KR100941684B1 - Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal - Google Patents

Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal Download PDF

Info

Publication number
KR100941684B1
KR100941684B1 KR1020070087511A KR20070087511A KR100941684B1 KR 100941684 B1 KR100941684 B1 KR 100941684B1 KR 1020070087511 A KR1020070087511 A KR 1020070087511A KR 20070087511 A KR20070087511 A KR 20070087511A KR 100941684 B1 KR100941684 B1 KR 100941684B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
piezoelectric element
piezoelectric
pmn
single crystal
ultrasonic
Prior art date
Application number
KR1020070087511A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20090022290A (en
Inventor
김기복
안봉영
김영길
박상기
하정수
Original Assignee
한국표준과학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국표준과학연구원 filed Critical 한국표준과학연구원
Priority to KR1020070087511A priority Critical patent/KR100941684B1/en
Publication of KR20090022290A publication Critical patent/KR20090022290A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100941684B1 publication Critical patent/KR100941684B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • G01N29/11Analysing solids by measuring attenuation of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04Analysing solids
    • G01N29/09Analysing solids by measuring mechanical or acoustic impedance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/36Detecting the response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24Probes
    • G01N29/2406Electrostatic or capacitive probes, e.g. electret or cMUT-probes

Abstract

본 발명은 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 PZT보다 압전특성이 뛰어난 PMN-PT 압전 단결정 재료를 이용하여 발전설비 고감쇠 재료의 비파괴 평가에 적합한 초음파 탐촉자의 개발에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic probe for non-destructive inspection of high attenuation material using PMN-PT piezoelectric single crystal, and more particularly, to non-destruction of high attenuation material for power generation equipment using PMN-PT piezoelectric single crystal material having superior piezoelectric properties than conventional PZT. It relates to the development of an ultrasonic probe suitable for evaluation.

이를 위해, 본 발명은 초음파를 송신 및 수신하는 압전소자; 상기 압전소자의 앞부분에 위치하여 압전소자와 부하(측정대상물) 사이의 음파 투과성을 증가시키는 전면정합층; 상기 압전소자의 뒷부분에 위치하여 압전소자의 진동을 제한하는 후면재; 및 상기 압전소자의 정전용량에 의한 영향을 상쇄시켜주는 전기정합회로;를 포함하여 구성되고, 상기 압전소자는 PMN-PT 압전 단결정인 것을 특징으로 하는 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자를 제공한다.To this end, the present invention is a piezoelectric element for transmitting and receiving ultrasonic waves; A front matching layer positioned at the front of the piezoelectric element to increase acoustic wave transmittance between the piezoelectric element and a load (a measurement object); A rear member positioned at a rear portion of the piezoelectric element to limit vibration of the piezoelectric element; And an electrical matching circuit that cancels the influence of the piezoelectric element due to the capacitance. The piezoelectric element is a PMN-PT piezoelectric single crystal. Provides ultrasonic transducer for

초음파, 탐촉자, PZT, PMN-PT, 정전용량, 압전소자, 전면정합층, 후면재, 전기정합회로, 고감쇠 Ultrasonic, transducer, PZT, PMN-PT, capacitance, piezoelectric element, front matching layer, back material, electrical matching circuit, high attenuation

Description

PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자{Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal}Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal

본 발명은 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 PZT보다 압전특성이 뛰어난 PMN-PT 압전 단결정 재료를 이용하여 발전설비 고감쇠 재료의 비파괴 평가에 적합한 초음파 탐촉자의 개발에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic probe for non-destructive inspection of high attenuation material using PMN-PT piezoelectric single crystal, and more particularly, to non-destruction of high attenuation material for power generation equipment using PMN-PT piezoelectric single crystal material having superior piezoelectric properties than conventional PZT. It relates to the development of an ultrasonic probe suitable for evaluation.

최근 그동안의 고도 성장기에 앞 다투어 건설되었던 원자력 발전설비, 화력 발전설비, 석유 화합플랜트 등 대형 설비들의 사용시기의 경과와 함께 가혹한 사용 환경 등에 따른 각종 부재들의 열화손상으로 인하여 설비의 안전성 문제가 부각되고 있다. The safety issues of the facility are highlighted due to the deterioration of various members due to the severe use environment and the aging of large facilities such as nuclear power plant, thermal power plant, petroleum plant, etc. have.

이들 부재들 중 주로 스테인레스강(SUS)이 고온강도, 내열성, 기계적 성질 등이 뛰어나므로, 발전설비의 고온용 튜브, 파이프 및 각종 장치의 재료로 많이 사 용되고 있다. Among these members, stainless steel (SUS) is mainly used as a material for high-temperature tubes, pipes, and various devices of power generation facilities because of excellent high temperature strength, heat resistance, and mechanical properties.

이들 부재들은 고온 환경에서의 장시간 사용에 따른 열응력, 열피로 등으로 취화현상이 발생하며, 이에 따라 구조물의 기능저하 뿐만 아니라 안전성에 큰 영향을 미치게 된다. These members are embrittled due to thermal stress, thermal fatigue due to long-term use in a high temperature environment, and thus have a great effect on safety as well as functional deterioration of the structure.

따라서 이러한 설비의 안전성 및 잔여수명 등을 정량적으로 평가하는 것이 매우 중요하며, 여러 가지 다양한 비파괴 평가기법 중에서 초음파를 이용한 비파괴평가 기술이 많이 적용되고 있다.Therefore, it is very important to quantitatively evaluate the safety and the remaining life of such equipment, and many of the non-destructive evaluation techniques using ultrasonic are applied to various non-destructive evaluation techniques.

종래의 비파괴검사용 초음파 탐촉자는 탄성파의 감쇠가 심하지 않은 재질이나 재료를 중심으로 개발되어 왔으며, 주로 PZT와 같은 압전 세라믹 소자를 사용하여 왔다.   Conventional non-destructive inspection ultrasonic probes have been developed based on materials or materials that are not attenuated by elastic waves, and have mainly used piezoelectric ceramic elements such as PZT.

그러나 여러 가지 다양한 재질로 구성되는 발전설비 중 특히 고감쇠 재료에 대한 기존의 초음파 탐촉자의 적용은 많은 한계를 가지고 있다. However, the application of the existing ultrasonic probe to the high attenuation material, especially among the power generation equipment composed of many different materials, has many limitations.

즉, 감쇠가 심한 재료내부의 결함을 검출하기 위해서는 고출력 초음파를 이용해야 하며, 이를 위해서는 가능한 한 초음파 주파수가 낮은 것이 바람직하다. In other words, in order to detect defects in the material with high attenuation, high-power ultrasonic waves should be used, and for this purpose, it is desirable that the ultrasonic frequency be as low as possible.

그러나, 초음파 주파수가 낮으면 센서의 감도가 저하되기 때문에, 효율적인 결함 확인이 어렵게 된다. 이러한 점 때문에 선진 외국에서도 감쇠가 심한 재료에 대한 비파괴 검사용 초음파 탐촉자를 개발하기 위한 많은 노력을 기울이고 있다.However, since the sensitivity of the sensor is lowered when the ultrasonic frequency is low, efficient defect identification becomes difficult. For this reason, much effort has been made in developing foreign countries to develop nondestructive ultrasonic probes for materials with high attenuation.

외국의 경우 미국의 Panametrics사, Ultran사, 독일의 KrautKramer사, 일본의 Toray사 등에서 고감쇠 재료용 초음파 탐촉자를 개발하기 위한 연구를 활발히 진행하고 있다. Overseas, Panametrics, Ultran, Germany's KrautKramer, and Toray, Japan, are actively working to develop ultrasonic transducers for high damping materials.

현재 주로 사용되고 있는 초음파 탐촉자는 압전소자로서 PZT를 이용한 탐촉자가 대부분이며, 주요 구성은 압전소자, 후면재, 전면정합층(전면 정합층), 전기 임피던스 정합회로 등으로 구성된다. Ultrasonic transducers currently being used are piezoelectric elements, most of which use PZT, and the main components include piezoelectric elements, backing materials, front matching layers (front matching layers), and electrical impedance matching circuits.

최근에는 새로운 압전재로서 PMN-PT(lead magnesium niobate titanate) 단결정이 주목을 받고 있는데, PMN-PT 단결정은 강유전체 단결정으로서 전계에 의해 전기 분극이 유기되는 압전체 중에서 특정 결정체에서 나타나는 전계를 소거해도 기존의 자발분극이 지워지지 않는 강유전성을 갖는 재료이다. Recently, the lead magnesium niobate titanate (PMN-PT) single crystal has attracted attention as a new piezoelectric material. The PMN-PT single crystal is a ferroelectric single crystal. It is a material having ferroelectricity in which spontaneous polarization is not erased.

이러한 PMN-PT는 뛰어난 압전특성을 갖고 있기 때문에, 초음파 발생소자로서의 응용성이 뛰어나다. Since PMN-PT has excellent piezoelectric characteristics, it is excellent in application as an ultrasonic wave generating element.

따라서, 상기 PMN-PT 압전소자를 이용하여 발전설비 고감쇠 재료의 비파괴 검사에 적합한 초음파 탐촉자의 개발이 필요하다.   Therefore, it is necessary to develop an ultrasonic probe suitable for non-destructive testing of high damping material of power generation equipment using the PMN-PT piezoelectric element.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, KLM 모델을 이용하여 초음파 탐촉자의 특성을 시뮬레이션하고, 이를 기반으로 중심주파수 1 및 2.25 MHz PMN-PT 종파용 초음파 탐촉자를 제작하여 상용 초음파 탐촉자와 그 성능을 비교함으로써, 발전설비 고감쇠 재료의 비파괴 검사에 적합한 초음파 탐촉자를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made in view of the above, by using the KLM model to simulate the characteristics of the ultrasonic transducer, and based on the ultrasonic transducer for the center frequency 1 and 2.25 MHz PMN-PT longitudinal wave to produce a commercial ultrasonic probe and By comparing the performance, the object is to provide an ultrasonic probe suitable for non-destructive testing of high attenuation material of power plant.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고감쇠재료의 비파괴검사용 초음파 탐촉자에 있어서,In the present invention for achieving the above object, in the non-destructive inspection ultrasonic probe of a high attenuation material,

초음파를 송신 및 수신하는 압전소자; 상기 압전소자의 앞부분에 위치하여 압전소자와 부하(측정대상물) 사이의 음파 투과성을 증가시키는 전면정합층; 상기 압전소자의 뒷부분에 위치하여 압전소자의 진동을 제한하는 후면재; 및 상기 압전소자의 정전용량에 의한 영향을 상쇄시켜주는 전기정합회로;를 포함하여 구성되고, 상기 압전소자는 PMN-PT 압전 단결정인 것을 특징으로 한다.Piezoelectric elements for transmitting and receiving ultrasonic waves; A front matching layer positioned at the front of the piezoelectric element to increase acoustic wave transmittance between the piezoelectric element and a load (a measurement object); A rear member positioned at a rear portion of the piezoelectric element to limit vibration of the piezoelectric element; And an electric matching circuit that cancels the influence of the piezoelectric element due to the capacitance. The piezoelectric element is a PMN-PT piezoelectric single crystal.

바람직한 구현예로서, 상기 전면 정합층의 음향 임피던스는 압전소자의 음향 임피던스와 부하의 음향 임피던스의 기하학적 평균으로 얻어지고, 전면 정합층의 두께는 1/4 파장 두께 인 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the acoustic impedance of the front matching layer is obtained as a geometric mean of the acoustic impedance of the piezoelectric element and the acoustic impedance of the load, and the thickness of the front matching layer is 1/4 wavelength thick.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 전면 정합층의 재료는 알루미나 인 것을 특 징으로 한다.In a more preferred embodiment, the material of the front matching layer is alumina.

또한, 상기 후면재는 에폭시와 텅스텐 분말이 일정한 비율로 배합되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the backing material is characterized in that the epoxy and tungsten powder is blended in a constant ratio.

또한, 상기 전기정합회로는 중심주파수에서 인덕턴스를 이용하여 시리즈 튜닝 회로를 구성하여 원하는 주파수 대역에서 정전용량에 의한 영향을 상쇄시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the electric matching circuit is characterized in that the series tuning circuit using the inductance at the center frequency to cancel the effect of the capacitance in the desired frequency band.

또한, 상기 전기정합회로는 압전소자의 정전용량(C0)을 임피던스 분석기를 이용하여 측정한 다음, 식

Figure 112007063202813-pat00001
의 관계를 이용하여 필요한 인덕턴스(L0)를 결정하고, 임피던스 분석기로 중심주파수에 대한 인덕턴스를 측정하면서 고주파용 훼라이트 코어에 상기 식을 만족하도록 감겨진 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the electrical matching circuit measures the capacitance (C 0 ) of the piezoelectric element using an impedance analyzer, and then
Figure 112007063202813-pat00001
The required inductance (L 0 ) is determined using the relationship of, and the coil wound around the high frequency ferrite core to satisfy the above equation while measuring the inductance with respect to the center frequency with an impedance analyzer.

또한, 상기 후면재는 에폭시와 경화제를 일정한 비율로 혼합한 후 텅스텐 분말의 비율을 증가시키면서 배합한 다음, 진공 챔버를 이용하여 에폭시와 텅스텐 분말의 혼합물 속의 기포를 제거하고, 최종적으로 상기 혼합물을 경화시켜 완성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the backing material is mixed with an epoxy and a curing agent at a constant ratio, and then mixed while increasing the proportion of tungsten powder, and then a vacuum chamber is used to remove bubbles in the mixture of epoxy and tungsten powder, and finally, the mixture is cured. It is characterized by being completed.

또한, 양단이 개구된 원통형태의 케이스와, 상기 케이스의 후단에 부착된 보호캡과, 상기 압전소자에 초음파를 전달하도록 케이스의 후단 측면에 장착된 커넥터를 포함하고, 상기 케이스의 전단에서 내부방향으로 전면정합층, 압전소자 및 후 면재가 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, a cylindrical case having both ends opened, a protective cap attached to the rear end of the case, and a connector mounted on the rear side of the case to transmit ultrasonic waves to the piezoelectric element, the inner direction from the front end of the case The front matching layer, the piezoelectric element and the back surface is characterized in that the installation.

또한, 상기 후면재의 제작조건은 KLM 모델에 기반한 초음파 탐촉자 시뮬레이션 프로그램을 통해 분석되는 것을 특징으로 한다.In addition, the manufacturing conditions of the backing material is characterized in that it is analyzed through the ultrasonic transducer simulation program based on the KLM model.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자에 의하면, KLM 모델에 기반한 초음파 탐촉자 시뮬레이션 프로그램을 제작한 후 후면재 제작조건을 분석함으로써, 최적의 초음파 제작조건을 찾을 수 있고, PMN-PT 압전소자를 이용하여 고감쇠 재료의 비파괴 검사에 적합한 초음파 탐촉자를 개발함으로써, 초음파 응답특성 및 탐촉자의 성능을 향상시킬 수 있다.As seen above, according to the ultrasonic transducer for high-damping material non-destructive inspection using PMN-PT piezoelectric single crystal according to the present invention, after producing the ultrasonic transducer simulation program based on the KLM model, by analyzing the conditions of the back material manufacturing, Ultrasonic fabrication conditions can be found, and by using a PMN-PT piezoelectric element to develop an ultrasonic probe suitable for non-destructive testing of high attenuation material, it is possible to improve the ultrasonic response characteristics and the performance of the transducer.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 1, 도 2 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 KLM 모델에 기반한 초음파 탐촉자 시뮬레이션 프로그램의 구성을 설명하기 위한 회로도이고, 도 4는 본 발명에서 사용되는 초음파 측정장치를 나타내는 이미지이고, 도 6은 본 발명에서 사용되는 초음파 측정용 시편을 나타내는 이미지이다.1, 2 and 5 are diagrams for explaining the ultrasonic transducer for high-damping material non-destructive inspection using PMN-PT piezoelectric single crystal according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an ultrasonic transducer based on the KLM model 4 is a circuit diagram for explaining the configuration of the simulation program, FIG. 4 is an image showing the ultrasonic measuring apparatus used in the present invention, and FIG. 6 is an image showing the ultrasonic measuring specimen used in the present invention.

본 발명의 일실시예에 따른 초음파 탐촉자(10)는 초음파의 송수신을 담당하 는 압전소자(11)와, 압전소자(11)와 부하 사이에서 음파의 투과성을 증가시켜주는 전면 정합층(12)과, 압전소자(11)의 후방에서 진동을 제한하는 후면재(13)와, 압전소자(11)의 정전용량에 의한 영향을 상쇄시키는 전기정합회로를 포함한다.Ultrasonic transducer 10 according to an embodiment of the present invention is a piezoelectric element 11 that is responsible for the transmission and reception of ultrasonic waves, and the front matching layer 12 to increase the transmission of sound waves between the piezoelectric element 11 and the load. And a backing material 13 for limiting vibration at the rear of the piezoelectric element 11 and an electric matching circuit for canceling the influence of the capacitance of the piezoelectric element 11.

또한, 상기 초음파 탐촉자(10)는 외형을 형성하는 탐촉자 케이스는 외부케이스(14), 내부케이스(15) 및 보호캡(16)으로 구성되어 있다. 상기 외부케이스(14)에는 커넥터(17)가 장착되는 장착홀이 형성되어 있고, 외부케이스(14)의 하부가 내부케이스(15) 하부 바깥쪽으로 결합되도록 내부케이스(15) 하부에 장착턱이 형성되어 있다.In addition, the ultrasonic transducer 10 has a transducer case forming an outer shape is composed of an outer case 14, an inner case 15 and a protective cap 16. The outer case 14 is provided with a mounting hole for mounting the connector 17, the mounting jaw is formed in the lower inner case 15 so that the lower portion of the outer case 14 is coupled to the outer side of the lower inner case 15 It is.

상기 압전소자(11)는 초음파를 송신 및 수신할 수 있는 능동소자로서, 초음파 탐촉자에서 가장 중요한 요소이다. 압전소자로서는 세라믹 계열의 압전소자인 PZT가 많이 사용 되어 왔으나 PZT 보다 압전특성이 향상된 압전 단결정에 대한 관심이 증가하고 있다. The piezoelectric element 11 is an active element capable of transmitting and receiving ultrasonic waves and is the most important element in an ultrasonic transducer. PZT, which is a ceramic piezoelectric element, has been used as a piezoelectric element, but interest in piezoelectric single crystals having improved piezoelectric characteristics is increasing.

이러한 압전단결정 중 대표적인 재료가 PMN-PT로서, PZT 세라믹스 보다 제조 단가가 비싼 단점이 있지만, 기존의 PZT 세라믹스보다 전기-음향 변환효율을 나타내는 전기기계결합계수(kt)가 약 20%, 송수신 성능을 좌우하는 압전계수가 약 1.5배 이상의 성능을 나타낸다. Of these piezoelectric single-crystal is a typical material for the PMN-PT, but the disadvantage that the manufacturing cost expensive than PZT ceramics, electricity than conventional PZT ceramics - about 20% electromechanical coupling coefficient (k t) representing the sound conversion efficiency, transmission performance The piezoelectric coefficient which determines the performance is about 1.5 times or more.

본 발명에서 적용된 PMN-PT의 주요 특성은 표 1에서 나타내는 바와 같으며, 일반적으로 많이 사용되는 PZT-5A, PZT-5H의 자료와 비교한다. The main characteristics of the PMN-PT applied in the present invention are shown in Table 1, and are compared with the data of PZT-5A and PZT-5H which are commonly used.

Figure 112007063202813-pat00002
Figure 112007063202813-pat00002

이때, 상기 압전소자(11)의 후면에는 전기적 신호를 송수신하기 위해 커넥터(17)의 신호선이 부착되어 있다.In this case, a signal line of the connector 17 is attached to the rear surface of the piezoelectric element 11 to transmit and receive electrical signals.

상기 전면 정합층(12)은 압전소자(10)와 부하 사이에 위치하여, 압전소자(11)와 부하 사이의 음향 임피던스 차이를 개선하며 음파의 투과성을 증가시킨다. 전면 정합층(12)의 최적 음향 임피던스는 압전소자(11)의 음향 임피던스와 부하의 음향 임피던스의 기하학적 평균으로 얻어지며, 이때 전면 정합층의 두께는 1/4 파장 두께로 계산된다. The front matching layer 12 is positioned between the piezoelectric element 10 and the load, thereby improving the acoustic impedance difference between the piezoelectric element 11 and the load and increasing the permeability of sound waves. The optimum acoustic impedance of the front matching layer 12 is obtained by the geometric average of the acoustic impedance of the piezoelectric element 11 and the acoustic impedance of the load, wherein the thickness of the front matching layer is calculated as 1/4 wavelength thickness.

이때 초음파 측정대상물인 부하 즉 고감쇠 재료로 많이 사용되는 스테인리스강의 음향임피던스 45 ~ 50 MRayL를 고려하여 알루미나를 전면 정합층(12) 재료로 선정한다. 이때 선정된 알루미나의 음파 속도, 밀도, 음향 임피던스는 3950 m/s, 11,000 kg/㎥, 43 MRayL이며 두께는 1 MHz 탐촉자의 경우 1.0 mm, 2.25 MHz 탐촉자의 경우 0.45 mm로 제작한다.At this time, the alumina is selected as the front matching layer 12 material in consideration of the acoustic impedance 45 ~ 50 MRayL of stainless steel, which is used as a load, that is, a high damping material, which is an ultrasonic measurement object. The sound velocity, density and acoustic impedance of the selected alumina are 3950 m / s, 11,000 kg / ㎥, 43 MRayL, and the thickness is 1.0 mm for the 1 MHz transducer and 0.45 mm for the 2.25 MHz transducer.

상기 후면재(13)는 압전소자(11)의 뒷부분에서 압전소자(11)의 진동을 제한하는 댐퍼 역할을 하여, 분해능을 높이고 주파수 대역폭을 넓히는 작용을 한다. 또한 후면재(13)는 불필요한 신호의 간섭을 피하기 위해 후면재에 전달된 초음파를 산란 또는 흡수하여 제거할 수 있어야 한다. The backing material 13 acts as a damper to limit the vibration of the piezoelectric element 11 at the rear portion of the piezoelectric element 11, thereby increasing the resolution and widening the frequency bandwidth. In addition, the backing material 13 should be able to scatter or absorb the ultrasonic waves transmitted to the backing material to avoid unnecessary signal interference.

본 발명의 일실시예에 따른 후면재(13)는 에폭시와 평균 입자크기가 25μm인 텅스텐 분말을 배합하여 제작한다. 에폭시는 Araldite GY 509(미국)로서 경화제와 1 : 4의 비율로 혼합한 후 텅스텐 분말의 비율을 증가시키면서 배합한 다음 진공 챔버를 이용하여 내부의 기포를 제거한다. The backing material 13 according to an embodiment of the present invention is manufactured by mixing tungsten powder having an epoxy and an average particle size of 25 μm. Epoxy is Araldite GY 509 (USA), mixed with a curing agent in a ratio of 1: 4, mixed with increasing the proportion of tungsten powder, and then removed from the air bubbles using a vacuum chamber.

최종적으로 상온에서 24시간 경화하여 후면재(13)를 완성하고, 에폭시와 텅스텐 분말의 배합 비율에 따라 제작된 후면재(13) 재료의 밀도와 초음파 투과 속도를 측정하여 음향 임피던스를 계산한다. Finally, after curing for 24 hours at room temperature to complete the backing material 13, the acoustic impedance is calculated by measuring the density and ultrasonic transmission speed of the material of the backing material 13 produced according to the mixing ratio of epoxy and tungsten powder.

초음파 속도를 측정하기 위하여 후면재(13)의 두께를 5 mm로 일정하게 제작하여 중심주파수 2.25 MHz의 초음파 탐촉자 2개를 사용하여 관통 송신(through transmission) 방법을 이용하여 측정하였다. In order to measure the ultrasonic speed, the thickness of the backing material 13 was constantly made at 5 mm and measured using a through transmission method using two ultrasonic probes having a center frequency of 2.25 MHz.

표 2는 본 연구에서 제작된 에폭시와 텅스텐 분말의 배합 비율에 따른 밀도, 초음파 속도, 음향 임피던스를 각각 나타낸다. Table 2 shows the density, the ultrasonic velocity, and the acoustic impedance, respectively, according to the mixing ratio of the epoxy and tungsten powder produced in this study.

Figure 112007063202813-pat00003
Figure 112007063202813-pat00003

상기 초음파 탐촉자의 압전소자는 유전체로서 정전용량을 가지고 있으며, 이러한 정전용량은 압전소자가 초음파 송신기로 사용될 때 초음파신호의 상승시간(rise time)을 증가시킴과 동시에 신호원(signal source)를 분로(shunt)시켜 필요 전류량을 증가시키는 역할을 한다.  The piezoelectric element of the ultrasonic probe has a capacitance as a dielectric, and this capacitance increases the rise time of the ultrasonic signal when the piezoelectric element is used as the ultrasonic transmitter and at the same time shunts a signal source (signal source). shunt) increases the amount of current required.

삭제delete

반면 상기 정전용량은 압전소자가 초음파 수신기로 사용될 때 초음파 변환기의 부하로 작용하여 수신 감도를 감소시키는 역할을 하게 되므로, 정전용량의 영향을 최대한 상쇄시키는 것이 바람직하다.On the other hand, since the capacitance acts as a load of the ultrasonic transducer when the piezoelectric element is used as the ultrasonic receiver, it serves to reduce the reception sensitivity, so it is desirable to cancel the influence of the capacitance as much as possible.

전기정합회로는 중심주파수(f0)에서 인덕턴스를 이용하여 시리즈 튜닝(series tuning) 회로를 구성하여 원하는 주파수 대역에서 정전용량에 의한 영향을 상쇄시킬 수 있다. The electric matching circuit can compensate for the influence of capacitance in a desired frequency band by configuring a series tuning circuit using inductance at the center frequency f 0 .

삭제delete

본 발명의 일실시예에 따른 전기정합회로를 제작하기 위하여 먼저 압전소자(11)의 정전용량(C0)을 임피던스 분석기(HP 4194A, Hewlett Packard, 미국)를 이용하여 측정한 다음 식(1)의 관계를 이용하여 필요한 인덕턴스(L0)를 결정한다. In order to manufacture an electric matching circuit according to an embodiment of the present invention, first, the capacitance C 0 of the piezoelectric element 11 is measured using an impedance analyzer (HP 4194A, Hewlett Packard, USA), and then Equation (1) Determine the required inductance (L 0 ) using the relationship of.

Figure 112007063202813-pat00004
Figure 112007063202813-pat00004

임피던스 분석기로 중심주파수에 대한 인덕턴스를 측정하면서 고주파용 훼라이트 코어에 코일을 감아서 식(1)을 만족하는 코일을 제작한다. 표 3은 각 중심주파수에서 측정된 정전용량과 제작된 코일의 인덕턴스를 나타낸다.While measuring the inductance with respect to the center frequency with an impedance analyzer, the coil is wound around the ferrite core for high frequency to produce a coil satisfying Equation (1). Table 3 shows the capacitance measured at each center frequency and the inductance of the fabricated coil.

Figure 112007063202813-pat00005
Figure 112007063202813-pat00005

실험예Experimental Example

초음파 탐촉자(10)의 최적 설계 값들을 찾기 위해 KLM 모델과 전송선로 이론을 이용하여 전면정합층(12), 후면재(13)의 조건들을 바꾸어 가면서 초음파 탐촉자(10)의 응답신호를 분석하였다. In order to find the optimal design values of the ultrasonic transducer 10, the response signals of the ultrasonic transducer 10 were analyzed by changing the conditions of the front matching layer 12 and the backing material 13 using the KLM model and transmission line theory.

박판형 압전소자의 전기-기계 결합 효과를 해석하기 위해 개발된 KLM 모델은 1970년에 Krimholz, Leedom 그리고 Mattaei에 의해 제안된 등가회로이다. KLM 모델에서는 압전소자(11)의 음향부분을 전송선로로 가정함으로써, 압전소자(11)와 전면정합층(12)이 직렬로 연결된 경우에도 물리적 해석이 쉽다는 장점이 있다. The KLM model, developed to analyze the electro-mechanical coupling effect of thin piezoelectric elements, is an equivalent circuit proposed by Krimholz, Leedom and Mattaei in 1970. In the KLM model, the acoustic part of the piezoelectric element 11 is assumed to be a transmission line, so that the physical analysis is easy even when the piezoelectric element 11 and the front matching layer 12 are connected in series.

KLM 모델에 기반한 초음파 탐촉자 시뮬레이션 프로그램은 초음파 탐촉자(10)를 도 3에서와 같은 회로망 형태로 구성한 후 왕복전달함수로 표현하여 초음파 탐촉자의 임펄스 응답을 얻는다. In the ultrasonic transducer simulation program based on the KLM model, the ultrasonic transducer 10 is configured in a network form as shown in FIG. 3 and then expressed as a reciprocating transfer function to obtain an impulse response of the ultrasonic transducer.

이러한 시뮬레이션 과정을 통해 초음파 탐촉자(10) 제작에 필요한 최적 설계변수와 응답 신호 예측이 가능하다. 시뮬레이션을 위한 프로그램은 MATLAB 소프트웨어로 작성하였다.Through this simulation process, it is possible to predict the optimum design variables and response signals required for manufacturing the ultrasonic transducer 10. The program for simulation was written in MATLAB software.

시뮬레이션에서 부하 조건은 오스테나이트계 SUS316으로 하였으며, 시뮬레이션에 필요한 변수는 표 1의 자료를 이용하였다. 이때 압전소자(11)와 전면정합층(12) 사이의 접합을 위한 에폭시의 두께와 음향임피던스 정합을 위한 커플런트 두께에 따라 초음파 탐촉자의 특성에 많은 영향을 미칠 수 있으므로, 본 시뮬레이션에서는 각각의 두께를 1μm로 고정하여 시뮬레이션 하였다. The load condition in the simulation was austenitic SUS316, and the variables required for the simulation were used in the data in Table 1. In this simulation, since the thickness of the epoxy for bonding between the piezoelectric element 11 and the front matching layer 12 and the thickness of the coupler for matching the acoustic impedance may greatly affect the characteristics of the ultrasonic probe, the thickness of each of the ultrasonic transducers may be reduced. It was simulated by fixing to 1μm.

또한 압전소자(11)의 전극두께는 Au로서 수백 Å정도 이므로 전극두께의 영향은 무시하였다. 따라서 압전소자(11), 전면정합층(12), 접합을 위한 에폭시의 특성은 고정되어 있으므로, 후면재(13)의 음향임피던스를 바꾸어 가면서 초음파 탐촉자(10)의 응답특성을 시뮬레이션 하였다. In addition, since the electrode thickness of the piezoelectric element 11 was about several hundred micrometers as Au, the influence of the electrode thickness was ignored. Therefore, the piezoelectric element 11, the front matching layer 12, and the properties of the epoxy for bonding is fixed, so that the response characteristics of the ultrasonic probe 10 while simulating the acoustic impedance of the back material 13 was simulated.

상기 개발된 고감쇠 재료용 초음파 탐촉자(10)의 특성을 측정하기 위하여 펄스-에코(pulse-echo) 법을 이용하였으며, 실험 장치는 도 4에서와 같은 초음파 측정장치를 구성하였다. The pulse-echo method was used to measure the characteristics of the developed ultrasonic transducer 10 for the high attenuation material, and the experimental apparatus constituted the ultrasonic measuring apparatus as shown in FIG. 4.

펄서/리시버는 Panametrics사(미국)의 5601A/T를 이용하였으며, 수신되는 초음파 신호를 저장하고 분석하기 위하여 LeCroy사(미국)의 오실로스코프를 사용하였다. The Pulsar / Receiver used a 5601A / T from Panametrics (USA) and a LeCroy (USA) oscilloscope to store and analyze the received ultrasound signal.

고감쇠용 초음파 탐촉자(10)의 중심주파수는 1 MHz 및 2.25 MHz 탐촉자(도 5)이며, 성능비교를 위하여 동일한 직경의 압전소자를 갖는 상용 탐촉자를 이용하였다. 상용 탐촉자로는 Panametric사(미국)의 1MHz 초음파 탐촉자(A 103R)와 Savelery사(미국)의 2.25MHz(CMC-0204)를 각각 이용하였다. 초음파 시험에 사용된 고감쇠 재료는 두산중공업(주)에서 제공한 오스테나이트계 SUS316 시편(18)을 이용하였으며, 도 6에서 보는바와 같다. The center frequencies of the high-damping ultrasonic transducer 10 are 1 MHz and 2.25 MHz transducers (FIG. 5), and a commercial transducer having a piezoelectric element of the same diameter was used for performance comparison. Commercially available transducers were Panametric (USA) 1 MHz ultrasonic transducer (A 103R) and Savelery (USA) 2.25 MHz (CMC-0204). The high attenuation material used in the ultrasonic test was used austenitic SUS316 specimen 18 provided by Doosan Heavy Industries, Ltd., as shown in FIG.

평가 및 분석Assessment and analysis

상기 후면재의 음향임피던스는 표 2에서 나타낸 바와 같이 에폭시와 텅스텐 입자의 배합비율을 다르게 제작하여 미리 측정해 두었고, 표 2의 배합비율을 적용하여 초음파 탐촉자의 응답신호를 분석하였다. As shown in Table 2, the acoustic impedance of the backing material was measured and prepared in advance by varying the mixing ratio of epoxy and tungsten particles. The response signal of the ultrasonic probe was analyzed by applying the mixing ratio of Table 2.

도 7 및 도 8은 중심주파수가 1 MHz 및 2.25 MHz의 PMN-PT 압전소자(11)와 후면재(13), 전면정합층(12), 에폭시 접합 층으로 구성된 초음파 탐촉자(10)와, SUS316 시험편(18), 초음파 탐촉자(10)와 시험편(18)의 접촉 매질인 커플런트층으로 구성된 실험예의 시험결과를 각각 나타낸다. 7 and 8 illustrate an ultrasonic probe 10 including a PMN-PT piezoelectric element 11, a backing material 13, a front matching layer 12, and an epoxy bonding layer having a center frequency of 1 MHz and 2.25 MHz, and SUS316. Test results of the experimental example constituted by the test piece 18, the ultrasonic probe 10, and the coupler layer, which is a contact medium between the test piece 18, are shown.

도 7a는 에폭시와 텅스텐 입자의 배합비율이 1 : 4인 경우로서 이때의 측정된 음향임피던스는 6.1 MRayL이며, 도 7b는 에폭시와 텅스텐 입자의 배합비율이 1 : 6인 경우로서 음향임피던스는 8.5 MRayL을 각각 나타낸다. FIG. 7A shows a case where the compounding ratio of epoxy and tungsten particles is 1: 4, and the measured acoustic impedance at this time is 6.1 MRayL. FIG. 7B shows a case where the compounding ratio of epoxy and tungsten particles is 1: 6, and the acoustic impedance is 8.5 MRayL. Respectively.

상기 음향임피던스가 6.1 MRayL에서 8.5 MRayL로 증가할 경우 초음파 응답신호의 크기는 약 3dB 정도 감소하는 것을 알 수 있었으며, 도 7a의 경우 피크 주파수와 중심주파수는 약 1.2 MHz, 대역폭은 33.3% 정도로서 공진형 탐촉자의 특성을 나타내는 것으로 분석되었다. When the acoustic impedance is increased from 6.1 MRayL to 8.5 MRayL, it can be seen that the magnitude of the ultrasonic response signal decreases by about 3 dB. In FIG. 7A, the peak frequency and the center frequency are about 1.2 MHz, and the bandwidth is about 33.3%. It was analyzed to show the characteristics of the probe.

도 8a는 에폭시와 텅스텐 입자의 배합비율이 1 : 4일 때의 결과이며, 도 8b는 1 : 6일 때의 결과를 각각 나타낸다. 도 7의 결과와 유사하게 음향임피던스가 증가할 경우 초음파 응답신호의 크기는 약 3.5dB 정도 감소하는 것을 알 수 있었다. 도 8a에서 피크 주파수는 2.15MHz, 중심주파수는 1.95MHz, 대역폭은 약 46.2%를 나타내었다. 8A shows the results when the mixing ratio of epoxy and tungsten particles is 1: 4, and FIG. 8B shows the results when 1: 6. Similar to the results of FIG. 7, it can be seen that when the acoustic impedance increases, the magnitude of the ultrasonic response signal decreases by about 3.5 dB. In FIG. 8A, the peak frequency is 2.15 MHz, the center frequency is 1.95 MHz, and the bandwidth is about 46.2%.

이상의 시뮬레이션 결과를 근거로 하여 에폭시와 텅스텐 입자의 배합비율을 1 : 4로 하여 PMN-PT 초음파 탐촉자를 제작하였다. 도 9 및 도 10은 제작된 1 MHz 및 2.25 MHz 초음파 탐촉자를 고감쇠용 시편에 펄스-에코법을 적용하여 얻어지는 첫 번째 반사신호와 이 신호에 대한 주파수 분석 결과를 각각 나타낸다. Based on the above simulation results, the PMN-PT ultrasonic probe was produced with the mixing ratio of epoxy and tungsten particles as 1: 4. 9 and 10 show the first reflection signal obtained by applying the pulse-echo method to the high-damping specimens of the manufactured 1 MHz and 2.25 MHz ultrasonic transducers, and the results of frequency analysis of the signals, respectively.

도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 중심주파수 1 MHz를 갖는 PMN-PT 초음파 탐촉자(10)에 대한 반사신호의 크기를 나타내고, 도 9b는 중심주파수 1 MHz를 갖는 상용의 초음파 탐촉자에 대한 반사신호의 크기를 나타낸다.Figure 9a shows the magnitude of the reflected signal for the PMN-PT ultrasonic transducer 10 having a center frequency of 1 MHz according to an embodiment of the present invention, Figure 9b is a reflection of a commercial ultrasonic transducer having a center frequency of 1 MHz Indicates the magnitude of the signal.

도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 중심주파수 2.25 MHz를 갖는 PMN-PT 초음파 탐촉자(10)에 대한 반사신호의 크기를 나타내고, 도 10b는 중심주파수 2.25 MHz를 갖는 상용의 초음파 탐촉자에 대한 반사신호의 크기를 나타낸다.Figure 10a shows the magnitude of the reflected signal for the PMN-PT ultrasonic transducer 10 having a center frequency of 2.25 MHz according to an embodiment of the present invention, Figure 10b is a reflection of a commercial ultrasonic transducer having a center frequency of 2.25 MHz Indicates the magnitude of the signal.

본 발명의 반사신호가 상용의 초음파 탐촉자의 반사신호에 비하여 약 9.54dB 정도 크게 나타남을 알 수 있었고, 중심주파수는 1.4 MHz, 대역폭은 39%정도로서 공진형 특성을 나타내었다. It can be seen that the reflected signal of the present invention is about 9.54 dB larger than that of a commercially available ultrasonic probe, and the center frequency is 1.4 MHz and the bandwidth is about 39%.

또한 도 10에서 2.25 MHz 탐촉자의 경우도 마찬가지로 본 발명의 일실시예에 따른 탐촉자가 상용의 초음파 탐촉자 보다 반사신호가 11.13dB 정도 크게 나타났다. 이때, 중심주파수는 2.5 MHz, 대역폭은 약 40%정도를 나타내었다. In addition, in the case of the 2.25 MHz transducer in FIG. 10, the probe according to the embodiment of the present invention showed a reflected signal about 11.13 dB greater than that of a commercial ultrasonic probe. At this time, the center frequency is 2.5 MHz, the bandwidth was about 40%.

본 발명의 일실시예에 따른 탐촉자 제작 조건은 향후 5 MHz 주파수 및 그 이상의 주파수에서도 적용할 수 있다.The transducer manufacturing conditions according to an embodiment of the present invention can be applied to frequencies of 5 MHz and higher in the future.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자를 나타내는 단면도이고,1 is a cross-sectional view showing an ultrasonic transducer for high-damping material non-destructive inspection using a PMN-PT piezoelectric single crystal according to an embodiment of the present invention,

도 2는 도 1의 분해사시도이고,Figure 2 is an exploded perspective view of Figure 1,

도 3은 KLM 모델에 기반한 초음파 탐촉자 시뮬레이션 프로그램의 구성을 설명하기 위한 회로도이고,3 is a circuit diagram for explaining the configuration of the ultrasonic transducer simulation program based on the KLM model,

도 4는 본 발명에서 사용되는 초음파 측정장치를 나타내는 이미지이고,4 is an image showing an ultrasonic measuring apparatus used in the present invention,

도 5는 도 2의 결합사시도이고,5 is a perspective view of the combination of FIG.

도 6은 본 발명에서 사용되는 초음파 측정용 시편을 나타내는 이미지이고,6 is an image showing the ultrasonic measurement specimen used in the present invention,

도 7a 내지 도 8b는 중심주파수가 1 MHz 및 2.25 MHz의 PMN-PT 압전소자를 이용한 초음파 탐촉자의 후면재의 배합에 따른 음향 임피던스를 각각 나타내는 그래프이고,7A to 8B are graphs showing acoustic impedances according to the combination of the backing material of the ultrasonic probe using PMN-PT piezoelectric elements having a center frequency of 1 MHz and 2.25 MHz, respectively.

도 9a 내지 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따른 PMN-PT 초음파 탐촉자와 상용의 초음파 탐촉자에 대한 반사신호의 크기를 비교한 그래프이다.9A to 10B are graphs comparing the magnitudes of reflected signals for a PMN-PT ultrasonic probe and a commercially available ultrasonic probe according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 초음파 탐촉자 11 : 압전소자10: ultrasonic transducer 11: piezoelectric element

12 : 전면정합층 13 : 후면재12: front matching layer 13: back material

14 : 외부케이스 15 : 내부케이스14: outer case 15: inner case

16 : 보호캡 17 : 커넥터16: protective cap 17: connector

18 : 시편18: Psalms

Claims (9)

삭제delete 고감쇠재료의 비파괴검사용 초음파 탐촉자에 있어서,In the ultrasonic probe for non-destructive inspection of high damping material, 초음파를 송신 및 수신하는 압전소자;Piezoelectric elements for transmitting and receiving ultrasonic waves; 상기 압전소자의 앞부분에 위치하여 압전소자와 부하(측정대상물) 사이의 음파 투과성을 증가시키는 전면정합층;A front matching layer positioned at the front of the piezoelectric element to increase acoustic wave transmittance between the piezoelectric element and a load (a measurement object); 상기 압전소자의 뒷부분에 위치하여 압전소자의 진동을 제한하는 후면재; 및A rear member positioned at a rear portion of the piezoelectric element to limit vibration of the piezoelectric element; And 상기 압전소자의 정전용량에 의한 영향을 상쇄시켜주는 전기정합회로;An electric matching circuit canceling the influence of the capacitance of the piezoelectric element; 를 포함하여 구성되고, 상기 압전소자는 PMN-PT 압전 단결정이며,It is configured to include, the piezoelectric element is a PMN-PT piezoelectric single crystal, 상기 전면 정합층의 음향 임피던스는 압전소자의 음향 임피던스와 부하의 음향 임피던스의 기하학적 평균으로 얻어지고, 전면 정합층의 두께는 1/4 파장 두께 인 것을 특징으로 하는 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자.The acoustic impedance of the front matching layer is obtained by the geometric mean of the acoustic impedance of the piezoelectric element and the acoustic impedance of the load, and the thickness of the front matching layer is 1/4 wavelength thick. Ultrasonic transducer for nondestructive testing of materials. 삭제delete 고감쇠재료의 비파괴검사용 초음파 탐촉자에 있어서,In the ultrasonic probe for non-destructive inspection of high damping material, 초음파를 송신 및 수신하는 압전소자;Piezoelectric elements for transmitting and receiving ultrasonic waves; 상기 압전소자의 앞부분에 위치하여 압전소자와 부하(측정대상물) 사이의 음파 투과성을 증가시키는 전면정합층;A front matching layer positioned at the front of the piezoelectric element to increase acoustic wave transmittance between the piezoelectric element and a load (a measurement object); 상기 압전소자의 뒷부분에 위치하여 압전소자의 진동을 제한하는 후면재; 및A rear member positioned at a rear portion of the piezoelectric element to limit vibration of the piezoelectric element; And 상기 압전소자의 정전용량에 의한 영향을 상쇄시켜주는 전기정합회로;An electric matching circuit canceling the influence of the capacitance of the piezoelectric element; 를 포함하여 구성되고, 상기 압전소자는 PMN-PT 압전 단결정이며, It is configured to include, the piezoelectric element is a PMN-PT piezoelectric single crystal, 상기 후면재는 에폭시와 텅스텐 분말이 일정한 비율로 배합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자.The backing material is an ultrasonic probe for high-damping material non-destructive inspection using PMN-PT piezoelectric single crystal, characterized in that the epoxy and tungsten powder is blended in a constant ratio. 고감쇠재료의 비파괴검사용 초음파 탐촉자에 있어서,In the ultrasonic probe for non-destructive inspection of high damping material, 초음파를 송신 및 수신하는 압전소자;Piezoelectric elements for transmitting and receiving ultrasonic waves; 상기 압전소자의 앞부분에 위치하여 압전소자와 부하(측정대상물) 사이의 음파 투과성을 증가시키는 전면정합층;A front matching layer positioned at the front of the piezoelectric element to increase acoustic wave transmittance between the piezoelectric element and a load (a measurement object); 상기 압전소자의 뒷부분에 위치하여 압전소자의 진동을 제한하는 후면재; 및A rear member positioned at a rear portion of the piezoelectric element to limit vibration of the piezoelectric element; And 상기 압전소자의 정전용량에 의한 영향을 상쇄시켜주는 전기정합회로;An electric matching circuit canceling the influence of the capacitance of the piezoelectric element; 를 포함하여 구성되고, 상기 압전소자는 PMN-PT 압전 단결정이며, It is configured to include, the piezoelectric element is a PMN-PT piezoelectric single crystal, 상기 전기정합회로는 중심주파수에서 인덕턴스를 이용하여 시리즈 튜닝 회로를 구성하여 원하는 주파수 대역에서 정전용량에 의한 영향을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자.The electrical matching circuit comprises a series tuning circuit using an inductance at a center frequency to offset the influence of capacitance in a desired frequency band by using a PMN-PT piezoelectric single crystal high-damping material ultrasonic inspection probe. 청구항 5에 있어서,The method according to claim 5, 상기 전기정합회로는 압전소자의 정전용량(C0)을 임피던스 분석기를 이용하여 측정한 다음, 식
Figure 112009058709114-pat00006
의 관계를 이용하여 필요한 인덕턴스(L0)를 결정하고, 임피던스 분석기로 중심주파수(f0)에 대한 인덕턴스를 측정하면서 고주파용 훼라이트 코어에 상기 식을 만족하도록 감겨진 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자.
The electric matching circuit measures the capacitance (C 0 ) of the piezoelectric element by using an impedance analyzer, and then
Figure 112009058709114-pat00006
Determining the required inductance (L 0 ) using the relationship of, and measuring the inductance with respect to the center frequency (f 0 ) with an impedance analyzer, characterized in that it comprises a coil wound to satisfy the above equation in the ferrite core for high frequency Ultrasonic transducer for high-damping material nondestructive testing using PMN-PT piezoelectric single crystal.
고감쇠재료의 비파괴검사용 초음파 탐촉자에 있어서,In the ultrasonic probe for non-destructive inspection of high damping material, 초음파를 송신 및 수신하는 압전소자;Piezoelectric elements for transmitting and receiving ultrasonic waves; 상기 압전소자의 앞부분에 위치하여 압전소자와 부하(측정대상물) 사이의 음파 투과성을 증가시키는 전면정합층;A front matching layer positioned at the front of the piezoelectric element to increase acoustic wave transmittance between the piezoelectric element and a load (a measurement object); 상기 압전소자의 뒷부분에 위치하여 압전소자의 진동을 제한하는 후면재; 및A rear member positioned at a rear portion of the piezoelectric element to limit vibration of the piezoelectric element; And 상기 압전소자의 정전용량에 의한 영향을 상쇄시켜주는 전기정합회로;An electric matching circuit canceling the influence of the capacitance of the piezoelectric element; 를 포함하여 구성되고, 상기 압전소자는 PMN-PT 압전 단결정이며,It is configured to include, the piezoelectric element is a PMN-PT piezoelectric single crystal, 상기 후면재는 에폭시와 경화제를 일정한 비율로 혼합한 후 텅스텐 분말의 비율을 증가시키면서 배합한 다음, 진공 챔버를 이용하여 에폭시와 텅스텐 분말의 혼합물 속의 기포를 제거하고, 최종적으로 상기 혼합물을 경화시켜 완성되는 것을 특징으로 하는 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자.The backing material is mixed with an epoxy and a curing agent at a constant ratio, and then mixed while increasing the proportion of tungsten powder, and then a bubble is removed from the mixture of the epoxy and tungsten powder using a vacuum chamber, and finally, the mixture is cured. Ultrasonic transducer for high-damping material non-destructive inspection using PMN-PT piezoelectric single crystal. 고감쇠재료의 비파괴검사용 초음파 탐촉자에 있어서,In the ultrasonic probe for non-destructive inspection of high damping material, 초음파를 송신 및 수신하는 압전소자;Piezoelectric elements for transmitting and receiving ultrasonic waves; 상기 압전소자의 앞부분에 위치하여 압전소자와 부하(측정대상물) 사이의 음파 투과성을 증가시키는 전면정합층;A front matching layer positioned at the front of the piezoelectric element to increase acoustic wave transmittance between the piezoelectric element and a load (a measurement object); 상기 압전소자의 뒷부분에 위치하여 압전소자의 진동을 제한하는 후면재; 및A rear member positioned at a rear portion of the piezoelectric element to limit vibration of the piezoelectric element; And 상기 압전소자의 정전용량에 의한 영향을 상쇄시켜주는 전기정합회로;An electric matching circuit canceling the influence of the capacitance of the piezoelectric element; 를 포함하여 구성되고, 상기 압전소자는 PMN-PT 압전 단결정이며, It is configured to include, the piezoelectric element is a PMN-PT piezoelectric single crystal, 양단이 개구된 원통형태의 케이스와, 상기 케이스의 후단에 부착된 보호캡과, 상기 압전소자에 초음파를 전달하도록 케이스의 후단 측면에 장착된 커넥터를 포함하고, 상기 케이스의 전단에서 내부방향으로 전면정합층, 압전소자 및 후면재가 설치되는 것을 특징으로 하는 PMN-PT 압전 단결정을 이용한 고감쇠 재료 비파괴 검사용 초음파 탐촉자.A cylindrical case having both ends opened, a protective cap attached to the rear end of the case, and a connector mounted on the rear side of the case to transmit ultrasonic waves to the piezoelectric element, and the front face inward from the front end of the case. Ultrasonic transducer for high-damping material non-destructive inspection using PMN-PT piezoelectric single crystal characterized in that the matching layer, the piezoelectric element and the backing material is installed. 삭제delete
KR1020070087511A 2007-08-30 2007-08-30 Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal KR100941684B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070087511A KR100941684B1 (en) 2007-08-30 2007-08-30 Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020070087511A KR100941684B1 (en) 2007-08-30 2007-08-30 Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20090022290A KR20090022290A (en) 2009-03-04
KR100941684B1 true KR100941684B1 (en) 2010-02-12

Family

ID=40692188

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020070087511A KR100941684B1 (en) 2007-08-30 2007-08-30 Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100941684B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101654296B1 (en) 2015-03-12 2016-09-05 (주)엘라켐 Ultrasonography probe with piezoelectric element

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009046148A1 (en) 2009-10-29 2011-05-05 Robert Bosch Gmbh Ultrasonic transducer for use in a fluid medium
KR101659050B1 (en) 2014-07-14 2016-09-23 한국기계연구원 Air-coupled ultrasonic transducer using metamaterials

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100589689B1 (en) 2004-06-21 2006-06-19 주식회사 리트로닉스 Adaptive Coupling Circuits Using Multi Resonance Tanks
KR20060085251A (en) * 2003-10-31 2006-07-26 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 Oscillator circuit including surface acoustic wave sensor, and biosensor apparatus
WO2006132822A2 (en) 2005-06-07 2006-12-14 Momentive Performance Materials Inc. (A Delaware Corporation) Method for making electronic devices
US7211060B1 (en) * 1998-05-06 2007-05-01 Exogen, Inc. Ultrasound bandages

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7211060B1 (en) * 1998-05-06 2007-05-01 Exogen, Inc. Ultrasound bandages
KR20060085251A (en) * 2003-10-31 2006-07-26 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 Oscillator circuit including surface acoustic wave sensor, and biosensor apparatus
KR100589689B1 (en) 2004-06-21 2006-06-19 주식회사 리트로닉스 Adaptive Coupling Circuits Using Multi Resonance Tanks
WO2006132822A2 (en) 2005-06-07 2006-12-14 Momentive Performance Materials Inc. (A Delaware Corporation) Method for making electronic devices

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101654296B1 (en) 2015-03-12 2016-09-05 (주)엘라켐 Ultrasonography probe with piezoelectric element

Also Published As

Publication number Publication date
KR20090022290A (en) 2009-03-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Fabrication and comparison of PMN-PT single crystal, PZT and PZT-based 1-3 composite ultrasonic transducers for NDE applications
Holland et al. Air-coupled acoustic imaging with zero-group-velocity Lamb modes
Castaings et al. The generation, propagation, and detection of Lamb waves in plates using air‐coupled ultrasonic transducers
Theobald et al. Couplants and their influence on AE sensor sensitivity
Ma et al. Feasibility study of sludge and blockage detection inside pipes using guided torsional waves
US9586234B2 (en) High temperature ultrasonic probe and pulse-echo probe mounting fixture for testing and blind alignment on steam pipes
Goujon et al. Behaviour of acoustic emission sensors using broadband calibration techniques
KR100941684B1 (en) Ultrasonic Transducer for Non-destructive Evaluation of Highly Attenuative Material using PMN-PT single crystal
Lopez-Sanchez et al. Determination of an ultrasonic transducer's sensitivity and impedance in a pulse-echo setup
US9702855B2 (en) Acoustic interface device
Kim et al. Application of KLM model for an ultrasonic through-transmission method
KR101483209B1 (en) Advanced Transformer Deterioration Diagnosis System Based on AE sensor with New Piezoelectric material
Williams Jr et al. Ultrasonic input-output for transmitting and receiving longitudinal transducers coupled to same face of isotropic elastic plate
JP2003130851A (en) Elastic parameter measuring device for material surface and coating layer
CN206020343U (en) Ultrasonic probe gong type chip and the probe using ultrasonic probe gong type chip
Amini Design and manufacture of an ultrasonic transducer for long-term high temperature operation
Drewry et al. Ultrasonic techniques for detection of weak adhesion
Zhang et al. Adapting 1-D phononic crystals to contact nonlinear ultrasonics for enhancing damage detection in concrete
Massaad et al. Acoustic design of a transducer array for ultrasonic clamp-on flow metering
Vladišauskas et al. Pulse and frequency responses of broadband low frequency ultrasonic transducers
Lee et al. A double-layered line-focusing PVDF transducer and V (z) measurement of surface acoustic wave
Lee et al. High temperatures health monitoring of the condensed water height in steam pipe systems
Drinkwater et al. An ultrasonic wheel probe alternative to liquid coupling
Vladišauskas et al. Development of the non-damped wide-band ultrasonic transducers
Hayward et al. Ceramic-epoxy composite transducers for noncontacting ultrasonic applications

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121207

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140108

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150224

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151210

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161202

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191120

Year of fee payment: 11