KR100278774B1 - 비파괴용 초음파 탐상기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파를 이용하여 비금속 및 금속 내부의 결함을 탐상하는 비파괴 검사용 초음파탐상기로서, 펄스(pulse) 반사법에 의한 초음파탐상기와 관련하며 기존의 탐상 방식에서 탈피하여 금속 내부의 음향임피던스(acoustic impedance)가 큰 매질에서의 음파의 반사를 이용하여 실시간으로 3차원의 영상을 제공하기 위한 탐촉자 및 탐상기를 제공하고, 하나의 검사장비로서 에이스캔(A-Scan), 비이스캔(B-Scan), 시이스캔(C-Scan)이 가능하게 한 것으로,

압전체(1)와, 음파를 일정각도로 탐상체(6)에 입사시키기 위해 압전체(1)의 전면에 접합시키는 에폭시수지층(2), 전기적 신호를 입,출력하기 위해 탐상기와 연결하는 콘넥터(3)로 구성되는 비파괴용 초음파 탐상기의 탐촉자를, 다수개가 선형배열(Linear Array)형태로 결합되고 탐상체(6)방향으로 볼록한 곡률을 갖는 압전체(1), 압전체(1)의 회전축(12)과 결합되어 탐촉자 내부에서 탐상체(6)로의 음파의 입사각도를 가변시키는 조절핸들(7), 탐상체(6)로의 음파의 출입이 원할히 이루어질 수 있도록 압전체(1) 앞면에 위치되는 음향정합층(8), 나누어진 각각의 압전체(1)에 연결되어 전기적 신호를 전달하는 신호선(9), 신호선(9)과 연결되어 탐상장비와의 외부신호선을 콘넥터(3)를 통하여 연결하는 회로기판(10), 후측방향으로의 음파의 흡음을 위하여 압전체(1) 후측에 위치되는 후면층(11)으로 구성한 것이다.

Description

비파괴용 초음파 탐상기

본 발명은 초음파를 이용하여 비금속 및 금속 내부의 결함을 탐상하는 비파괴 검사용 초음파탐상기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 펄스(pulse) 반사법에 의한 초음파탐상기와 관련하며 기존의 탐상 방식에서 탈피하여 금속내부의 음향임피던스(acoustic impedance)가 큰 매질에서의 음파의 반사를 이용하여 실시간으로 3차원의 영상을 제공하기 위한 탐촉자 및 탐상기를 제공하고, 하나의 검사장비로서 에이스캔(A-Scan), 비이스캔(B-Scan), 시이스캔(C-Scan)이 가능하게 한 것이다.

종래의 비파괴용 초음파탐상기는 에이스캔모드(A-Scan mode)의 경우 시간축상에서, 거리에 대한 결함으로부터 반사되어온 신호의 크기에 대한 1차원적인 정보를 제공하고 있다.

이것은 가장 보편적으로 현장에서 사용하고 있는 방식으로서 장비와 탐촉자의 구조가 단순하며 이로 인해 가격이 저렴하고 쉽게 이용할 수 있다는 장점이 있는 대신 결함의 크기나 형상이 가시화되지 않아 반복측정과 조정에 의해서 대략적인 결함을 유추할 수 밖에 없다는 단점이 있다.

이러한 에이스캔모드(A-Scan mode)의 단점을 약간이나 보완한 것이 비이스캔모드(B-Scan mode) 방식에 의한 단면의 영상화이다.

이것은 주로 초음파 의료기기에 많이 쓰이는 방식인데 기계적 주사(Mechanical Scan), 전기적 주사(Electrical Scan), 페이즈드 어레이 주사(Phased Array Scan) 등 다양한 방식으로 탐상체 내부의 단면 영상을 실시간으로 확인할 수 있는 것이다.

이 방식은 이미 인체에 보편적으로 적용되어 있고, 비파괴 탐상기에도 적용하여 개발되어 있다.

하지만 이러한 단면 영상을 제공하기 위해서는 우선 탐촉자가 정렬된(Array의) 형태를 갖추고 있어야 하고, 이 각각의 소자(Elements)로 부터의 탐상신호를 장비 내부에서 단면영상으로 변화시키기 위해 복잡한 신호처리과정을 요구하게 된다.

이로 인해 탐촉자와 탐상 장비의 가격은 고가(高價)하나 내부의 결함을 단면으로라도 가시화할 수 있다는 잇점으로 인해 많이 이용되고 있다.

이러한 2차원 영상도 결국 내부의 결함을 완벽하게 이해할 수 없다는 단점을 가지고 있다.

시이스캔(C-Scan)은 탐상체 내부의 결함을 3차원 영상으로 제공하기 위한 한가지 방법인 바, 현재까지의 비파괴검사에서의 시이스캔(C-Scan)은 단일 탐촉자가 일정 간격만큼 탐상체 위를 이동하면서 각각의 반사신호를 메모리에 저장하여 이를 종합적으로 처리하여 3차원 영상을 만드는 방법으로 제공되고 있다.

이는 실험실 규모의 측정장비가 함께 갖추어져야 하고 탐상체의 전영역을 스캔하고 난 뒤에야 영상을 얻을 수 있기 때문에 비파괴 검사를 행하는 현장에서는 불가능한 일이며, 또한 실시간으로 3차원 영상을 얻을 수 없다는 점과 탐상에 필요한 장비의 가격이 비이스캔(B-Scan)에 비하여 상당히 높다는 점이 단점으로 지적된다.

이런 단점을 해결하기 위하여 의료기기용 초음파 진단기에서는 초음파 탐침(探針;Probe)을 2차원으로 설계하거나 전기적 주사(Electrical Scanning)와 기계적 주사(Mechanical Scanning)를 동시에 행함으로서 3차원 영상을 얻고 있지만 처리해야 할 데이터의 양이 비이스캔(B-Scan) 방식에 비해 수 십배에서 수백배로 많아 대규모의 시스템이 요구되는 단점이 있는 것이다.

이에 본 발명에서는 기존의 비파괴 탐상기에 대한 상기 문제점과 단점을 개선하고 보완하기 위하여 페이즈드 어레이 주사(Phased Array Scan)방식에 도 1b, 도 1c, 도 2a, 도 3a와 같은 세라믹 구조를 이용하여 초음파 빔(beam)을 탐촉자의 길이 방향으로 퍼트림으로서 탐상체 내부의 결함부위가 비결함부위와 비교해서 음향임피던스의 차이가 큼을 이용하여 저렴한 가격으로 탐상체의 내부 결함을 종합적인 3차원 영상으로 실시간에 제공하고, 도 3b, 도 7에서와 같이 오목한 면이 탐상체측으로 오도록 위치시켜 폭방향의 빔(Beam)을 집속하고 이로서 탐상체의 내부 단면 영상인 비이스캔(B-Scan) 영상을 제공할 수 있도록 한다.

또한, 페이즈드 에레이(Phased Array)의 각각 소자(Elements)에 부가하는 신호의 간격을 조정함으로서 에이스캔(A-Scan) 및 비이스캔(B-Scan), 시이스캔(C-Scan)을 한 장비로서 구현할 수 있도록 한 것이다.

도 1a, 1b, 1c는 기존 비파괴용 초음파 탐촉자와 본 발명 초음파 탐촉자의 초음파 빔이 탐상체 내부로 입사되는 각각의 작용표시도

도 2a, 2b는 본 발명의 제 1 실시예를 보인 요부 발췌 구성도

도 3a, 3b는 본 발명의 제 1 실시예의 작용 표시도

도 4, 도 5a, 56는 본 발명의 제 1 실시예의 전체 구성도 및 단면도

도 6은 본 발명의 제 2 실시예를 보인 구성도

도 7은 본 발명의 제 3 실시예를 보인 구성도

☞도면의 주요부분에 사용된 부호에 대한 설명☜

1,1a;압전체 2;에폭시수지층

3;콘넥터 4;초음파빔(beam)

5;결함 6;탐상체

7;조절핸들 8;음향정합층

9;신호선 10;회로기판

11;후면층 12;회전축

13;볼록면 에폭시수지층

도 1a 기존 비파괴용 초음파 탐촉자의 초음파 빔이 탐상체 내부로 입사되는 작용표시도로서,

초음파 탐촉자는 압전체1와 음파를 일정각도로 탐상체6에 입사시키기 위해 압전체1의 전면에 접합시키는 에폭시수지층2, 전기적 신호를 입,출력하기 위해 탐상기와 연결하는 콘넥터3로 구성되어 압전체1로부터 초음파 빔4을 입사하여 탐상체6 내부의 결함5을 탐상하게 되는 것으로, 이와 같이 평면형의 압전체1를 이용하여 여기서 발생된 초음파 빔4을 평면파로 탐상체6 내부로 입사하여 결함5을 탐상하며, 탐상체6 내부로 입사된 초음파가 탐상체6를 진행하면서 음향임피던스가 다른 매질의 경계면에서 반사되어 다시 되돌아오고 이것을 시간적으로 메모리에 저장하여 영상으로 출력하게 되는 것으로서, 이러한 초음파 탐상기와 탐촉자의 구성과 작용 등은 일반적인 것이다.

(상기에서 초음파 빔4은 빔의 폭이 좁을수록 높은 해상도를 얻게 된다.)

도 1b, 1c는 본 발명이 적용된 초음파 탐촉자의 작용 표시도로서, 도 1b는 압전체1를 탐상체6 방향으로 볼록하게 구성하여 초음파 빔4을 퍼트릴 수 있게 한 것이고, 도 1c는 기존과 같은 평면형 압전체1를 이용하고 에폭시수지층2,13을 2개 층으로 구성하여 음파의 음속에 따른 굴절효과를 이용함으로서 초음파 빔4을 퍼트릴 수 있도록 한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 2a와 같이 압전체1를 장비에 따라 8개, 16개, 32개, 64개 등의 갯수를 가진 선형배열(Linear Array)의 형태로 제작한다.

압전체1에 순차적으로 펄스신호를 보내어 초음파 빔4을 만들어 낸다.

이렇게 순차적으로 만들어진 초음파 빔4은 탐상체6의 내부를 진행하면서 음향임피던스가 다른 매질의 경계면에서 반사되어 다시 되돌아오고 이것을 시간적으로 메모리에 저장하여 영상으로 다시 출력하게 된다.

이때 각각의 경계면에서 반사된 초음파가 시간에 따라 분리될 경우 빨리 되돌아오는 순으로 화면의 위에서 아래로 배열되어 내부의 단면을 영상화하게 된다.

이것이 기존의 비이스캔(B-Scan mode)의 영상(2차원 영상)이 되고, 이때 압전체1의 폭방향으로 초음파 빔4을 집속시켜 탐상체6 내부로 입사가 용이하게 한다.

하지만 본 발명과 같이 압전체1의 곡률을 이용하여 초음파 빔4을 퍼뜨릴 경우에는 탐상체6 내부 결함5(참조;도 2a의 결함5)의 표면에서 반사되어온 신호가 시간적으로 적절히 분리되도록 음파를 비스듬히 입사하여 결함5의 표면을 영상화함으로서 결함5의 3차원 영상을 얻을 수 있게 된다.

즉, 탐상체6 내부 결함5이 압전체1와 평행인 경우에는 탐상체6 표면에서 반사되어온 신호가 같은 시간대에 입력되므로 이를 분산시키기 위하여 압전체1를 비스듬히 기울여 줌으로써 음파가 소정의 경사도를 가지고 입사되게 하는 것이다.

이때, 인체에서는 인체 내부의 각 층들이 가지고 있는 음향임피던스에 큰 차이가 없기 때문에 여러 장기들이나 태아의 표면을 영상화하는데 어려움이 있고, 이때 단순한 비이스캔(B-Scan mode) 영상(2차원영상)이 만들어진다.

이와는 달리 일반적인 비파괴 탐상체6의 내부 결함5은 에어(Air), 슬러리, 가스(Gas) 등과 같이 탐상체6와의 음향임피던스가 매우 크기 때문에 결함5의 내부로 초음파가 침투하질 못하고 다시 반사되며, 침투한다고 하더라도 그 신호가 미약하여 표면 반사신호에 비해 매우 작아진다.

따라서 이런 반사신호를 시간적으로 적절히 분리되도록 음파의 입사각을 조정하여 이로부터 읽어 들인 정보를 메모리에 저장한 후 다시 영상화할 경우 쉽게 3차원 영상을 얻을 수 있다.

이러한 3차원 영상의 구현을 위해서는 우선 다음과 같이 탐촉자에 대한 설계가 필요하며, 본 발명은 이와 같은 탐촉자의 제공으로 3차원 영상을 구현함에 특징이 있는 것으로, 이하에 이를 살펴보면 다음과 같다.

제 1 실시예

도 2a, 2b와 같이 압전체1의 모양을 폭방향으로 곡면을 형성하여 이 곡면이 탐상체6 방향으로 향하게 함으로서 초음파 빔4을 퍼뜨릴 수 있게 구성한다.

이것은 압전체1의 곡률에 따라 음파의 분산각도를 조절할 수 있으며, 이러한 압전체1의 곡률은 탐상 깊이와 탐상체1의 구조에 가장 적절한 곡률로 제작하게 된다.

즉, 탐상 깊이가 깊을수록 초음파 빔4의 폭을 좁게 하여 탐상체6 깊숙히 초음파 빔4이 입사되도록 하여야 하므로 압전체1의 곡률 반경을 크게 구성하고, 이와 반대로 탐상 깊이가 낮으면 압전체1의 곡률 반경을 비교적 작게 구성한다.

그리고 도 3a와 같이 탐상체6 방향으로 볼록한 압전체1를 조절핸들7을 이용하여 회전시켜 탐촉자 내부에서 탐상체6로의 음파의 입사각도를 가변시킬 수 있게 함으로서 각각의 결함5이 위치한 깊이와 그 형상에 대해 가장 인식하기 쉬운 입사각으로 조정할 수 있게 구성한다.

이때 3차원 영상을 얻을 수 있으며, 도3b와 같이 탐상체6 방향으로 오목한 압전체1a를 이용하게 되면 2차원 영상을 얻을 수 있다.

상기 탐촉자는 도 4, 도 5a, 5b와 같이 압전체1를 여러 개의 배열 형태로 제작하고 탐상체6로의 음파의 출입이 원할히 이루어질 수 있도록 음향정합층8를 압전체1의 앞면에 위치시킨다.

이때 음향정합층8의 두께는 파장의 1/4의 크기로 제작한다.

또 신호선9을 나누어진 각각의 압전체1에 연결하여 전기적인 신호가 원활히 전달될 수 있게 하고, 회로기판10에 신호선9을 연결시킨다.

이것은 도 5b와 같이 탐상장비와의 외부신호선을 콘넥터(연결자;connector)3를 통하여 쉽게 연결하기 위한 것이다.

그리고 후면층11은 뒤쪽 방향으로의 음파의 흡음을 위하여 도시된 바와 같이 압전체1 후측에 위치시키고 회전축12을 형성하여 조절핸들7과 결합, 탐촉자 내부에서 탐상체6로의 음파의 입사각도를 가변시킬 수 있게 한다.

제 2 실시예

도 1c에서와 같이 압전체1의 전면에 음속이 다른 두가지 층을 형성시켜 음파의 굴절을 이용함으로서 초음파 빔을 퍼뜨릴 수 있는 구조로 구성한다.

즉, 탐상체6 표면에 압전체1측으로 볼록하게 형성한 에폭시수지층7(이하 볼록면 에폭시수지층이라함)의 곡률과 에폭시수지층2, 상기 볼록면 에폭시수지층7, 탐상체6에 사용된 물질의 음속을 적절히 이용하여 음파의 분산 각도를 조절한다. 도시한 바와 같이 볼록면 에폭시수지층7이 위쪽으로 볼록한 모양이 되기 위해서는 기본적으로 에폭시수지층2의 음속 〉볼록형 에폭시수지층7층의 음속인 경우가 성립해야 한다.

만약 음파를 집속한다거나 에폭시수지층2의 음속〈 볼록형 에폭시수지층7의 음속인 경우로 제작할 경우에는 볼록면 에폭시수지층7을 도시된 반대방향으로 볼록하게 구성하면 된다.

에이스캔(A-Scan mode)의 영상(1차원 영상)은 도 3b와 도 7과 같이 비이스캔(B-Scan mode)의 영상(2차원 영상)이 구현될 수 있는 탐상체6 방향으로 오목한 압전체1a로 구성된 탐촉자를 이용하여 장비에서 전기적인 신호를 배열된 각각의 압전체1에 보낼 때 순차적으로 보내지 않고 한꺼번에 부가함으로서 얻을 수 있다.

물론, 앞에서 서술한 도 3a는 3차원 영상만을 구현하고, 도 3b는 2차원 영상과 1차원 영상을 구현하도록 구성된다.

제 3 실시예

2가지의 탐촉자를 이용한 방법으로서, 도 7과 같이 일측은 볼록면 압전체1로, 다른 일측은 오목면 압전체1a로 구성하여 조절핸들7로서 오목면 압전체1a와 볼록면 압전체1를 회전시켜 선택적으로 사용할 수 있도록 하게 되면 한 개의 탐촉자로서 3가지의 영상을 구현할 수 있게 된다.

즉, 위에서 살펴본 바와 같이 볼록면 압전체1로는 3차원 영상을, 오목면 압전체1a로는 2차원 영상과 1차원 영상을 구현할 수 있으므로 상기와 같이 이들을 선택적으로 사용가능하도록 구성하면 하나의 탐촉자로서 3가지의 영상을 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 종래의 비파괴 검사에 사용된 에이스캔(A-Scan), 비이스캔(B-Scan), 시이스캔(C-Scan)방식으로부터 구현 가능했던 1차원, 2차원, 3차원의 탐상체 내부 영상정보를 한 장비에 통합시켜 구현할 수 있고, 기존의 시이스캔(C-Scan) 방식에서 탈피하여 3차원 영상을 비이스캔(B-Scan)에 필요한 정도의 시스템으로 실시간에 제공함으로서 비파괴 탐상시 신속하고 정확한 탐상체 내부의 결함에 대한 정보를 얻을 수 있을 뿐 아니라, 장비의 간소화에 따라 비파괴 현장에서도 손쉽게 1,2,3 차원의 영상을 얻을 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 압전체1와, 음파를 일정각도로 탐상체6에 입사시키기 위해 압전체1의 전면에 접합시키는 에폭시수지층2, 전기적 신호를 입,출력하기 위해 탐상기와 연결하는 콘넥터3로 구성되는 비파괴용 초음파 탐상기의 탐촉자에 있어서,

   상기 탐촉자는, 다수개가 선형배열(Linear Array) 형태로 결합되고 탐상체6 방향으로 볼록한 곡률을 갖는 압전체1와, 압전체1의 회전축12과 결합되어 탐촉자 내부에서 탐상체6로의 음파의 입사각도를 가변시킬 수 있도록 하는 조절핸들7과, 탐상체6로의 음파의 출입이 원할히 이루어질 수 있도록 압전체1의 앞면에 위치되는 음향정합층8과, 나누어진 각각의 압전체1에 연결하여 전기적 신호가 원활히 전달될 수 있게 하는 신호선9과, 신호선9과 연결되어 탐상장비와의 외부신호선을 콘넥터3를 통하여 연결하게 하는 회로기판10과, 후측방향으로의 음파의 흡음을 위하여 압전체1 후측에 위치되는 후면층11으로 구성된 것을 특징으로 하는 비파괴용 초음파 탐상기.
2. 압전체1와, 음파를 일정각도로 탐상체6에 입사시키기 위해 압전체1의 전면에 접합시키는 에폭시수지층2, 전기적 신호를 입,출력하기 위해 탐상기와 연결하는 콘넥터3로 구성되는 비파괴용 초음파 탐상기의 탐촉자에 있어서,

   상기 탐촉자는 탐상체6 표면에 압전체1측으로 볼록한 곡률을 갖는 볼록면 에폭시수지층7을 형성함으로서 탐상체6에 사용된 물질의 음속을 이용하여 음파의 분산 각도를 조절할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 비파괴용 초음파 탐상기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 탐촉자는 일측은 볼록면 압전체1로, 타측은 오목면 압전체1a로 구성하여 조절핸들7로서 오목면 압전체1a와 볼록면 압전체1를 선택적으로 회전시켜 사용할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 비파괴용 초음파 탐상기.