KR101066247B1 - 멀티 루프 코일을 구비하는 판재용 비접촉식 트랜스듀서 - Google Patents

멀티 루프 코일을 구비하는 판재용 비접촉식 트랜스듀서 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 판재의 모달 테스팅이나 판재의 비접촉식 비파괴 검사를 보다 간편하게 수행할 수 있게 하는 멀티 루프 코일을 구비하는 비접촉식 트랜스듀서를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 두 개 이상의 폐곡선부를 구비하고, 판재의 상측에 판재와 이격되어 배치되는 멀티 루프 코일; 및 N극과 S극 사이의 중립면이 상기 판재와 평행하게 배치되어 정자기장을 형성하는 자석을 포함하고, 상기 판재는 도전체로 만들어지며, 상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 판재의 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 정자기장 형성부에 의한 정자기장에서 상기 판재의 평면 방향에 나란한 성분의 정자기장과 상기 와전류에 의해 상기 판재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있고, 상기 판재를 따라 파동이 전달될 때, 판재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서를 제공한다.
전자기 음향 변환기, 모달 테스팅, 가진 장치, 센서

Description

멀티 루프 코일을 구비하는 판재용 비접촉식 트랜스듀서{Non-contact type transducer for plate having multi-loop coil}
본 발명은 판재에 모달 테스팅(modal testing)이나 비파괴 검사를 수행할 수 있는 트랜스듀서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멀티 루프 코일(multi-loop coil)을 이용하여 테스팅 대상 부재인 판재를 비접촉식으로 가진하거나 가진된 부재에 전파되는 신호를 측정하여 구조물의 구조 진단을 수행하는 멀티 루프 코일을 구비하는 비접촉식 트랜스듀서에 관한 것이다.
본 발명은 한국과학재단 및 서울대학교산학협력단의 신기술 연구 개발 지원 사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.
[과제고유번호: 2009-0083279, 과제명: 다물리 복합 구조시스템의 창의적 설계를 위한 멀티스케일 패러다임]
기계 장치의 설계나 상태의 점검 등에 있어서, 많은 경우에 구조적인 안정성을 검토하기 위해 모달 테스팅을 수행한다. 모달 테스팅을 통해 얻은 고유 진동수(natural frequency) 및 모드 형상(mode shape) 등의 정보를 얻고, 이를 설계에 반영하면 기계 장치가 작동 중에 일으키는 진동에 의한 공진 파손, 마모 등을 미연 에 방지할 수 있어서, 기계 장치의 파손 방지하는 등 기계 장치의 구조적인 안정성을 도모할 수 있다.
기계 장치를 구성하는 부재의 진동에 따른 진동 특성을 파악하기 위한 모달 테스팅을 수행하기 위해서는 테스팅 대상 부재에 진동을 발생시키고 이를 측정하여야 한다.
도 1에는 판재에 대해 모달 테스팅을 수행하는 종래의 방식을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 1에 도시된 것과 같이, 종래에는 테스팅 대상인 판재에 진동을 발생시키기 위해 임팩트 해머를 사용하여 사람이 진동을 발생시키는 것이 일반적이었다. 또한, 가진된 테스팅 부재를 따라 전달되는 신호를 측정하기 위해 상용품으로 나와 있는 가속도계를 테스팅 부재에 부착하여 사용하여 왔다. 그러나 사람이 임팩트 해머를 사용하여 가진을 하는 경우에는 실험의 반복 재현성이 보장되지 않는 문제점이 있었다.
이에 판재의 모달 테스팅에서 테스팅 대상 부재를 일정하게 가진할 수 있고, 또 이를 측정할 수 있는 장치 및 방법을 개발할 필요성이 크게 대두되게 되었다.
또한, 모달 테스팅의 경우가 아니더라도 기계요소에 있어서 비파괴 검사 등을 통해 구조 진단을 하고자 하는 경우에는 이를 비접촉식으로 수행하기에는 어려움이 있었다. 특히, 기설치된 기계요소의 경우에는 이를 분해하여 검사를 수행하여야 하거나, 다른 기계요소와의 간섭에 의해 접촉식으로는 구조 진단을 수행하기 어려운 경우가 많았다.
이에 설치가 간단하여 판재의 구조 진단을 손쉽게 수행할 수 있는 트랜스듀서의 개발 필요성이 크게 대두되어 왔다.
본 발명은 상기한 문제점을 포함한 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 판재의 모달 테스팅이나 판재의 비접촉식 비파괴 검사를 보다 간편하게 수행할 수 있게 하는 멀티 루프 코일을 구비하는 비접촉식 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 두 개 이상의 폐곡선부를 구비하고, 판재의 상측에 판재와 이격되어 배치되는 멀티 루프 코일; 및
N극과 S극 사이의 중립면이 상기 판재와 평행하게 배치되어 정자기장을 형성하는 자석을 포함하고,
상기 판재는 도전체로 만들어지며,
상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 판재의 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 정자기장 형성부에 의한 정자기장에서 상기 판재의 평면 방향에 나란한 성분의 정자기장과 상기 와전류에 의해 상기 판재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있고,
상기 판재를 따라 파동이 전달될 때, 상기 정자기장 중 상기 판재의 평면에 나란한 성분의 정자기장하에 놓인 상기 판재의 부분에는 판재의 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 발생하는 자기장을 상쇄하기 위해 와전류에 의해 발생하는 자기장의 방향에 반대되는 방향으로 자기장을 형성하도록 상기 멀티 루프 코일에 기전력이 발생하며, 이 기전력을 측정하여 판재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서를 제공함으로써 달성된다.
또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 두 개 이상의 폐곡선부를 구비하고, 판재의 상측에 판재와 이격되어 배치되는 멀티 루프 코일;
N극과 S극 사이의 중립면이 상기 판재와 평행하게 배치되어 정자기장을 형성하는 자석; 및
상기 멀티 루프 코일과 대향되는 상기 판재 표면의 부분을 덮도록 상기 판재에 부착된 전도체 호일을 포함하고,
상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 전도체 호일의 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 정자기장 형성부에 의한 정자기장에서 상기 판재의 평면 방향에 나란한 성분의 정자기장과 상기 와전류에 의해 상기 판재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있고,
상기 판재를 따라 파동이 전달될 때, 상기 정자기장 중 상기 판재의 평면에 나란한 성분의 정자기장하에 놓인 상기 판재의 부분과 접하고 있는 전도체 호일에는 그 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 발생하는 자기장을 상쇄하기 위해 와전류에 의해 발생하는 자기장의 방향에 반대되는 방향으로 자기장을 형성하도록 상기 멀티 루프 코일에 기전력이 발생하며, 이 기전력을 측정하여 판재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서를 제공함으로써 달성된다.
여기서, 상기 멀티 루프 코일은 두 개의 폐곡선부를 포함하는 8자형의 코일 이고,
두 개의 폐곡선부는 상기 판재의 상측에서 상기 판재의 평면 방향에 나란하게 일렬로 배치되며,
두 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 서로 상이한 것일 수 있다.
여기서, 상기 멀티 루프 코일은 홀수 개의 폐곡선부를 포함하고,
하나의 폐곡선부를 중심으로 나머지 짝수 개의 폐곡선부가 대칭으로 배치되며,
중앙의 하나의 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 나머지 짝수 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향과 상이한 것일 수 있다.
여기서, 상기 자석은 홀수 개의 폐곡선부 중 중앙에 위치한 폐곡선부의 중앙 부분에서 상기 판재와 이격되도록 배치되고,
상기 자석에서 N극과 S극 사이의 중립면이 상기 판재의 평면 방향과 나란하게 배치된 것일 수 있다.
여기서, 상기 멀티 루프 코일은 두 개의 폐곡선부를 포함하는 8자형의 코일들이 서로 교차하도록 배치된 형태의 코일이고,
각각의 8자형 코일의 두 개의 폐곡선부는 상기 판재의 상측에서 상기 판재의 평면 방향에 나란하게 일렬로 배치되며,
두 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 서로 상이한 것일 수 있다.
여기서, 상기 정자기장은 서로 극성이 다른 극이 마주하도록 배치된 두 개 이상의 자석이 상기 판재의 길이 방향으로 이격되어 배치됨으로써 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 비접촉식 트랜스듀서에 의하면, 판재의 모달 테스팅을 보다 손쉽게 수행할 수 있어서, 경험이 적은 사람이 수행하는 경우에도 오차 없이 보다 정확하게 모달 테스팅을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 비접촉식 트랜스듀서의 경우에는 판재에 대해 설치가 간편하고, 비접촉식으로 가진 및 측정을 수행할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서 사용되는 용어 중 멀티 루프 코일(multi-loop coil)은 폐곡선부를 두 개 이상 구비하고 각각의 폐곡선부를 형성하는 코일이 전기적으로 연결되어 있는 형태의 코일을 말한다. 또한, 두 개 이상의 폐곡선부 중에는 다른 폐곡선부와 코일의 감긴 방향이 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 서로 상이하여 코일에 전류가 흐를 때 폐곡선부 주변에 형성되는 자기장의 방향이 서로 상이하게 형성될 수 있다.
본 발명에서 트랜스듀서라는 용어는, 대상 부재(판재)에 대해 비접촉식으로 가진하거나, 대상 부재(판재)를 통해 전달되는 진동을 측정할 수 있는 장치로써, 선택적으로 트랜스미터(엑츄에이터)나 센서로 사용될 수 있는 장치를 지칭하는 용어로 사용된다. 특히 본 발명의 트랜스듀서는 전자기 유도 현상과 로렌츠의 힘의 원리를 이용하는 전자기 음향 변환기(Electro Magnetic Acoustic Transducer: EMAT)와 관련된다.
도 2에는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 판재 상에 설치하고 이를 가진 장치로 사용하여 모달 테스팅을 수행하는 경우를 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도가 도시되어 있으며, 도 4에는 도 3에 도시된 트랜스듀서의 평면도가 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명의 실시예1에 다른 트랜스듀서의 측면도로써 그 작동 원리를 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있으며, 도 6에는 실시예1에 사용되는 멀티 루프 코일의 권선 방법을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 3 내지 도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서(500)는 판재(502)에 인접하게 설치되는 자석(505)과, 두 개의 멀티 루프 코일(503, 513)을 포함한다.
상기 자석(505)은 영구 자석이든 전자석이든 사용 가능하다. 상기 자석(505)의 N극 중심과 S극 사이의 중립면이 판재(502)의 명면 방향에 나란하게 배치되어 도 5에 점선으로 도시된 것과 같이 판재 주변에 정자기장(BS)을 형성한다. 정자기장(BS)의 분포를 살피면, 판재의 표면과 나란한 방향으로 형성되는 부분이 상기 자석의 부근에 존재함을 할 수 있다. 즉, 상기 자석의 직하방의 판재의 부분을 벗어나는 부분에 판재의 표면과 나란한 방향으로 형성되는 자기장 성분이 존재한다.
본 실시예에 사용되는 두 개의 멀티 루프 코일은 각각 두 개의 폐곡선부를 구비하는 8자형 코일이다. 실시예1의 멀티 루프 코일의 폐곡선부는 그 크기가 실질적으로 동일하게 만들어질 수 있다. 각각의 멀티 루프 코일에서 두 개의 폐곡선 부분의 중앙부분을 잇는 가상의 선을 멀티 루프 코일의 길이 방향의 선이라고 정의할 때, 두 개의 멀티 루프 코일은 그 길이 방향의 선이 서로 교차하도록 되도록 설치된다. 교차되는 각도는 실질적으로 직각인 것이 2차원 형상의 판재에 대해 고르게 파동이 전달되도록 할 수 있어 바람직하다.
도 6에는 실시예1에 포함된 멀티 루프 코일의 권선법을 설명하는 도면이 도시되어 있다.
도 6에 도시된 것과 같이, 멀티 루프 코일은 ①, ②, ③, ④, ⑤의 순서로 일측에서 시계 방향을 따라 감긴 경우, 타측으로 연장(⑥)된 부분에서는 ⑦, ⑧, ⑨, ⑩의 순서로 반시계 방향으로 감긴다. 이와 같이 코일을 감는 경우에 도 6의 화살표 방향을 따라 전류가 흐르는 경우, 폐곡선 부분에 의해 형성되는 자기장의 방향이 두 개의 폐곡선 부분에서 서로 상이하게 형성된다. 즉, 도 6의 우측 폐곡선 내부에서는 지면에 수직하게 들어가는 방향으로, 좌측의 폐곡선 내부에서는 지면에 수직하게 나오는 방향으로 자기장이 형성된다. 결과적으로 멀티 루프 코일의 주변에서는 일측의 폐곡선 내부로부터 타측의 폐곡선 내부로 순환하는 형태의 자기장이 발생하게 된다.
이하에서는 이상의 구성을 가지는 실시예1의 트랜스듀서가 트랜스미터로 사용되는 원리를 설명한다.
상기 멀티 루프 코일(503, 513) 중 아래에 비치된 멀티 루프 코일(513)에 의해 판재(502) 표면에 형성되는 자기장의 분포를 살피면, BD의 화살표로 표시되는 것과 같이 판재의 표면에 평면 방향으로 나란한 자기장 성분이 존재하는 것을 알 수 있다. 이때 상기 멀티 루프 코일(513)에 흐르는 전류가 변화되면 멀티 루프 코일에 의해 형성되는 자기장이 변화하게 되고, 자기장(BD)에 변화가 생기면 전자기 유도 현상에 의해 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 기전력이 발생한다. 예를 들어 상기 멀티 루프 코일(513)에 흐르는 전류가 감소하면 자기장(BD)이 감소하게 되고, 자기장(BD)의 크기가 감소하는 것을 보상하기 위해 판재(502)의 표면에 도 5에서 ie로 표시되는 것과 같이 와전류(eddy current)가 발생한다. 즉, 도 5의 지면으로 들어가는 방향으로 판재의 표면에 와전류가 흐른다. 이 와전류가 흐르면 자석에 의한 정자기장(BS)의 영향으로 도 5의 Fa 및 Fc로 표시되는 로렌츠의 힘이 판재(502)에 작용한다. 이 힘(Fa, Fc)들은 판재(502)에 대해 충격력으로 작용하므로, 상기 멀티 루프 코일(513)에 흐르는 전류를 조절하면 상기 판재의 표면에 수직한 방향으로 작용하는 충격력에 의해 판재를 따라 전파되는 벤딩 방향의 진동을 발생시킬 수 있다. 하나의 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하는 경우에는 주로 멀티 루프 코일의 두 개의 폐곡선부를 잇는 길이 방향에 나란한 방향으로 진동이 전파된다.
마찬가지로 두 개의 멀티 루프 코일들(503, 513)에 흐르는 전류를 조절하면 서로 교차하는 방향으로 주로 전달되는 벤딩 방향의 진동이 판재에 전파된다. 따라서 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서는 판재에 대해 2차원으로 전파되는 벤딩 방향의 진동을 발생시킬 수 있고, 판재의 모달 테스팅을 위한 가진 장치 또는 판재의 결함 탐상을 위한 가진 장치로 사용될 수 있다.
기존의 임팩트 해머를 사용하여 판재의 모달 테스팅을 수행하는 경우에는 판재에 직접 충격력을 가해야 하기 때문에 단열재 등으로 쌓여 있거나 다른 부재의 간섭에 의해 접근이 어려운 경우 등에는 모달 테스팅을 기계 장치 등을 해체하여야 하는 문제점이 있었다. 또한, 임팩트 해머를 사용하는 경우에는 충격력을 사람이 가하기 때문에 가해지는 충격력의 크기가 일정하지 않아서 반복 실험을 하여야 하는 경우가 많다.
그러나 본 발명의 실시예1의 트랜스듀서는 직접 접촉하여 가진할 필요가 없어서 다른 부재를 해체하지 않고도 모달 테스팅이 가능하며, 가해지는 힘의 크기를 정밀하게 조절할 수 있으므로 반복 실험을 수행할 필요성이 적고, 반복 실험을 수행하는 경우에도 판재의 이동 및 가진 작업이 용이하여 편리하다. 또한, 모달 테스팅을 수행할 때에는 여러 지점을 가진하여야 하는데, 본 발명의 실시예1의 트랜스듀서는 이동 및 가진이 편리한 장점이 있다.
도 7에는 본 발명의 실시예2에 다른 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보여주는 평면도가 도시되어 있다.
실시예2에 사용되는 멀티 루프 코일은 두 개의 폐곡선부를 구비하는 8자형 코일이다.
도 7에 도시된 것과 같이 본 발명의 실시예2에 따른 트랜스듀서(600)는 8자형의 멀티 루프 코일을 세 개 구비한다. 각각의 멀티 루프 코일의 폐곡선 부분은 부채꼴 형상을 가져서 세 개의 멀티 루프 코일을 중복하여 배치하는 것이 가능하도록 한다. 이와 같이 멀티 루프 코일이 3개 사용되는 경우에는 벤딩 방향의 진동의 전파가 3방향으로 이루어진다. 보다 정밀한 측정을 위해 3개 이상의 멀티 루프 코일을 폐곡선 부분의 형상을 부채꼴로 만들어 배치하여 판재의 모달 테스팅을 위한 트랜스듀서를 제작하는 것이 가능하다.
이하에서는 실험을 통해, 본 발명의 실시예1의 트랜스듀서의 성능이 모달 테스팅을 수행하기에 적합하다는 점에 대해 설명한다.
도 8 및 도 10에는 알루미늄 판재에 대하여 임팩트 해머와 가속도 센서를 사용하여 모달 테스팅을 수행한 결과로 얻은 주파수 응답 함수의 그래프가 도시되어 있다. 도 9 및 도 11에는 알루미늄 판재에 대하여 본 발명의 실시예1의 트랜스듀서와 가속도 센서를 사용하여 모달 테스팅을 수행한 결과로 얻은 주파수 응답 함수의 그래프가 도시되어 있다. 도 8 및 도 9는 가로, 세로 500mm, 두께 10mm의 알루미늄 판재에 대하여 모달 테스팅을 수행한 결과이고, 도 10 및 도 11은 가로, 세로 500mm, 두께 2mm의 알루미늄 판재에 대하여 수행한 모달 테스팅의 결과이다.
이론적으로는 가로, 세로 500mm, 두께 10mm의 알루미늄 판재의 고유 진동수는 126Hz, 241Hz, 321Hz인데, 도 8의 임팩트 해머를 사용한 실험 결과에서는 128Hz, 243Hz, 333Hz가 측정되었고, 도 9의 결과에서는 125Hz, 242Hz, 333Hz의 고유 진동수가 측정되어서, 본 발명의 실시예1의 트랜스듀서를 판재에 대한 모달 테 스팅용 가진 장치로 사용하는 경우 임팩트 해머를 사용하기에 문제가 없음을 알 수 있다.
또한, 이론적으로는 가로, 세로 500mm, 두께 2mm의 알루미늄 판재의 고유 진동수는 25.9Hz, 48.1Hz, 67.4Hz인데, 도 10의 결과에서는 25Hz, 46Hz, 66Hz가 측정되었고, 도 11의 결과에서는 25Hz, 45Hz, 66Hz의 고유 진동수가 측정되어서, 본 발명의 실시예1의 트랜스듀서를 판재에 대한 모달 테스팅용 가진 장치로 사용하기에 문제가 없음을 알 수 있다.
도 12에는 본 발명의 실시예3에 따른 트랜스듀서의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 12에 도시된 것과 같이 실시예3에 따른 트랜스듀서(810)는 정자기장을 형성하는 자석(815)과, 상기 자석(815)의 둘레에 배치된 네 개의 폐곡선부(811a, 811b, 811c, 811d)를 구비한 멀티 루프 코일(811)을 포함한다.
상기 자석(815)은 N극과 S극 사이의 중립면이 판재(502)에 실질적으로 평행하면서 판재와 소정 간격을 두고 이격되어 배치된다. 상기 자석에 의해 형성되는 자기장 중 본 발명의 실시예3에 따른 트랜스듀서의 동작에 유효한 영향을 미치는 부분은 자석의 둘레에서 판재의 평면 방향과 나란한 방향의 자기장 성분이 된다.
상기 멀티 루프 코일의 네 개의 폐곡선부는 자석을 사이에 두고 마주하는 폐곡선부들 간에 코일의 감긴 방향이 상이하다. 즉, 811a와 811c의 폐곡선부는 코일이 감긴 방향이 서로 상이하고, 811b와 811d의 폐곡선부도 코일이 감긴 방향이 서 로 상이하다. 이에 따라 앞서 설명한 실시예1의 동작 원리를 설명한 도 5에서와 같이 자석의 바로 아래 부분이 아닌 주변 부분에서 서로 다른 방향으로 판재에 수직한 방향의 힘이 각각 작용하게 된다. 결과적으로 자석과 마주하는 판재의 부분으로부터 각각의 폐곡선부 방향으로 소정 간격 이격된 네 개의 지점에 각각 판재에 수직한 방향으로 힘이 작용하게 된다. 네 개의 지점에 각각 작용하는 힘의 크기는 서로 같고, 힘의 작용 방향은 네 개의 지점 중 두 부분에 작용하는 힘끼리는 같으나 다른 두 개는 서로 반대 방향으로 작용한다.
도 13에는 본 발명의 실시예3에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하고 통상의 가속도 센서로 측정한 경우의 주파수응답함수의 그래프가 도시되어 있다. 도 10 및 도 11의 주파수응답함수를 얻을 때와 마찬가지로 가로, 세로 500mm, 두께 2mm의 알루미늄 판재에 대해 모달 테스팅을 수행한 결과, 도 13에 도시된 것과 같이, 저주파 영역에서의 고유 진동수가 25Hz, 48Hz, 67Hz로 측정되었고, 앞서 설명한 실시예1의 경우와 마찬가지로 실시예3의 트랜스듀서도 판재를 가진하는 가진 장치로 사용될 수 있다.
도 14에는 본 발명의 실시예4에 따른 트랜스듀서의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 14에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예4에 따른 트랜스듀서(820)는, 중앙의 폐곡선부(821b)와 이 폐곡선부(821b)를 중심으로 양측에 배치된 두 개의 폐곡선부(821a, 821c)를 포함하여 동자기장 형성부로 기능하는 멀티 루프 코일(821)과, 상기 멀티 루프 코일(821)에서 중앙의 폐곡선부(821b)의 중앙부에 배치되어 정 자기장 형성부로 기능하는 자석(825)을 포함한다.
상기 자석은 앞서 설명한 실시예들에서와 실질적으로 동일한 자석이 판재에 대해 실질적으로 동일한 배치로 사용된다.
상기 멀티 루프 코일(821)에서 3개의 폐곡선부 중 중앙에 위치한 폐곡선부(821b)는 코일이 감긴 방향이 나머지 두 개의 폐곡선부(821a, 821c)와 상이하다.
도 15에는 도 14에 도시된 본 발명의 실시예4에 따른 트랜스듀서의 측면도가 도시되어 있다.
도 15에 도시된 것과 같이, 3개의 폐곡선부 중 중앙에 위치한 폐곡선부는 코일이 감긴 방향이 나머지 두 개의 폐곡선부와 상이하여 멀티 루프 코일에 의해 형성되는 자기장의 방향은 두꺼운 화살표로 표시한 것(BD)과 같이 형성될 수 있다. 도 15에는 중앙의 폐곡선부(821b)에서 코일이 감긴 방향이 반시계 방향이고, 양측의 폐곡선부(821a, 821c)에서 코일이 감긴 방향이 시계 방향인 경우가 도시되어 있다. 자석에 의한 정자기장은 도 15의 점선으로 표시된 것(BS)과 같은 방향으로 형성될 수 있다.
도 15와 같이 자기장이 형성된 상태에서 코일에 흐르는 전류를 조절하여 동자기장 형성부에 의해 형성되는 자기장의 크기를 변화시키면 자기장의 변화를 상쇄하기 위해 판재의 표면 중 중앙의 폐곡선부의 아래 부분의 양측에는 판재의 표면을 따라 흐르는 와전류(ie)가 발생한다. 이 와전류와, 자석에 의한 정자기장에 의해 판재의 와전류 형성 지점에는 로렌츠의 힘의 원리에 의해 와전류 흐름 방향에 수직 한 방향으로 힘이 작용하게 된다. 도 15에서 Fa로 표시된 힘이 이 힘으로, 자석과 마주하는 판재의 부분에 대해 폐곡선부 방향으로 이격된 위치에 해당하는 두 지점에서 동일한 방향으로 작용한다. 앞서 설명한 실시예1, 실시예2, 실시예3에서는 폐곡선부를 짝수 개 구비하는 멀티 루프 코일이 사용되었다. 폐곡선부가 짝수 개인 위의 실시예들과 본 실시예4에서 3개의 폐곡선부를 구비하는 멀티 루프 코일을 사용하는 경우의 결과적인 차이점은 힘의 방향이라고 할 수 있다. 즉, 본 실시예에서는 자석 양측에서 작용하는 힘의 방향이 동일하다.
도 17에는 본 발명의 실시예5에 따른 트랜스듀서의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.
도 17에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예5에 따른 트랜스듀서(830)는 중앙의 폐곡선부를 중심으로 측방향으로 네 개의 폐곡선부(831a, 831b, 831c, 831d)가 서로 간격을 두고 배치된 멀티 루프 코일(831)과, 정자기장을 형성하는 자석(835)을 포함한다.
본 실시예5가 실시예4와 상이한 점은 멀티 루프 코일을 구성하는 폐곡선부의 개수가 실시예4의 경우는 3개이고, 본 실시예5의 경우는 5개라는 점이다. 본 실시예5에서는 중앙의 폐곡선부를 중심으로 그 측면에 4개의 폐곡선부가 실질적으로 동일한 간격으로 배치된다. 그리고 중앙의 폐곡선부의 코일의 감은 방향과 측면의 4개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향이 서로 상이하여서 중앙의 폐곡선부의 코일에 전류가 흐를 때의 자기장의 방향과 주변의 폐곡선부의 코일 주변에 형성되는 자기 장의 방향이 상이하다. 즉, 주변의 4개의 폐곡선부의 코일 주변에 형성되는 자기장의 방향은 서로 같다. 자석의 위치는 중앙의 폐곡선부의 중심지점이 된다.
실시예4에서는 중앙의 자석의 양측에서 동일한 방향으로 충격력이 발생하지만, 본 실시예5에서는 중앙의 자석의 네 측면 방향의 위치에서 동일한 방향으로 충격력이 발생하여 더욱 큰 충격력을 가할 수 있다.
도 16, 도 18에는 알루미늄 판재에 대하여 본 발명의 실시예4, 실시예5의 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하고 가속도 센서를 사용하여 모달 테스팅을 수행한 결과로 얻은 주파수 응답 함수의 그래프가 도시되어 있다. 도 16, 도 18은 모두 가로, 세로 500mm, 두께 2mm의 알루미늄 판재에 대하여 수행한 모달 테스팅의 결과이다.
어느 경우라도 앞서 도 10에 도시된 주파수 응답 함수와 거의 일치하는 주파수 응답함수를 얻을 수 있고, 이에 따라 본 발명의 실시예4, 실시예5의 트랜스듀서는 가진 장치로써 훌륭하게 기능할 수 있음을 알 수 있다.
도 19에는 본 발명의 실시예5에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하고, 본 발명의 실시예4에 다른 트랜스듀서를 센서로 사용하여 모달 테스팅을 수행하는 경우를 도시한 도면이 도시되어 있다.
도 19와 같은 구성으로 모달 테스팅을 수행하는 경우의 주파수 응답 함수가 도 20에 도시되어 있다.
도 20에 도시된 주파수 응답 함수의 경우에도 앞서 도 10에 도시된 주파수 응답 함수와 거의 일치하는 주파수 응답함수를 얻을 수 있고, 이에 따라 본 발명의 트랜스듀서는 가진 장치뿐만 아니라 센서로써도 훌륭하게 기능할 수 있음을 알 수 있다.
지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 방식으로 판재에 모달 테스팅을 수행하는 경우를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 판재 상에 설치하고 이를 가진 장치로 사용하여 모달 테스팅을 수행하는 경우를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보여주는 사시도.
도 4는 도 3에 도시된 트랜스듀서의 평면도.
도 5는 본 발명의 실시예1에 다른 트랜스듀서의 측면도로써 그 작동 원리를 개략적으로 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예1에 사용되는 멀티 루프 코일에서의 코일의 권선법을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명의 실시예2에 따른 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보여주는 평면도.
도 8 및 도 10은 알루미늄 판재에 대하여 임팩트 해머와 가속도 센서를 사용하여 모달 테스팅을 수행한 결과로 얻은 주파수 응답 함수의 그래프.
도 9 및 도 11은 알루미늄 판재에 대하여 본 발명의 실시예1의 트랜스듀서와 가속도 센서를 사용하여 모달 테스팅을 수행한 결과로 얻은 주파수 응답 함수의 그래프.
도 12는 본 발명의 실시예3에 따른 트랜스듀서의 구성을 보여주는 도면.
도 14는 본 발명의 실시예4에 따른 트랜스듀서의 구성을 보여주는 도면.
도 15는 도 14에 도시된 본 발명의 실시예4에 따른 트랜스듀서의 측면도.
도 17은 본 발명의 실시예5에 따른 트랜스듀서의 구성을 보여주는 도면.
도 13, 도 16 및 도 18은 알루미늄 판재에 대하여 본 발명의 실시예3, 실시예4, 실시예5의 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하고 가속도 센서를 사용하여 모달 테스팅을 수행한 결과로 얻은 각각의 경우의 주파수 응답 함수의 그래프.
도 19는 본 발명의 실시예5에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하고, 본 발명의 실시예4에 다른 트랜스듀서를 센서로 사용하여 모달 테스팅을 수행하는 경우를 도시한 도면.
도 20은 도 19와 같은 구성으로 모달 테스팅을 수행하는 경우의 주파수 응답 함수의 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
80: 임팩트 해머
500, 600, 810, 820, 830: 본 발명의 트랜스듀서
502: 판재
503, 513, 811, 821, 831: 멀티 루프 코일
503a, 503b, 513a, 513b, 811a, 811b, 811c, 811d, 821a, 821b, 821c, 831a, 831b, 831c, 831d: 폐곡선 부분
505, 815, 825, 835: 자석(정자기장 형성부)
700: 가속도 센서

Claims (7)

  1. 두 개 이상의 폐곡선부를 구비하고, 판재의 상측에 판재와 이격되어 배치되는 멀티 루프 코일; 및
    N극과 S극 사이의 중립면이 상기 판재와 평행하게 배치되어 양극 중 하나의 극이 상기 판재와 대향되도록 배치됨으로써 상기 판재 표면에 정자기장을 형성하는 자석을 포함하고,
    상기 판재는 도전체로 만들어지며,
    상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 판재의 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 자석에 의한 정자기장에서 상기 판재의 평면 방향에 나란한 성분의 정자기장과 상기 와전류에 의해 상기 판재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있고,
    상기 판재를 따라 파동이 전달될 때, 상기 정자기장 중 상기 판재의 평면에 나란한 성분의 정자기장하에 놓인 상기 판재의 부분에는 판재의 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 발생하는 자기장을 상쇄하기 위해 와전류에 의해 발생하는 자기장의 방향에 반대되는 방향으로 자기장을 형성하도록 상기 멀티 루프 코일에 기전력이 발생하며, 이 기전력을 측정하여 판재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서.
  2. 두 개 이상의 폐곡선부를 구비하고, 판재의 상측에 판재와 이격되어 배치되는 멀티 루프 코일;
    N극과 S극 사이의 중립면이 상기 판재와 평행하게 배치되어 양극 중 하나의 극이 상기 판재와 대향되도록 배치됨으로써 상기 판재 표면에 정자기장을 형성하는 자석; 및
    상기 멀티 루프 코일과 대향되는 상기 판재 표면의 부분을 덮도록 상기 판재에 부착된 전도체 호일을 포함하고,
    상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 전도체 호일의 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 자석에 의한 정자기장에서 상기 판재의 평면 방향에 나란한 성분의 정자기장과 상기 와전류에 의해 상기 판재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있고,
    상기 판재를 따라 파동이 전달될 때, 상기 정자기장 중 상기 판재의 평면에 나란한 성분의 정자기장하에 놓인 상기 판재의 부분과 접하고 있는 전도체 호일에는 그 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 발생하는 자기장을 상쇄하기 위해 와전류에 의해 발생하는 자기장의 방향에 반대되는 방향으로 자기장을 형성하도록 상기 멀티 루프 코일에 기전력이 발생하며, 이 기전력을 측정하여 판재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 멀티 루프 코일은 두 개의 폐곡선부를 포함하는 8자형의 코일이고,
    두 개의 폐곡선부는 상기 판재의 상측에서 상기 판재의 평면 방향에 나란하게 일렬로 배치되며,
    두 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 트 랜스듀서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 멀티 루프 코일은 홀수 개의 폐곡선부를 포함하고,
    하나의 폐곡선부를 중심으로 나머지 짝수 개의 폐곡선부가 대칭으로 배치되며,
    중앙의 하나의 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 나머지 짝수 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향과 상이한 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자석은 홀수 개의 폐곡선부 중 중앙에 위치한 폐곡선부의 중앙 부분에서 상기 판재와 이격되도록 배치된 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 멀티 루프 코일은 두 개의 폐곡선부를 포함하는 8자형의 코일들이 서로 교차하도록 배치된 형태의 코일이고,
    각각의 8자형 코일의 두 개의 폐곡선부는 상기 판재의 상측에서 상기 판재의 평면 방향에 나란하게 일렬로 배치되며,
    두 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
  7. 삭제
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