KR100544727B1 - 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서에 관한 것으로, 본 발명은 초음파 발생부와 초음파 수신부를 포함하는 전자기 초음파 센서에 있어서, 상기 전자기 초음파센서의 초음파 수신부는 센서 케이스; 상기 센서 케이스 내부에 장착되어 제공되는 교류신호에 따라 바이어스 필드를 형성하는 자석(51); 상기 바이어스 필드에 직교하는 다이내믹 필드를 형성하기 위한 페라이트 코어(52a)와, 상기 코어에 권선되는 코일(52b)을 갖는 프로브(52); 상기 프로브(52)를 에워싸는 외부 노이즈 차폐막(53); 상기 외부 노이즈 차폐막(53)하부에 형성한 강판 노이즈 보호막(54)를 구비하며, 이와같이 구성된 본 발명에 의하면, 대기로부터의 노이즈 유입을 차단시킴과 동시에, 강판으로부터의 노이즈 유입을 차단시키도록 하고, 또한, 신호 처리부와 시스템간의 접지를 분리시킴으로서, 노이즈 유입을 보다 확실하게 차단할 수 있어, 센선의 감도를 향상시킬 수 잇다.

노이즈, 차폐, 전자기, 초음파 센서

Description

노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서{ELECTROMAGNETIC ULTRASONIC SENSOR FOR IMPROVING ELECTRIC NOISE SHIELD}

도 1은 종래의 초음파 센서를 이용한 강판 용접부의 원거리 검사장치의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 초음파 센서의 장치의 구성도이다.

도 3은 실제로 측정된 용접부 검사를 위한 초음파 신호 예이다.

도 4는 기준 신호에 의해 배척 평균을 사용한 초음파 신호 예이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 고정 프레임 2 : 가동 장치

3 : 냉연 강판 3a : 용접부

4 : 유도 초음파 10 : 냉연라인 제어기

20 : 메인 제어기 30 : 스캔 제어기

40 : 펄스발생기 50 : 초음파 센서

51 : 자석 52 : 프로브

53 : 외부 노이즈 차폐막 54 : 강판 노이즈 보호막

60 : 밴드패스필터 70 : 신호처리기

83 : 초음파 발생 펄스 메인방 구간 84 : 기준 신호 구간

85 : 결함 신호 구간

본 발명은 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서에 관한 것으로, 특히 대기로부터의 노이즈 유입을 차단시킴과 동시에, 강판으로부터의 노이즈 유입을 차단시키도록 하고, 또한, 신호 처리부와 시스템간의 접지를 분리시킴으로서, 노이즈 유입을 보다 확실하게 차단할 수 있어, 센선의 감도를 향상시키도록 하는 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 냉연 강판의 연속라인에서, 연속가공을 위해서 코일의 단부끼리 플래쉬 버트(flash butt)용접에 의한 전기 스파크를 이용하여 맞대기 용접을 하는데, 이러한 강판의 용접부에는 부분절단 또는 찢김 등과 같은 용접불량이 발생될 수 있으며, 이와같이 용접 불량이 발생하는 경우에는 제품의 품질을 떨어뜨리거나 제품의 실수율을 저하시키게 되므로, 이러한 용접 불량에 대해서는 용접직후 검사하여 용접 불량으로 인하여 발생되는 문제를 사전에 방지하여야 한다.

도 1은 종래의 초음파 센서를 이용한 강판 용접부의 원거리 검사장치의 구성도로서, 고 1을 참조하면, 제어에 따라 측정대상 강판의 폭방향으로 센서의 이동을 제어하는 스캔 제어기(30)와, 이동하는 강판 상부에 설치된 고정 프레임(1)과, 이 프레임(1)에 이동가능토록 설치되어 상기 스캔 제어기(30)의 제어에 따라 폭방향으로 이동하는 가동 장치(2)와, 제어에 따른 펄스를 발생하는 펄스발생기(40)와, 상기 가동장치(2)의 하부에 장착한 용접부 불량을 센싱하는 초음파 센서(50)와, 상기 초음파 센서(50)에 의한 감지신호중 설정대역을 통과시키는 밴드패스필터(60)와, 상기 밴드패스필터(60)를 통한 신호를 A/D 변환하는 신호처리기(70)와, 동작개시 선택에 따라 제어를 시작하여, 상기 스캔제어기(30)의 동작을 제어하고, 상기 신호처리기(70)로부터의 신호에 따라 용접부 불량을 판단하여 저장 및 화면 표시하는 메인 제어기(20)로 이루어져 있다.

종래는 전자기 초음파 센서의 형태가 발생하고자 하는 초음파의 1/2 파장 길이로 일정한 간격을 유지하도록 코일을 감아 만드는 것이었다. 이러한 형태는 초음파 센서 및 센서와 용접부 라인의 거리가 30cm 정도로 가까울 경우 즉 민감한 초음파 신호를 사용하여 용접부의 결함을 측정할 수 있다.

전자기 초음파 센서를 이용하여 용접부를 검사하는 기술의 대표적 예로서, 비접촉식 초음파 검사장치(US 5,537,876호)를 들 수 있다. 이 발명은 센서와 용접부간 거리가 일정한 경우에는 비교적 정확한 검사 결과를 얻을 수 있으나, 실제 현 장의 대부분의 경우 용접기의 공간적 제한으로 인하여 용접라인과 센서가 설치될 지점 사이의 거리가 1m 이상이 된다.

이러한 경우 공간적인 초음파 감쇠에 의해 수신되는 초음파 신호가 너무 미약하여 용접부 정보를 얻기가 어려워진다. 더욱이 강판 및 시스템에 존재하는 전기적 노이즈로 인하여 초음파 신호를 얻기가 불가능할 수 도 있으므로 실용화가 더욱 어렵게 된다. 또한 기존 기술은 스틸의 두께가 두꺼운 경우와 자화가 잘 되지 않는 강종에 대해서는 초음파 발생이 어려웠다.

따라서 초음파의 강도를 크게 만들어야 할 필요가 있고, 이러한 목적을 위하여 새로운 형태의 전자기 초음파 센서가 발명되었으며, 이 장치에서도 역시 노이즈를 저감하기 위한 장치 및 방법이 필요하게 되었다. 전자기 초음파 센서에 정전기적 쉴드를 설치한 예(US 5,684,406호)가 있다. 여기서 사용된 전자기 초음파 센서는 인쇄 기판 형태이고 초음파 발생 방식 또한 다르다.

따라서 본 발명에서는 기존 전자기 초음파 센서보다 강화된 형태에서도 상존하는 전기전 노이즈의 저감 장치 및 대처 방법을 제안한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 따라서, 본 발명 의 목적은 대기로부터의 노이즈 유입을 차단시킴과 동시에, 강판으로부터의 노이즈 유입을 차단시키도록 하고, 또한, 신호 처리부와 시스템간의 접지를 분리시킴으로서, 노이즈 유입을 보다 확실하게 차단할 수 있어, 센선의 감도를 향상시키도록 하는 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서를 제공하는데 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적인 수단으로써, 본 발명은 초음파 발생부와 초음파 수신부를 포함하는 전자기 초음파 센서에 있어서, 상기 전자기 초음파센서의 초음파 수신부는 센서 케이스; 상기 센서 케이스 내부에 장착되어 제공되는 교류신호에 따라 바이어스 필드를 형성하는 자석; 상기 바이어스 필드에 직교하는 다이내믹 필드를 형성하기 위한 페라이트 코어와, 상기 코어에 권선되는 코일을 갖는 프로브; 상기 프로브를 에워싸는 외부 노이즈 차폐막; 상기 외부 노이즈 차폐막 하부에 형성한 강판 노이즈 보호막을 구비함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서에 대하여 첨부도면을 참조하여 그 구성 및 작용을 상세하게 설명한다. 본 발명에 참조된 도면에서 실질적으로 동일한 구성과 기능을 가진 구성요소들은 동일한 부호를 사용할 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 초음파 센서의 장치의 구성도로서, 본 발명에 따른 초음파 센서느 초음파 발생부와 초음파 수신부를 포함하는데, 초음파 수신부는 상기 센서 케이스 내부에 장착되어 제공되는 교류신호에 따라 바이어스 필드를 형성하는 자석(51)과, 상기 바이어스 필드에 직교하는 다이내믹 필드를 형성하기 위한 페라이트 코어(52a)와, 상기 코어에 권선되는 코일(52b)을 갖는 프로브(52)와, 상기 프로브(52)를 에워싸는 외부 노이즈 차폐막(53)과, 상기 외부 노이즈 차폐막(53)하부에 형성한 강판 노이즈 보호막(54)을 포함한다.

상기 외부 노이즈 차폐막(53)은 비자성 전도체로 형성하며, 이 비자성 전도체에 대해서 예를들면, 스테인레스, 구리, 티타늄등이 있으며, 또한 외부 노이즈 차폐막(53)은 0.1mm 이하의 두께를 갖는 것이 바람직한데, 두께가 얇을수록 더 바랍직하다. 이는 0.1mm 이상의 두께를 가질 경우에는 도 1을 참조하여 설명된 바와같이, 바이어스 필드와 다이내믹 필드에 의한 자왜효과가 떨어지게 되어, 결국 센싱감도가 저하되기 때문이다.

또한, 상기 외부 노이즈 차폐막(53)은 제품 적용시, 신호처리부와 공통 접지시키고, 시스템 접지와는 분리시키도록 하는 것이 바람직하데, 이는 시스템과 접지선을 공통으로 하는 경우에는 시스템으로부터의 노이즈가 유입되는 센싱감도를 저하시킬 수 있기 때문이다.

이에 대해서 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 초음파 센서가 적용되는 검사 장치는 스틸 냉연 강판의 폭 방향으로 용접부 검사 스캔이 가능하도록 프레임을 설치한다. 용접 완료 및 비드(bead) 제거 후 라인이 멈추면 장치는 센서를 이동하여 냉연 강판에 충분히 접촉시킨 후 강판의 폭방향으로 스캔하게 된다. 센서에서 발생된 유도 초음파는 냉연 강판의 길이 방향으로 진행하다가 용접부에서 존재하는 결함에 의해 반사되어 오다가 센서로 검출된다. 스캔 제어기 및 펄스 발생기, 밴드 패스 필터는 메인 제어기에 연결되어 조업자가 항상 모니터링이 가능하다. 시스템을 연결하는데 가장 중요한 것이 바로 대지 접점 분리를 어떻게 하느냐이며, 분리가 얼마나 잘되느냐에 따라 현장의 전기적 노이즈를 제거할 수 있는냐 없느냐가 결정된다. 현장의 기계 및 용접기 시스템의 전기적 노이즈는 대부분 냉연라인 제어기 및 스캔 제어기로부터 따라 들어오게 된다. 초음파 신호를 발생시키고 측정하는 직접적인 라인은 메인 제어기, 펄스발생기, 밴드패스필터, 신호처리기 등이므로 반드시 상기 제어기들과 분리시켜 대지 접점을 연결해야 한다.

그리고, 상기 강판 노이즈 보호막(54)은 비자성 비전도체로 형성하며, 이 비자성 비전도체에 대해서 예를들면, 플라스틱, PVC(polyvinyl chloride : 폴리비닐 클로라이드 또는 염화폴리비닐), PET(Polyethylene terephthalate: 폴리에틸렌 테레프탈레이트)등이 있으며, 또한, 상기 강판 노이즈 보호막(54)은 0.1mm 이하의 두께를 갖는 것이 바람직한데, 두께가 얇을수록 더 바랍직하다. 이는 0.1mm 이상의 두께를 가질 경우에는 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 바이어스 필드와 다이내믹 필드에 의한 자왜효과가 떨어지게 되어, 결국 센싱감도가 저하되기 때문이다.

즉, 전자기 초음파 센서에서 초음파 발생은 자기장의 미세 변화로 인한 강자성체의 물리적 치수 변화를 나타내는 자왜효과를 이용한다. 바이어스 자석은 강자성체의 스핀들을 일정한 방향으로 배열시키고, 프로브에 의해서 발생된 펄스로 자구의 자벽이 이동하게 되는 것이 자왜효과이다. 이와는 반대로 강자성체 내에 존재하는 초음파를 전자기 초음파 센서에서 검출하는 것은 역자왜효과를 이용한다. 정적 자기장은 바이어스 자석에 의해 형성된다.

한편, 초음파 센서의 동작원리를 간단히 설명하면, 강자성체 내에서 존재하는 초음파가 프로브 구간을 지날 때 강자성체의 미세한 물리적 치수 변화는 바이어스 자석에 의해 형성된 자기장을 미세하게 변화시킨다. 변화되는 자기장 속의 프로브 코일(3)에는 전류가 생성되고 이것은 밴드패스필터와 신호처리기를 거쳐 시스템에 초음파의 패턴을 알려주게 된다. 강화된 초음파 발생 및 수신 장치는 프로브에 페라이트 코어를 사용하기 때문에 기존의 비접촉식 전자기 초음파에 비해 아주 큰 세기의 초음파를 발생시키고 민감하게 초음파를 검출할 수 있다.

또한, 전자기 초음파 센서 및 센서에서 수신부에서 외부의 공간으로부터 날아서 들어 오는 전자기적 노이즈를 차폐시키기 위해서는 프로브에 아주 얇은 외부 노이즈 차폐막(53)을 감싼다. 이 외부 노이즈 차폐막(53)은 강자성체가 아닌 것을 사용하며 두께는 충분히 얇아야 한다. 또한, 외부 노이즈 차폐막(53)은 반드시 대 지 접점과 연결되어 있어야 하며, 그 접점에의 연결선은 짧으면 짧을수록 효과를 크게 얻을 수 있다. 초음파를 발생시키려는 스틸 냉연 강판에도 역시 전기적 노이즈가 상존하게 되는데, 이것은 현장의 대지 접점 공사가 제대로 이루어 지지 않기 때문이며 계측 장비의 파손 및 신호의 오류 계측을 유도하는 중요 인자 중 하나이다.

이러한 전기적 노이즈로부터 프로브를 보호하기 위하여 강화 플라스틱 소재의 강판 노이즈 보호막(54)를 사용한다. 이 강판 노이즈 보호막(54)은 상기 외부 노이즈 차폐막(53) 및 프로브의 마모를 방지하며 또한 강판에 상존하는 전기적 노이즈로부터 전기적 차폐를 하기 위하여 반드시 설치되어야 한다.

도 3은 실제로 측정된 용접부 검사를 위한 초음파 신호 예로서, 도 3을 참조하면, 용접부 라인에 두께 2mm, 폭 7cm의 관통형을 기계적으로 만든 흠으로 초음파를 보내서 받아온 신호이다. 현장에는 이러한 전기적 노이즈가 상존하기 때문에 가장 큰 신호인 펄스 메인방(main bang)(13)도 알아 볼 수 없다. 초음파 발생 직후 수신부에서 검출된 신호구간인 기준신호구간(14)와 가공 결함신호구간(15)는 당연히 알아 볼 수 없다.

도 4는 기준 신호에 의해 배척 평균을 사용한 초음파 신호 예로서, 도 4를 참조하면, 도 3에서는 전혀 알아볼 수 없는 신호를 배척 평균 방법을 사용하면 어 느 정도 초음파 신호 추출이 가능하다. 배척 평균 방법이란 전기적 노이즈 특성상 항상 입력 범위의 최대값을 갖기 때문에 기준신호의 변화범위를 넘어서는 신호를 배척하여 그 나머지 신호만을 이용하여 평균을 취하는 방법이다. 빠른 계산이 가능하며 기준신호구간 값을 사용하기 때문에 신호의 손실이 거의 없지만, 배척된 신호가 가지는 정보가 손실되는 단점이 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 대기로부터의 노이즈 유입을 차단시킴과 동시에, 강판으로부터의 노이즈 유입을 차단시키도록 하고, 또한, 신호 처리부와 시스템간의 접지를 분리시킴으로서, 노이즈 유입을 보다 확실하게 차단할 수 있어, 센선의 감도를 향상시킬 수 있는 특별한 효과가 있다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 냉연 강판 용접부 검사용 전자기 초음파 센서 및 센서는 구조적인 특성상 기존의 전자기 초음파 센서에 비해 강한 초음파를 발생시키며 민감한 초음파 검출이 가능하다. 그러나 이러한 전자기 초음파 센서 및 센서를 현장에 설치시 시스템 데이터 라인, 전원 라인 및 공중에서 날아오는 전자기 노이즈가 가장 문제가 된다. 본 발명을 통해서 전자기 초음파 센서 및 센서의 수신부에 전기적 차폐 및 보호 패드를 사용함으로써 공중의 전자기 노이즈를 최소화하고, 시스템의 대지 접점을 분리함으로써 데이터 라인 및 전원 라인의 노이즈를 최소화한다. 또한 신호처리에 있어서 소프트웨어적인 배척 평균법을 사용 하여 초음파 신호만을 추출하는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 일련의 장치 및 방법을 통하여 현장의 노이즈에 대비한 초음파 용접부 검사 장치가 완성이 될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 구체적인 실시 예에 대한 설명에 불과하고, 본 발명은 이러한 구체적인 실시 예에 한정되지 않으며, 또한, 본 발명에 대한 상술한 구체적인 실시 예로부터 그 구성의 다양한 변경 및 개조가 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.

Claims (4)

1. 초음파 발생부와 초음파 수신부를 포함하는 전자기 초음파 센서에 있어서,

   상기 전자기 초음파센서의 초음파 수신부는

   센서 케이스;

   상기 센서 케이스 내부에 장착되어 제공되는 교류신호에 따라 바이어스 필드를 형성하는 자석(51);

   상기 바이어스 필드에 직교하는 다이내믹 필드를 형성하기 위한 페라이트 코어(52a)와, 상기 코어에 권선되는 코일(52b)을 갖는 프로브(52);

   상기 프로브(52)를 에워싸는 외부 노이즈 차폐막(53);

   상기 외부 노이즈 차폐막(53)하부에 형성한 강판 노이즈 보호막(54)를 구비함을 특징으로 하는 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 노이즈 차폐막(53)은

   비자성 전도체임을 특징으로 하는 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서
3. 제1항에 있어서, 상기 외부 노이즈 차폐막(53)은

   제품 적용시, 신호처리부와 공통 접지시키고, 시스템 접지와는 분리시키도록 하는 것을 특징으로 하는 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서.
4. 제1항에 있어서, 상기 강판 노이즈 보호막(54)은

   비자성 비전도체임을 특징으로 하는 노이즈 차폐기능을 개선한 전자기 초음파 센서.

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