KR100692391B1 - 역대칭 자기장 구조를 이용하여 봉부재에서 굽힘 진동을 발생 및 측정할 수 있는 전자기 음향 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 봉부재에서 굽힘 진동을 발생시키거나 측정할 수 있는 전자기 음향 변환기, 이를 구비한 굽힘 진동 측정 장치 및 굽힘 진동 측정 방법을 제공하는 데 있다. 이를 위하여 본 발명에서는, 비금속으로 만들어지고 중공부가 형성된 본체; 상기 본체의 중공부를 관통하도록 설치된 봉부재의 양측에 그 길이 방향과 나란하고 방향이 서로 반대인 두 개의 자기장을 형성하는 자기장 형성부; 및 상기 본체의 둘레에 감기는 코일을 포함하는 전자기 음향 변환기를 제공함으로써 달성된다.

Description

역대칭 자기장 구조를 이용하여 봉부재에서 굽힘 진동을 발생 및 측정할 수 있는 전자기 음향 변환기{Electro-Magnetic Acoustic Transducer generating and measuring bending vibration in rod member by using anti-symmetric magnetic field structure}

도 1은 본 발명에 따른 전자기 음향 변환기의 구성을 보여주는 사시도.

도 2는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도.

도 3은 도 2에서 y축을 따라 분포된 자속 밀도를 보여주는 그래프.

도 4는 도 2의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 음향 변환기의 사시도.

도 6은 도 5에 도시된 전자기 음향 변환기의 분해 사시도.

도 7은 본 발명에 따른 전자기 음향 변환기를 포함하는 굽힘 진동 발생 및 측정 장치의 구성을 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 본체 11a, 11b, 11c, 11d: 자석

13: 코일 14: 제1 회전부

15: 코일부 16: 제2 회전부

20: 봉부재 50: 증폭기

60: 오실로스코프

본 발명은 전자기 음향 변환기(Electro-Magnetic Acoustic Transducer: EMAT)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 봉부재 주변에 자기장을 형성하고 봉부재에 전달되는 파동 에너지를 전기적인 에너지로 변환하거나, 자기장의 변화를 유도하여 봉부재에 파동을 전달함으로써 봉부재의 굽힘 진동을 발생 및 측정할 수 있는 전자기 유도 전자기 음향 변환기에 관한 것이다.

전자기 음향 변환기는 로렌츠의 힘, 전자기 유도 현상 및 와류(eddy current)와 같은 전자기적 현상을 이용하여 비접촉식 센서 및 엑츄에이터로 기능할 수 있는 장치를 말한다. 특히, EMAT를 이용하는 경우 비접촉식으로 소재에 대한 비파괴 검사가 가능하기 때문에 그 응용 분야가 점차 넓어지고 있는 추세이다.

그러나, 전자기 음향 변환기는 현재까지 적용되고 있는 분야가 봉부재에 있어서의 축방향의 전단파(axial shear wave)나 비틀림파(torsional wave)의 측정, 그리고 판재에서의 종파(longitudinal wave)나 횡파(shear wave)의 발생 및 측정으로 제한되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 봉부재에서 굽힘 진동을 발생시키거나 측정할 수 있는 전자기 음향 변환기, 이를 구비한 굽힘 진동 측정 장치 및 굽힘 진동 측정 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 비금속으로 만들어지고 중공부가 형성된 본체; 상기 본체의 중공부를 관통하도록 설치된 봉부재의 양측에 그 길이 방향과 나란하고 방향이 서로 반대인 두 개의 자기장을 형성하는 자기장 형성부; 및 상기 본체의 둘레에 감기는 코일을 포함하는 전자기 음향 변환기를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 자기장 형성부는, 상기 본체의 일측에 소정 간격으로 이격되어 배치되는 두 개의 자석과, 상기 봉부재에 대해 상기 두 개의 자석과 대칭되는 위치에 배치되어 상기 두 개의 자석이 형성하는 자기장의 방향과 반대 방향으로 자기장을 형성하는 또 다른 두 개의 자석을 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 본체는 둘레에 코일이 감긴 코일부와, 상기 코일부의 양측에 위치하고 서로 연결되어 상기 코일부에 대해 동일한 각도로 회전 가능하게 결합된 회전부를 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 회전부에는 자기장 형성부가 설치된 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명 한다.

도 1에는 본 발명에 따른 전자기 음향 변화기의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 2에는 도 1의 II-II 선을 따라 취한 단면도로서 자석들에 의해 형성된 자기장의 방향을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 전자기 음향 변환기는 본체(10), 자석(11a, 11b, 11c, 11d) 및 코일(13)을 포함한다.

상기 본체(10)는 비금속재료로 만들어지고, 파이프, 회전축 등의 봉부재가 수용될 수 있는 중공부가 형성되어 있다.

상기 자석(11a, 11b, 11c, 11d)은 상기 본체의 네 지점에 각각 설치되어 상기 본체(10)의 중공부를 관통하여 배치되는 봉부재의 측면에 봉부재의 길이 방향으로 자기장을 형성하도록 배치된다. 상기 자석(11a, 11b, 11c, 11d)에 의해 형성되는 자기장은 도 2에 잘 도시된 것과 같이 상기 봉부재(20)의 표면에서 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성되며, 자석(11a, 11c)에 의해 형성되는 일측의 자기장의 방향이 자석(11b, 11d)에 의해 형성되는 타측의 자기장의 방향 반대이다. 즉, 봉부재의 원주 방향을 따라 역대칭(anti-symmetry) 구조의 자기장을 형성한다.

도 2에서는 자석(11a, 11b)은 N극이 하측을 향하도록 설치되고, 자석(11c, 11d)은 N극이 상측을 향하도록 설치되어 있으나, 본 발명의 전자기 음향 변환기에 사용되는 자석들의 개수 및 배열은 도시된 것에 한정되지 않고, 상하측에서 서로 반대 방향으로 봉부재의 길이 방향에 나란한 자기장을 형성할 수 있는 경우라면 어떠한 자석의 배열이라도 포함될 수 있을 것이다.

상기 코일(13)은 상기 본체(10)의 둘레에 감긴 채로 배치되는데, 상기 자석들이 설치된 곳을 피하여 중앙 부분에 감기는 것이 바람직하다.

도 3에는 봉부재에서 본 발명에 다른 전자기 음향 변환기가 설치된 부분의 자속 밀도 분포를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, y축을 따라서 봉부재의 중심선이 위치하는 곳은 상측과 하측의 자석들이 형성하는 자기장이 상쇄되어 0이 되고, 그 중심점을 기준으로 상측과 하측의 자속 밀도가 점대칭으로 분포된다.

도 4에는 도 2의 IV-IV 선을 따라 취한 단면도로서 굽힘 진동 발생 및 측정 원리를 나타내는 도면이 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 봉부재의 상단에는 지면으로 들어가는 방향으로, 하단에는 지면에서 나오는 방향으로 자기장이 형성된 상태에서, 상기 봉부재의 다른 부분에서 봉부재에 굽힘 진동을 발생시킬 수 있다. 이러한 굽힘 진동은 봉부재가 벤딩되는 방향으로 진동이 형성되어 봉부재의 길이를 따라 전달된다. 특정 시점에는 도 4에 도시된 것과 같이 상단 및 하단이 동시에 상측으로 변위를 가지게 되는데, 이때에는 상단 및 하단에 각각 자기장의 방향과 변위가 일어나는 방향에 각각 수직한 방향으로 맴돌이 전류가 발생한다. 상단 및 하단에서 이동하는 동시에 반시계 방향의 맴돌이 전류가 발생함에 따라 봉부재(20)의 원주 방향을 따라 맴돌이 전류가 순환하게된다. 이때 발생하는 맴돌이 전류의 크기는 다음의 수학식 1과 같다.

여기서, J는 전류, u는 진폭, t는 시간, 그리고 B는 자속 밀도를 나타낸다.

상기 코일(13)에서는 이 맴돌이 전류에 의해 기전력이 발생하므로 코일에 발생하는 기전력을 측정하면 상기 굽힘 진동을 측정할 수 있다.

도 5에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 음향 변환기의 사시도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5에 도시된 전자기 음향 변환기의 분해도가 도시되어 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자기 음향 변환기는 본체가 코일부(15), 제1 회전부(14) 및 제2 회전부(16)를 포함한다. 상기 제1 및 제2 회전부(14, 16)는 상기 코일부(15)를 중심으로 서로 동일한 각도만큼 회전이 가능하도록 설치된다. 즉, 상기 코일부(15)의 중공부 내측에서 서로 연결되어 있다. 그리고, 자기장을 형성하는 자석들은 상기 제1 및 제2 회전부에 설치된다.

앞서 설명한 실시예의 전자기 음향 변환기와 같이 고정된 전자기 음향 변환기를 사용하는 경우에는, 봉부재를 따라 진행하는 굽힘 진동 중 도 4에 도시된 단면도의 상단 및 하단 부분을 지나는 굽힘 진동만을 측정할 수 있다. 그러나, 도 5 및 도 6에 도시된 것과 같이 자기장 형성부를 회전 가능하게 구비하는 경우에는 자기장 형성 위치를 봉부재의 원주를 따라 임의로 변경할 수 있어 모든 방향으로 진 동하면서 진행하는 굽힘 진동을 측정할 수 있다.

한편, 동일한 구성을 가지는 전자기 음향 변환기를 이용하여 코일에 흐르는 전류를 변화시킴으로써, 봉부재에 굽힘 진동을 발생시킬 수도 있다. 즉, 코일에 흐르는 전류를 변화시키면, 전류의 변화를 방해하는 방향으로 봉부재의 표면에 맴돌이 전류가 형성된다. 이러한 맴돌이 전류와 상기 자석들이 형성하는 자기장에 의해 봉부재는 로렌츠의 힘을 받게되고, 이에 따라 봉부재에 굽힘 진동이 발생하게 된다.

도 7에는 본 발명에 따른 전자기 음향 변환기를 포함하는 굽힘 진동 발생 및 측정 장치가 도시되어 있다.

도 7에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 전자기 음향 변환기를 사용하여 굽힘 진동을 측정하거나 발생시킬 때에는, 본 발명에 따른 전자기 음향 변환기, 상기 전자기 음향 변환기의 코일에 연결된 증폭기 및 상기 증폭기를 거친 아날로그 신호를 처리하는 오실로스코프를 포함하는 시스템을 구성하여 굽힘 진동의 발생 및 측정 작업을 수행할 수 있다.

지금까지 본 발명의 실시예를 설명하면서 중공부가 형성된 파이프 형상의 봉부재에 한정하여 도시하였으나, 본 발명은 파이프와 같은 중공 부재에만 적용이 가능한 것은 아니고 원형 단면을 가지는 회전축을 포함하는 모든 봉부재에 적용 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 역대칭 구조의 자기장이 형성 된 전자기 음향 변환기를 이용하여 봉부재에 전달되는 굽힘 진동을 측정할 수 있다. 또한, 동일한 구성을 가지는 전자기 음향 변환기에 의해 봉부재에 굽힘 진동을 발생시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (4)

1. 비금속으로 만들어지고 중공부가 형성된 본체;

   상기 본체에 배치되어, 상기 본체의 중공부를 관통하도록 설치된 봉부재의 양측에 그 길이 방향과 나란하고 방향이 서로 반대인 두 개의 자기장을 형성하는 자기장 형성부;

   상기 본체의 둘레에 감기는 코일을 포함하는 코일부; 및

   상기 코일부의 양측에 위치하고 서로 연결되어 상기 코일부에 대해 동일한 각도로 회전 가능하게 결합된 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 음향 변환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 자기장 형성부는,

   상기 본체의 일측에 소정 간격으로 이격되어 배치되는 두 개의 자석과,

   상기 봉부재에 대해 상기 두 개의 자석과 대칭되는 위치에 배치되어 상기 두 개의 자석이 형성하는 자기장의 방향과 반대 방향으로 자기장을 형성하는 또 다른 두 개의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 음향 변환기.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전부에는 자기장 형성부가 설치된 것을 특징으로 하는 전자기 음향 변환기.

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