KR100763569B1 - 금속 표면의 결함을 측정하기 위한 어레이형 용량성 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평판 전극을 이용하여 전도체 표면의 결함을 탐지하기 위한 센서로서 기존의 용량성 센서가 주로 액체 유량이나 금속 표면 위에서의 갭 센서(Gap Sensor)로 사용되었던 것과는 달리 본 발명은 물체 표면에 작은 결함을 탐지하거나 표면 굴곡을 측정할 수 있다.

금속판, 커패시터, 양극, 음극, 리프트-오프, 커패시터 프로브.

Description

금속 표면의 결함을 측정하기 위한 어레이형 용량성 센서{A capacitive array senser for detecting surface defects on metals}

도1a 및 도2는 본 발명에 의한 용량성 프로브의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도2a 내지 도2d는 용량성 프로브의 실시 예를 보인 도면이다.

도3a 및 도3b는 본 발명에 의한 어레이형 용량성 센서의 실시예를 보인 사시도이다.

도4 및 도5는 본 발명에 의한 센서를 이용하여 금속재질의 금속시편을 측정한 결과를 보인 그래프이다.

도6 및 도7은 본 발명에 의한 센서를 이용하여 코팅관을 측정한 결과를 보인 그래프이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 20 : 시험체 11, 12, 21a, 21b, 22 : 전극(전극판)

13, 24 : 전원 14, 23a, 23b : 수신기

본 발명은 금속 표면의 결함을 측정하기 위한 어레이형 용량성 센서에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 평판 전극을 이용하여 전도체 표면의 결함을 탐지하여 물체 표면에 작은 결함을 탐지하거나 표면 굴곡을 측정할 수 있도록 하는 금속 표면의 결함을 측정하기 위한 어레이형 용량성 센서에 관한 것이다.

자동차나 전자제품 등의 디자인이 중시되는 제품에서는 표면의 광택이나 색체에 얼룩이 없는 것이 상품가치를 높이는데 중요한 요소로 된다.

이런 종류의 제품의 몸체는 착색된 수지나 금속 등에 의해 성형되지만, 그 성형체의 표면에 요철 결함이 생기는 경우가 있다.

요철 결함은 주로 성형시의 불비에 의해 표면이 솟아오르거나 패이거나 하여 생긴다. 또한 성형 후에 생긴 흠집도 요철 결함에 포함된다.

종래에는 이러한 표면에 결함을 카메라에 의해 촬영된 영상의 분석이나 표면에 빛을 조사하여 반사되는 빛을 분석하거나 별도의 설비를 이용하여 검사하는데,이를 위해서는 부피가 크고 고가인 장비를 필요로 하는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 동일 평면상에 양극 전극과 음극 전극을 배치하고, 양극 전극에 전원을 공급하면서 금속표면을 지나가는 양극 전극과 음극 전극 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 분석하여 금속표면에 결함이 있는지 확인함으로써 금속 표면의 결함을 정확하게 검출할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 동일 평면상에 인접하게 배치되는 금속 재질의 음극 전극과 양극 전극으로 이루어진 용량성 프로브; 상기 양극 전극에 전원을 공급하는 전원; 및 상기 음극전극과 양극전극이 금속 시편을 인접하게 탐상하는 동안 상기 음극전극과 양극전극 간의 전정용량의 변화를 감지하고 이를 분석하여 금속 시편에 결함이 존재하는지를 검출하는 감지 및 검출수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 용량성 프로브는 일렬로 배열된 다수의 양극전극과 일렬로 배열된 다수의 음극전극으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 용량성 프로브는 1개의 양극 전극과 1개의 음극 전극을 가지는 절대형 또는 1개의 양극 전극과 2개의 음극 전극을 가지는 차동형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 있어서, 상기 용량성 프로브는 F-PCB에 부착된 상태로 센서 본체의 평면 또는 곡면에 부착되는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

도1a 및 도1b는 용량성 프로브(capacitive probe)의 구조와 원리를 보인 것으로서 도1a에서는 시험체(10)를 향한 두 개의 금속판(11)(12)이 커패시터의 양극과 음극 전극의 역할을 하며, 아래의 시험체(10)가 매질의 역할을 한다. 두 전극판(11)(12) 사이의 전위차가 V라 하면 음극전극(12)에 유도되는 전하는 아래의 수학식1과 같다. 두 전극(11)(12) 사이의 유효 유전율을 ε_eff라 하면 수신기(14)에 흐르는 전류는 아래의 수학식2와 같다. 매질의 유효 유전율 ε_eff는 시험체(10)에 매질과 구조와 시험체(10)와 전극(11)(12) 사이의 거리 즉, 리프트-오프(lift-off) 거리 등에 따라 달라진다.

여기서, I_r : 변위 전류(displacement current)

: 유효 유전율(effective dielectric constance)

E : 전기장 세기(electric field intensity)

만일, 전극(11)(12) 하부의 시험체(10)의 재질이 금속이고 표면에 결함이 있으면, 두 전극(11)(12)에 의한 정전용량(capacitance)가 변하게 되어 전원(13)으로부터 전극(11)(12)을 흐르는 교류의 양이 변하며, 이를 수신기(14)로 측정하면 시험체(10)의 결함의 존재 여부를 알 수 있게 된다.

도2b는 차동형(differential mode)으로서 전원(24)과 연결된 하나의 전극(22)와 수신기(23a)(23b)와 연결된 두 개의 전극(21a)(21b)을 가지며 시험체(20) 의 상부와 일정거리를 두고 이동하는 두 전극(21a)(21b)(22)을 흐르는 전류를 비교하는 방법으로서 두 전류의 위상을 반대로 하면 출력 전압이 영이 되고 시험체(20)에 결함이 한쪽 전극 아래에 있을 때만 출력 전압이 발생하도록 한 것이다. 이 방법은 미세 결함을 찾을 때 증폭기의 배율을 높이기 위한 것이다.

상기한 바와 같이 시험체의 결함을 검출하기 위한 2개 혹은 3개의 전극은 어레이형 용량성 프로브(arrayed acapacitive probe)로서 도2a 내지 도2d에 도시한 바와 같이 플랙시블 PCB(30)에 인쇄된 동일 평면 전극판(40)과 도면에는 도시되지 않았으나 2개의 전극에 가해지는 전원을 제어하고 전극에 형성되는 정전용량의 변화를 전압값의 변화로 변환하여 결함의 유무를 판단하는 프리 앰프(pre-amp)를 포함하는 처리수단 등으로 구성되며, 전극판(40)의 형태는 검사 대상 물체의 표면 형상에 따라 도면에서와 같이 다양하게 변화될 수 있다. 물론, 하나의 음극 전극이나 양극 전극은 일렬로 배열된 다수의 전극판으로 이루어 질 수 있다.

도3a와 도3b는 결함을 검출하기 위한 시험체에 따라 다른 프로브(30)(40)를 가지는 센서 본체(50)(60)를 나타낸 것으로서 도3a는 튜브 형태의 시험체의 결함을 검출하기 위한 차동(differential)형의 프로브(30)(40)가 부착된 센서 본체(50)이고, 도3b는 평면형 시험체(재료)의 표면 굴곡이나 재질 변화에 따른 영향 등을 시험하기 위한 프로브(30)(40)를 가지는 센서 본체(60)이다.

- 금속에 대한 신호 특성

도1 내지 도3에서 설명한 용량성 프로브의 전극 하부에 금속 재질이 근접할 경우 신호의 변화는 금속 시편의 크기에 따라 그 변화 양상이 많이 달라지는 것으로 나타난다. 시편의 크기가 전극에 비하여 상당히 큰 경우에는 도4에 나타난 결과에서 볼 수 있듯이 전극이 시편에 접근함에 따라 전류가 감소한다. 이는 양극에서 발생한 전기장이 금속판에 의하여 차폐되기 때문이다. 그러나 금속의 크기가 전극에 비하여 그다지 크지 않을 경우에는 신호의 변화 양상이 전혀 다르게 측정된다.

도5는 직경이 각각 7, 9, 13, 15 mm인 구리판 위에서 리프트-오프(lift-off) 거리 변화에 따른 신호를 측정한 것이다. 결과에서 볼 수 있듯이 구리판의 직경이 작은 경우에는 전극을 흐르는 전류의 양이 증가할 수도 있음을 나타낸다. 이러한 현상은 금속에 유도된 전하들이 전극 주위에서 전기장을 발생하여 전극에 영향을 끼치기 때문이다.

- 코팅관의 결함 측정

코팅관은 금속과 비금속이 합쳐진 재료이므로 결함이 코팅에도 존재할 수 있고 금속관에도 존재할 수 있다. 일반적으로는 코팅에 존재하는 결함은 용량성 프로브를 적용하고 금속관에 존재하는 결함은 와전류법, 누설 자속 측정법, 용량성 프로브 방법 등 모든 방법을 적용할 수 있다.

하지만 피복 결함 탐지에 사용한 본 발명에 의한 용량성 프로부 방법이 금속관의 박리나 감육 부위를 탐지하는데, 다른 방법에 비해 성능이 뒤지지 않는다. 이는 하나의 대상체에 여러 가지 방법을 동원하는 불편함을 덜 수 있으므로 매우 실용적이고 저렴하게 장비를 구성할 수 있다.

도3a와 같은 형태로 제작된 튜브 검사용 프로브를 이용하여 금속관 두께 3 mm, 테프론 코팅 두께 1mm, 외경 33 mm인 코팅관을 검사하였다. 여기서 사용한 코팅관은 두 개의 금속 결함을 포함하고 있는데 코팅하부에 각각 0.5 mm, 0.75 mm의 깊이로, 가로 5mm, 세로 5 mm의 결함이 가공되어 있다.

이렇게 튜브 검사용 프로브를 이용하여 두 개의 결함을 가지는 코팅관을 측정한 결과는 도6에 도시한 바와 같이 얻어진다. 코팅 하부에 숨겨진 금속 표면 결함이 잘 탐지되고 있으며 가운데 약간의 신호는 코팅 표면의 자연 손상으로 인한 것이다.

코팅 부위의 결함 탐지를 위하여 도6과 같은 결과를 얻은 후 동일한 시편의 코팅 부위에 결함을 가공하였다. 가공된 결함은 직경 2 mm이고 깊이가 각각 0.25, 0.5, 1 mm(관통)인 플랫 드릴 홀(flat drill hole)이다. 이 시편을 시험한 결과 도7과 같은 결과를 얻었다. 도면에서 이텔릭체로 표시된 글자의 윗부분의 신호가 테프론 피막의 결함에서 발생한 신호이다. 결함 신호 위치 이외에서 발생한 잡신호는 결함 가공 중 잘못 가공된 것으로 역시 피막 결함에서 발생한 것이다.

도7에서 볼 수 있듯이 금속 부위와 테프론 부위에 존재하는 결함의 신호는 서로 위상이 반대이다. 즉, 금속 결함은 양(+) 방향의 신호가 긴 반면에 코팅 결함은 음(-) 방향의 신호가 길다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 금속 결함은 차폐 효과 감소에서 오는 전류의 증가가 신호의 주요인이고 코팅 결함은 리프트-오프(lift-off) 거리에 따라 달라지겠으나, 밀접한 거리를 유지하고 탐상할 경우 결함의 존재는 유전율의 저하에 따른 전류의 감소를 가져오기 때문이다.

따라서 본 발명은 신호의 파형과 위상을 관찰하여 결함 종류를 판별할 수 있는 것이다.

따라서 본 발명에 의하면, 동일 평면상에 양극 전극과 음극 전극을 배치하고, 양극 전극에 전원을 공급하면서 금속표면을 지나가는 양극 전극과 음극 전극 사이에 형성되는 정전용량의 변화를 분석하여 금속표면에 결함이 있는지 확인함으로써 금속 표면의 결함을 정확하게 검출할 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 동일 평면상에 인접하게 배치되는 금속 재질의 음극 전극과 양극 전극으로 이루어진 용량성 프로브;

   상기 양극 전극에 전원을 공급하는 전원; 및

   상기 음극전극과 양극전극이 금속 시편을 인접하게 탐상하는 동안 상기 음극전극과 양극전극 간의 전정용량의 변화를 감지하고 이를 분석하여 금속 시편에 결함이 존재하는지를 검출하는 감지 및 검출수단;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 표면의 결함을 측정하기 위한 어레이형 용량성 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 용량성 프로브는, 일렬로 배열된 다수의 양극전극과 일렬로 배열된 다수의 음극전극으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 표면의 결함을 측정하기 위한 어레이형 용량성 센서.
3. 제1항에 있어서,

   상기 용량성 프로브는, 1개의 양극 전극과 1개의 음극 전극을 가지는 절대형 또는 1개의 양극 전극과 2개의 음극 전극을 가지는 차동형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속 표면의 결함을 측정하기 위한 어레이형 용량성 센서.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 용량성 프로브는 F-PCB에 부착된 상태로 센서 본체의 평면 또는 곡면에 부착되는 것을 특징으로 하는 금속 표면의 결함을 측정하기 위한 어레이형 용량성 센서.

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