressure를 나타내고 x, y, z 각 방향으로의 일축 인장력을 나타낸다.

식 (1) 내지 (7)로부터 일축응력 또는 hydrostatic압력이 걸려 있을 때 초음파 속도와 응력과의 관계이다.

여기에서 식(6)과 식(7)에서 응력이 없는 상태에서는

=

가 되어 두 파장의 속도가 같다.

그림 1 및 2에 의해 응력이 존재할 경우에는 birefringence 효과에 의하여 두 파장의 속도가 달라지게 된다는 것을 알 수 있다.

[그림 1] 초음파 잔류응력측정 신호처리 블록 Diagram

[그림 2] 초음파 신호처리 시스템 내장형 H/W 스펙

따라서, 다양한 산업용 어플리케이션의 요구를 충족시키기 위해 다양한 음향 특성을 가진 다양한 트랜스듀서를 지원 가능하여 초음파 게이지는 광대역의 잘 감쇠된 압전 변환기를 사용하여 500KHz에서 20MHz 사이의 주파수에서 작동할 수 있다

이는 직접 접촉 트랜스듀서를 포함하는 일반적인 측정의 경우, 제로 오프셋 기능은 트랜스듀서의 웨어 플레이트(=마모판)와 커플런트 층을 통한 "사운드 펄스"의 통과 시간과 전자 스위칭 시간을 포함한 케이블에 의한 신호전달 지연 시간까지 보상하고, 계측기 교정 절차의 일부로 설정되며 최고 정확도 및 선형성을 위해 "Zero Off-Set"기능을 지원한다

우선, 도 2에 의하면, 상기 탐상기(200)는 시험편(100)에 직접 접촉되어 초음파에 의해 시험편(100)에 투과/반사되는 초음파의 시간값을 측정하는 초음파탐촉자(220)를 갖는다.

이때, 상기 초음파탐촉자(220)의 시간값을 증폭하는 전송하는 초음파증폭기(230)를 갖는 이동이 가능하게 구성되는 것이 바람직하다.

상기 초음파탐촉자(220)의 측정기술은 영점 교차 기술 단일 소자 IP - 1차 에코 / 단일 소자 다중 에코 / 이중 소자IP(1차 에코 / 이중 소자 다중 에코를 사용한 모든 측정)를 통해 측정하는 것으로 측정표시모드에 경우 온도 보정, 두께, 및 대형 A 스캔, B 스캔 방식이 있으며, 측정범위는 0.40mm~650mm(0.010"~25.00"), 철강으로 표준 작동 시, 프로브, 재료 및 표면에 따른다.

그리고, 물질 속도 범위는 250~16,000m/s(0.0098"~0.6299"/s)으로 단위를 mm 또는 inch 로 적용할 수 있다.

또한, 수신기(Receiver)는 110dB 다이내믹 레인지를 통해 자동 게인 제어가 가능하고, 높음/낮음 및 자동 게인 제한할 수 있다.

초음파증폭기(Pulser)는 구형파, 펄스 너비 및 전압(120V 또는 250V)이 Probe와 자동 일치가 가능하고, Data Recorder는 파일당 100,000개 판독값, 여러 파일을 SD카드 등 이동식 저장장치에 저장할 수 있으며, Calibration는 1-Point, 2-Point 및 자동 또는 수동으로 On Block 및 OFF Block 영점으로 맞추어 자동 V-경로 보정할 수 있다.

그리고, Display(화면정보표시부)의 해상도는 0.01mm or 0.1mm(0.001" or 0.01")선택 가능하다.

한편, 초음파탐촉자()는 초음파를 발생하고 수신하는데 쓰이는

소재로는 수정체와 같이 얇은 가공금속에 전극을 부착하여 진동자(tranducer)를 만들어 초음파를 발생시키는데 이러한 진동자를 Case에 넣은 것을 탐촉자라고 하는데. 탐촉자의 표시방법은 순서대로 아래와 같다.

1. 탐상기는 탐촉자의 펄스를 발생시키는 송신부와 신호를 받는 수신부.

2. 수신 받은 파장을 도형으로 표시하기 위한 동기제어부, 시간축부, 화면 정보표시 모니터부.

3. 화면 조정 어떠한 파형이 존재할 때, 화면 자체를 옮기는 위치조정,

4. 수신된 값의 증감을 위한 감도스위치, 간격을 조정하여 거리와 기준을 맞추는 조정 스위치.

이때, 전용Cable (사양: 50W BNC) 노이즈 발생이 최소가 되도록 초음파 잔류응력 측정기 케이블은 BNC타입 동축케이블 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 접촉매질은 탐촉자를 시료에 접촉시킬 때 신호를 측정대상 내부로 전달이 잘 전달시키기 위해. 그리이스, 글리세린, 전분풀이나 합성풀로 만든 페이스트 형태를 사용한다.

즉, 상기 접촉매질(커플런트)은 프로필렌 글리콜과 글리세린은 일반적으로 사용되며 대부분의 응용 분야에 적합한 것으로, 매우 두껍거나 감쇠하는 재료와 같이 음향 에너지의 최대 전달이 필요한 곳에서는 글리세린을 사용하는 것이 매우 적절하다.

이는 상온에서 측정하기 위한 다른 적합한 커플화제는 물, 다양한 오일 및 그리스, 겔 및 실리콘 유체를 포함 할 수 있다.

한편, 표준시험편은 실험결과의 재현성을 위해 기본 측정용 시험편으로 신뢰성 있는 초음파 잔류응력 분석 위해 표준 테스트 블록을 제공하는 것이 바람직하다.

그리고, 주파수의 파장이 짧을수록 결함에 의해 산란 반사되기가 쉬우므로, 해결책으로는 주파수가 높은 탐촉자를 사용하여 직진성을 더 강하게 하여 검출성능을 높임 가능하다.

정보표시 Display로써, A - SCAN은 X 축에 선형시간 축 Y축에 초음파 신호 진폭 표시하고, B - SCAN은 결함의 뚜렷한 크기 및 위치가 주사선 표면에 수직한 단면평면에 표시된다.

[그림 3]

그리고, 상기 단말기(300)는 잔류응력 계산식을 갖는 마이크로프로세서를 통해 상기 초음파증폭기(230)로부터 수신 받은 시간값을 계산하여 시험편(100)의 잔류응력값을 산출하여 디스플레이 할 수 있다.

한편, 상기 탐상기(200)는 측정하고자 하는 측정대상에 안정적인 신호 발생과 이득을 위해 일정한 접촉압력을 부가할 수 있게끔 상기 시험편(100)에 하면이 접촉되며, 일 부분에 상기 초음파탐촉자(220)가 착탈 가능하게 구비되는 하부 가로바(211)와, 상기 하부가로바(211)의 상부에 이격되어 손잡이 역할을 수행하는 상부 가로바(213)와, 상기 상부 가로바(213) 및 하부 가로바(211)의 일단을 수직으로 이어 지지하는 수직지지바(215)가 일체로 이루어진 지그몸체(210)를 갖는다.

이때, 상기 하부 가로바(211)에 상기 시험편(100)에 초음파를 총출/수신하여 시간값을 측정하는 초음파탐촉자(220)가 착탈 가능하게 장착된다.

또한, 상기 초음파증폭기(230)에 직결되어 상기 단말기(300)로 상기 초음파증폭기(230)의 시간값을 단말기로 전송할 수 있도록 유선 연결하는 커넥터(240)를 포함한다.

그리고, 상기 초음파탐촉자(220)는 상기 시험편(100)에 대해 초음파를 송출하는 트랜스듀서(221)와; 상기 시험편(100)을 통해 반사된 초음파를 수신하는 리시버(223)로 분할 구성될 수 있다.

한편, 초음파 두께측정 원리는 정밀 초음파 두께 게이지는 광대역의 잘 감쇠된 압전 변환기를 사용하여 500KHz에서 20MHz 사이의 주파수에서 작동하여 전기 펄스로 인해 여기된 파가 음파를 생성하고 수신 모드에서 음파를 전기 펄스로 다시 변환하는 원리를 갖는다.

이는 일반적으로 낮은 주파수는 두껍고 감쇠가 많거나 산란하는 재료를 측정 할 때 침투를 최적화하는데 사용되지만 더 높은 주파수는 더 얇지 않고 감쇠가 없으며 산란하지 않는 재료에서 해상도를 최적화하는 것이 좋다.

따라서, 펄스-에코 초음파 두께 게이지는 트랜스듀서가 재료의 두께를 통과하여 이동하거나 짧은 표면 또는 내부 표면에서 반사하여 돌아오는 짧은 초음파 펄스에 필요한 시간을 정확하게 측정하여 부품 또는 구조의 두께를 결정할 수 있으며, 대부분의 초음파 트랜스듀서는 지원 SW에서 시간 간격이 불과 몇 마이크로 초 또는 그 이하이며, 이때 측정된 왕복 이동 시간은 아래로 이동하는 경로를 고려하여 2로 나눈 다음 테스트 자료의 소리 속도로 곱한다.

그 결과는 아래 관계식을 통해 알 수 있다.

d = Vt / 2

여기서 d = 시험편의 두께

V = 물질 내 음파의 속도

t = 측정된 왕복 교통 시간

이때, 상기 탐상기(200)의 기본 구조와 기능은 다음과 같다.

전기펄스파를 발생시켜 송출하는 송신부 역할을 수행하는 트랜스듀서(221)와, 상기 시험편(100)에 대해 트랜스듀서(221)의 반사된 초음파로 전환하여 음압을 수신하여 탐촉자 역할을 갖는 리시버(223)와, 상기 리시버(223)에 의해 검출된 음압신호에 정압을 증폭시켜 수신부 역할을 수행하는 초음파증폭기(220)로 LCD 화면이나 기타 부속회로로 구성될 수 있다.

상기 초음파증폭기(220)는 다음과 같은 기능을 갖는 부속품을 갖는다.

첫 번째, 측정범위 노브(Range)는 측정범위(검사범위)를 10, 50, 100, 200mm등 계단식으로 조정하는 것으로 시간축 눈금판에 영점과 50 눈금사이에서 볼 수 있게 해주는 조정기로 음속을 눈금으로 나타나게 한 것으로 미세조정 가능을 갖는 ·음속손잡이를 갖는다.

두 번째, 영점조정 노브(Pulse posion, 수평위치 손잡이)는 조정된 측정범위의 간격을 변화시키지 않고 전체를 좌우로 이동시켜 Beam 궤적을 눈금판의 영점에 맞추는 장치이다.

세 번째, 부분확대 노브(Velocity, Delay)는 LCD 화면에 나타난 구간을 시간적으로 이동시키는 것으로 음속 손잡이와 함께 시간축의 일부를 확대 가능하다.

네 번째, 초음파 펄스폭(Pulse energy)손잡이는 진동자의 진동시간과 진동자에 가한 전압을 조정하는 것으로 폭을 넓히면 송신출력은 올라가지만 분해능은 떨어지는 단점이 있다.

다섯 번째, 초음파 Pulse동조 손잡이(노브)는 송신회로를 공진시키는 것으로써 수정 진동자일 때는 송신출력을 높인다.

여섯 번째, 초음파 게인(Gain)조정 손잡이에 경우 게인은 증폭부의 증폭도를 올리는 역할로, 일종의 감도(Sensitivity) 조절 기능을 하는 것으로써 교정된 감쇠기와 보조 손잡이를 포함한다.

여기서, 감쇠기는 Attenuator라고도 불러 Switch식으로 1단계에 1∼2dB로 눈금이 교정한다.

일곱 번째, 게인보조 손잡이(미세조정 손잡이)는 dB의 중간치의 조정을 위해 사용된다.

여덜 번째, 주파수 손잡이는 탐촉자의 주파수를 맞춘다.

아홉 전째, 단일 및 이중탐촉자 선택스위치는 제1탐촉자 방법일 때는 스위치를 단일측에 분할형이나 제2탐촉자 방법일 때는 2중 탐촉자에 놓는다.

한편, 송신부 역할을 수행하는 트랜스듀서는 약 1000V이상의 높은 전압의 펄스를 발생하는 것으로 전기펄스는 탐촉자 속의 진동자에 가해져 초음파를 발생하고, 송신펄스의 에너지를 제어하는 펄스폭(Pulse energy)조정손잡이와 시험주파수에 대하여 효율성을 갖는 탐촉자에 전기에너지를 공급하는 Coil과 Condenser(펄스동조)가 부속될 수 있다.

그리고, 수신부 역할을 수행하는 초음파증폭기(220)는 수신음압의 증폭부와 감도를 제어하는 감도조정과 감쇠기로서 구성된 것으로, Rejection filter는 Rejection의 임상에코(잡음에코) 등을 구별하는 것(증폭의 직진성이 없어짐)이고, Filter는 파형을 평활 하는 목적으로서 에코 등의 톱니바퀴형이 Smooth 하게 되어 동일종의 실험재를 다량 검사할 때 사용한다.

이때, 추입은 송신펄스 직후에 수신부의 감도가 저하되는 것이고, 불감대는 송신펄스의 폭 때문에 결함에코를 측정하지 못하는 거리의 범위이다.

한편, 상기 초음파증폭기(220)의 화면모니터는 수직축과 수평축으로 나눔 어진 것으로, 수직축에는 수신부로부터의 Echo를, 수평축에는 Sweep 전압을 가하며, 가한 전압에 따라 Spot는 편향 가능하게 한다.

이때, 수직축(세로축) 은 증폭축으로 결함의 크기를 대략적으로 알 수 있고, 수평축(가로축) 은 시간, 거리축으로 결함까지의 거리, 결함위치를 알 수 있다.

따라서, 시간축부 및 동기부에 대해 시간축부는 Spot를 수평에서 등속도로 움직이기 위한 전압을 만드는 것으로 Spot를 움직이는 속도(Sweep속도)를 변화시켜 철강중에 약 30mm∼5 또는 10m까지의 에코를 눈금판에 넣어 보기쉽게 조정 가능하고, 시간축부를 조정하는 손잡이에는 측정범위, 음속 및 소인지연(Sweep delay)으로 구성된다.

측정범위 손잡이에 경우 시간축의 전압의 삼각파의 경사를 변화시키는 것(거친조정에 사용)으로 음속 손잡이는 음속범위 2,000∼6,500m/s까지를 교정(미세 조정에 사용)하고, 시험편의 음속을 길이 또는 두께로부터 측정하고 한 눈금이 몇 mm인가를 탐상시 교정할 수 있다.

소인지연는 시간축의 삼각파 발생시간을 동기신호보다 다소 늦은 것으로서 부분 확대라 하며 브라운관상에 결함에코 부근만을 표시한다든가 사각탐상시의 Beam의 궤적의 원점과 눈금판의 영점을 맞출 때 에 사용한다.

한편, 동기부는 송신, 시간축 및 게이트(Gate)등이 시간적으로 정확히 발생하도록 제어하는 부분으로 펄스의 반복주파수(1초 간의 송신펄스의 발생 횟수)이다.

즉, 반복 주파수가 많을 때에는 모니터의 echo 밝기가 밝고 자동탐상 속도도 빠르며, 잔류-에코(Gost echo)의 발생이 쉬워지고, 반복 주파수가 적을 때에는 밝기가 어둡고 자동탐상 속도도 느리나 잔류에코발생이 적어진다

한편, 보조 회로부에 경우 Gate회로는 화면정보 표시부에 시간축을 계단식으로 나타낸 것이고, 송신펄스, 결함에코, 지연에코 및 기타 불분명한 에코에 의한 지시등이 탐상시에 나타나는데, 그 중에서 결함에코만을 나타내기 위하여 사용한다.

DAC(Distance Amplitude Compensation: 거리진폭 보상회로)회로는 동일 크기의 결함에 대해 거리에 관계없이 동일한 에코높이를 갖도록 전기적으로 보정한다.

한편, 상기 지그몸체(210)의 어느 한 분에는 상기 초음파탐촉자(220)와 시험편(100)의 사이에 자동으로 매질을 공급할 수 있는 매질공급수단(250)이 일체로 구비될 수 있다.

상기 상부가로바(213)에는 상기 매질공급수단(250)을 통해 공급된 매질과 함께 상기 초음파탐촉자(220)를 시험편(100)에 밀착시킬 수 있도록 상기 초음파탐촉자(220)를 가압하는 가압구(260)를 더 포함할 수 있다.

상기 하부가로바(211)의 하부에는 상기 시험편(100)에 형성된 용접부(110)에 대응되는 대응홈(271)을 갖는 매개체(270)를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 초음파탐촉자(220)에 경우 탐촉자의 진동자(전기⇔초음파로 변환)는 댐퍼(Damper, 송신펄스의 영향을 줄인다)로 구성되어 있다.

이러한 진동자의 재질은, 수정, 세라믹(티탄산지르코산연, 티탄산지르코산연, 티탄산바륨, 비연계 NKN,KNN), 황산리듐 중 어느 하나 또는 하나 이상의 복합적 조합으로 이루어질 수 있다.

쿼츠(Quartz)은 화학적, 전기적 및 열의 안정성이 우수하고 액체에 용해되지 않으며 수명이 길고 단단할 뿐만 아니라 내마모성이 좋으나 발생효율이 적고 진동양식의 간섭을 받으며 낮은 주파수에서 고전압이 요구된다.

세라믹(Ceramic): 티탄지르코산연 (PZT:Pb(Zr,Ti)O3) 계열의 압전소자 뿐만 아니라 마그네슘니오브산연(PMN-PT;lead magnesium niobate-lead titanate). (PZN-PT: lead zinc Niobate-lead titanate), PIN-PT(lead indium niobate-lead titanate), PYN-PT(lead ytterbium niobate-lead titanate)의 단결정 압전소재 혹은, 티탄산바륨(BaTiO3), BNT(BaNiTiO₃), 및 BZT-BCT(barium zirconate titanate- barium calcium titanate) 니오브산리튬(LiNbO3), 비연계열 NKN((Na,K)NbO3), KNN((K,Na)NbO3) 계열 등의 압전소자를 선택, 조합하여 사용할 수 있으며 이들은 가장 좋은 발생효율을 가지고 있고 낮은 전압에서도 작동이 되며 습기에 영향이 없고 300℃까지 사용이 가능하다.

황산리듐(Lithium sulphate)은 수신효율이 가장 좋고 에너지 발생은 중간 정도며 수명이 길고 진동양식의 간섭이 적으나 깨지기 쉽고 수용성이며 165℉(74℃)이하 에서만 사용이 가능하다.

따라서, 환경 및 시험편(100)의 종류에 따라 진동자를 선택사용 하는 것이 바람직하다.

한편, 탐촉자의 성능은 감도 및 분해능으로 구분된다.

감도는 작은 불연속부를 찾아내는 능력을 말하는 것으로, 탐촉자의 감도는 표준 시험편(Reference block)에 인공적인 불연속부로부터 반사되는 양의 진폭으로 측정할 수 있다.

즉, 일정한 깊이에 일정크기의 평저공을 찾아내는 성능의 비율을 말한다.

분해능은 깊이 또는 탐상시간에서 인접한 두 개의 불연속부로부터 반사파를 분리할 수 있는 성능으로 각각의 불연속부에 대해 분리 구별할 수 있는 펄스를 정보표시창 에 만들어 내는 것이다.

다시 말해, 시험편의 표면에 인접한 불연속성으로, 표면 분해능(Surface resolution, 근거리 분해능)을 갖는다.

따라서, 가장 좋은 분해능은 주파수가 높고, 펄스의 폭이 좁고, 적절한 진동의 감폭(Damping)에 의해 얻을 수 있다.

이에 따라, 주파수와 감도, 분해능의 관계를 통해 탐촉자의 주파수가 높으면 음파의 빔의 퍼짐이 적어 감도와 분해능이 커지나 감쇠도 동시에 커지므로 침투력이 약해지고, 낮은 주파수의 탐촉자가 침투력이 깊고, 감쇠가 적으나 빔의 퍼짐이 크고 감도가 저하되는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 초음파탐촉자(220)의 경우 수직탐촉자, 분할형 수직탐촉자, 사각탐촉자로 시험편(100)에 따라 다양하게 적용할 수 있다.

도 3에 도시된 바, 상기 초음파탐촉자(220)는 수직탐촉자로 시험편(100)에 직접 접촉시켜 사용하는 접촉형 탐촉자이며, 시험편(100) 표면이 거칠때 진동자 표면의 마모를 막기 위해 폴리우레탄, 에폭시, 실리콘수지 등의 재질로 된 보호막을 사용하는 것이 바람직하다.

도 6에 도시된 바, 상기 초음파탐촉자(220)는 분할형 수직탐촉자로 진동자를 송신용과 수신용으로 나누어 시험편에 직접 접촉시켜 사용하는 것으로, 시험편 중에서 빔의 교점이 얻어지도록 측정대상부위의 1/2 분할된 중간 위치에 접촉매질을 사용하여 진동자를 접촉부위에 밀착한 후 측정하면 송신 펄스의 영향을 제거할 수 있으며 표면 근처의 결함까지도 검출이 가능하다.

즉, 초점위치에 있는 결함으로부터의 에코높이가 최대가 되므로 그것보다 결함의 위치가 가깝거나 멀면 결함 에코높이는 현저히 저하되는 것을 주의하고, 또 저면에코의 높이를 보통의 수직탐상의 경우와 같이 에코높이를 평가할 때의 기준에 쓸 수가 없다는 것 등에 주의해야 한다.

도 3에 도시된 바, 상기 초음파탐촉자(220)는 사각탐촉자로 초음파가 각을 가지고 입사할 수 있게 만든 탐촉자로 횡파, 종파를 이용함에 따라 쐐기의 각도는 접촉면에 대하여 기계적으로 가공되어 있고 접촉면이 마모되면 입사점, 굴절각 등이 변하기 때문에 탐상전에 측정해 놓을 필요가 있다.

한편, 도 5에 경우 매끄러운 표면을 포함하는 일부 어플리케이션에서는 초음파변환기 또는 마모 플레이트와 테스트 피스 사이에 얇은 순응막( 폴리 우레탄 조각)과 커플링 유체를 대신하여 액체 커플런트 대신에 대체 할 수 있다.

결국, 시험재의 표면으로부터 지속시간이 극히 짧은 펄스를 내부로 전달하여 시험체중의 결함에 의해 반사되는 echo를 측정하여 그 크기와 시간을 측정해 거리를 추정할 수 있는 것으로 시간과 거리는 1:1 대응이므로 시간=거리로 조정이 가능하다.

앞서 제안한 도 3의 실시예는 Dual element Tranducer 이용 “초음파 Pulse-echo“ 잔류응력 측정방법으로 하나의 고감도 Sensor (=Dual element Tranducer)를 이용하여 초음파 Pulse-echo용 신호를 송수신할 수 있다.

한편, 도 7의 (a)에 경우 Angle beam Tranducer/Receiver가 각각 별도로 구성된 이용 초음파 Pulse-echo 잔류응력 측정방법으로, 두 개의 고감도 경사형 Sensor를 이용하여 초음파 신호를 송신하는 Tranducer센서와 신호를 수신하는 Receiver센서로 분리될 수 있다.

[그림 4] Angle beam Tranducer/Receiver를 이용한 초음파잔류응력측정 블록다이어그램

상기와 같이, 초음파 L_CR파 기법의 원리를 이용한 의한 잔류 응력 시험 장치에 대한 구조 초음파 트랜스듀서(송신기), 초음파 트랜스시버(수신기), 트랜스미터, 자동 스캔 장치, 트리거 및 데이터 수집기, 이동식 산업 제어 컴퓨터 및 전용 알고리즘 소프트웨어, 교정 블록을 포함할 수 있다.

도 7 및 도 11에 의하면, 투과파를 이용한 이중 Element Tranducer 타입 잔류응력측정장치에 경우, 잔류응력의 측정의 기초가 되는 종파, 횡파 신호 신호를 검출하기 위해 최적화된 신호 처리 기술을 사용하며 이 목적을 위해 특수한 "이중 Element Tranducer"를 사용한다.

이는 마이크로 프로세서의 제어 하에 있는 펄서는 트랜스듀서에 광대역 스파이크 또는 튜닝된 구형파 전압 임펄스를 제공하여 나가는 초음파를 생성하고, 　시험편에서 돌아온 에코는 트랜스듀서에서 수신되어 다시 전기 신호로 변환되어 수신기 앰프로 공급된 다음 디지털화한다.

다음에 마이크로 프로세서 기반 제어 및 타이밍 로직은 펄서를 동기화하고 시간 간격 측정에 사용될 적절한 에코를 선택한 후 자동 이득 제어는 일반적으로 에코 진폭을 정규화 하는데 사용된다.

따라서, 에코가 감지되면 타이밍 회로는 시간 간격을 정확하게 측정 한 다음이 프로세스를 여러 번 반복하여 평균 판독 값을 얻을 수 있다.

이러한, 마이크로 프로세서는 프로그램 된 사운드 속도와 제로 오프셋 값과 함께 이 시간 간격 측정을 사용하여 두께를 계산한다. 마지막으로 잔류응력(왕복시간 거리)가 선택된 속도로 표시되고 업데이트될 수 있다.

한편, 많은 게이지는 내부 데이터 로거를 통합하고 메모리에 식별 코드 및 설정 정보와 함께 수천 가지 두께 측정을 저장할 수 있다.

이후 저장된 판독값은 게이지의 디스플레이로 리콜되거나 나중에 추가적인 분석과 측정결과를 Review 및 저장을 위해 추가 분석 또는 보관을 위해 프린터 또는 컴퓨터에 업로드 장치 지원이 가능하다.

또한, 도 6의 (b)에 도시와 같이, 2개의 센서를 통하여 초음파를 보내는 센서와 받는 센서로 나뉘어진다는 점에서 Through thickness pitch-catch와 같으나, Surface pitch-catch는 초음파가 시편을 관통하지 않고 표면만 측정하게 되며, 표면처리부(ex. 표면 코팅)의 잔류응력의 측정에 사용될 수 있다.

도 10에 의하면, 휴대 가능한 초음파 잔류응력 측정장치의 스팩은 LAN connector(1), USB ports (may be used for mouse and keyboard connection)(2,3), Mouse connector(4), Keyboard connector(6)으로 이루어진다.

도 11에 의하면, 초음파 Tranducer인 Pulser와 초음파 Receiver(트렌스미터)가 분리된 2채널타입 "투과파"형태의 초음파 잔류응력측정장치로써 2,3차 탄성계수 알고리즘을 파이썬과 머신러닝으로 로직을 설계한 전용SW와 C#으로 설계한 신호처리 로직을 PCX/PCI보드와 마이크로 프로세서를 통해 계측하여 데이터를 처리하여 화면에 플로팅해주는 이동식 자동화 잔류응력 측정할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 기존에 오실로스코프를 통하여 진동자를 얻는 것이 아닌 테블릿PC, 스마트폰 등의 단말기를 통해 현장에서 신속하게 진동자를 확인할 수 있는 효과가 있다.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

100: 시험편
110: 용접부
200: 탐상기
210: 지그몸체
211: 하부가로바
213: 상부가로바
215: 수직지지바
220: 초음파탐촉자
221: 트랜스듀서
223: 리시버
230: 초음파증폭기
240: 커넥터
250: 매질공급수단
260: 가압구
270: 매개체
271: 대응홈
300: 단말기

Claims (5)

1. 시험편(100)에 직접 접촉되어 초음파에 의해 시험편(100)에 투과/반사되는 초음파의 시간값을 측정하는 초음파탐촉자(220)를 갖는 휴대가 가능한 탐상기(200)와;
   상기 초음파탐촉자(220)의 시간값을 증폭하는 전송하는 초음파증폭기(230)와;
   잔류응력 계산식을 갖는 마이크로프로세서를 통해 상기 초음파증폭기(230)로부터 수신 받은 시간값을 계산하여 시험편(100)의 잔류응력값을 산출하여 디스플레이하는 단말기(300)를 포함하며,
   상기 탐상기(200)는,
   측정하고자 하는 측정대상에 안정적인 신호 발생과 이득을 위해 일정한 접촉압력을 부가할 수 있게끔 상기 시험편(100)에 하면이 접촉되며, 일 부분에 상기 초음파탐촉자(220)가 착탈 가능하게 구비되는 하부가로바(211)와, 상기 하부가로바(211)의 상부에 이격되어 손잡이 역할을 수행하는 상부가로바(213)와, 상기 상부가로바(213) 및 하부가로바(211)의 일단을 수직으로 이어 지지하는 수직지지바(215)가 일체로 이루어진 지그몸체(210)와;
   상기 하부가로바(211)에 착탈 가능하게 구비되어 상기 시험편(100)에 초음파를 총출/수신하여 시간값을 측정하는 초음파탐촉자(220)와;
   상기 초음파증폭기(230)에 직결되어 상기 단말기(300)로 상기 초음파증폭기(230)의 시간값을 단말기로 전송할 수 있도록 유선 연결하는 커넥터(240)를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 초음파탐촉자(220)는,
   상기 시험편(100)에 대해 초음파를 송출하는 트랜스듀서(221)와;
   상기 시험편(100)을 통해 반사된 초음파를 수신하는 리시버(223)로 분할 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 상부가로바(213)에는,
   상기 초음파탐촉자(220)와 시험편(100)의 사이에 자동으로 매질을 공급할 수 있는 매질공급수단(250)이 일체로 구비되는 것을 특징으로 하는 것과 함께 상기 초음파탐촉자(220)를 시험편(100)에 밀착시킬 수 있도록 상기 초음파탐촉자(220)를 가압하는 가압구(260)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 하부가로바(211)의 하부에는,
   상기 시험편(100)에 형성된 용접부(110)에 대응되는 대응홈(271)을 갖는 매개체(270)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 음향속도 차이를 이용한 동탄성 계수 및 잔류응력 측정 시험평가 장치.

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