KR101066248B1 - 멀티 루프 코일을 구비하는 봉부재용 비접촉식 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 보다 간편하게 모달 테스팅이나 비접촉식 비파괴 검사를 수행할 수 있어서, 경험이 적은 사람이라도 오차 없이 모달 테스팅을 수행하거나 비접촉식으로 비파괴 검사를 수행할 수 있게 하는 멀티 루프 코일을 구비하는 비접촉식 트랜스듀서를 제공하는 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는, 서로 연결되는 두 개 이상의 폐곡선 부분을 구비하고, 폐곡선 부분들이 봉부재의 상측에 배치되며, 전류가 인가됨에 따라 상기 봉부재의 표면에 봉부재의 길이 방향에 나란한 자기장을 형성하는 멀티 루프 코일; 및 상기 멀티 루프 코일에 의해 형성되는 자기장이 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성되는 상기 봉부재 표면의 부분에 일부분이라도 봉부재의 길이 방향에 나란한 방향으로 정자기장을 형성하도록 배치된 하나 이상의 자석을 포함하는 멀티 루프 코일을 구비하는 비접촉식 트랜스듀서를 제공한다.

전자기 음향 변환기, 모달 테스팅, 가진 장치, 센서

Description

멀티 루프 코일을 구비하는 봉부재용 비접촉식 트랜스듀서{Non-contact type transducer for rod member having multi-loop coil}

본 발명은 봉부재의 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 봉부재를 비접촉식으로 가진하거나 가진된 부재에 전파되는 신호를 측정하여 구조물의 구조 진단을 수행하는 멀티 루프 코일을 구비하는 봉부재용 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 종래의 모달 테스팅을 수행하는 방법을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 1에 도시된 것과 같이, 종래에는 테스팅 부재에 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 가진을 하는 경우에는 실험의 반복 재현성이 보장되지 않는 문제점이 있었다.

이에 모달 테스팅에서 테스팅 대상 부재에 진동을 발생시키고 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 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 보다 간편하게 모달 테스팅이나 비접촉식 비파괴 검사를 수행할 수 있어서, 경험이 적은 사람이라도 오차 없이 모달 테스팅을 수행하거나 비접촉식으로 비파괴 검사를 수행할 수 있게 하는 멀티 루프 코일을 구비하는 비접촉식 트랜스듀서를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 서로 연결되는 두 개 이상의 폐곡선 부분을 구비하고, 폐곡선 부분들이 봉부재의 상측에 배치되며, 전류가 인가됨에 따라 상기 봉부재의 표면에 봉부재의 길이 방향에 나란한 자기장을 형성하는 멀티 루프 코일; 및

상기 멀티 루프 코일에 의해 형성되는 자기장이 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성되는 상기 봉부재 표면의 부분에 일부분이라도 봉부재의 길이 방향에 나란한 방향으로 정자기장을 형성하도록 배치된 하나 이상의 자석을 포함하고,

상기 봉부재는 도전체로 만들어지며,

상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 봉부재의 표면에 봉부재의 둘레방향을 따라 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 와전류와 상기 정자기장 형성부에 의한 정자기장에 의해 상기 봉부재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있고,

상기 봉부재를 따라 봉부재의 길이 방향에 수직한 방향으로 진동하는 파동이 전달될 때, 정자기장 하에 놓인 상기 봉부재의 부분에는 봉부재의 둘레 방향으로 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 봉부재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서를 제공함으로써 달성된다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 서로 연결되는 두 개 이상의 폐곡선 부분을 구비하고, 폐곡선 부분들이 봉부재의 상측에 배치되며, 전류가 인가됨에 따라 상기 봉부재의 표면에 봉부재의 길이 방향에 나란한 자기장을 형성하는 멀티 루프 코일;

상기 멀티 루프 코일에 의해 형성되는 자기장이 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성되는 상기 봉부재 표면의 부분에 일부분이라도 봉부재의 길이 방향에 나란한 방향으로 정자기장을 형성하도록 배치된 하나 이상의 자석; 및

상기 멀티 루프 코일과 대향되는 봉부재 표면의 부분을 덮도록 상기 봉부재의 둘레에 감긴 전도체 호일을 포함하고,

상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 전도체 호일에 상기 봉부재의 둘레방향에 나란하게 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 와전류와 상기 정자기장 형성부에 의한 정자기장에 의해 상기 봉부재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있으며,

상기 봉부재를 따라 봉부재의 굽힘 방향으로 진동하는 파동이 전달될 때, 정 자기장 하에 놓인 상기 강자성체 호

일에는 상기 봉부재의 둘레 방향으로 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 발생하는 자기장의 방향에 반대되는 방향으로 자기장을 형성하도록 상기 멀티 루프 코일에 기전력이 발생하며, 이 기전력을 측정하여 봉부재에 전달되는 진동을 측정하는 트랜스듀서를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 멀티 루프 코일은 두 개의 폐곡선부를 포함하는 8자형의 코일이고,

두 개의 폐곡선부는 상기 봉부재의 상측에서 상기 봉부재의 길이 방향으로 일렬로 배치되며,

두 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 서로 상이한 것일 수 있다.

여기서, 상기 멀티 루프 코일은 세 개의 폐곡선부를 포함하고,

세 개의 폐곡선부는 상기 봉부재의 상측에서 상기 봉부재의 길이 방향으로 일렬로 배치되며,

세 개의 폐곡선부 중 중앙에 위치한 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 나머지 두 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향과 상이한 것일 수 있다.

여기서, 상기 자석은 세 개의 폐곡선부 중 중앙에 위치한 폐곡선부의 중앙 부분에서 상기 봉부재와 이격되도록 배치되고,

상기 자석에서 N극과 S극 사이의 중립면이 상기 봉부재의 길이 방향과 평행하게 배치된 것일 수 있다.

여기서, 상기 정자기장은 서로 극성이 다른 극이 마주하도록 배치된 두 개 이상의 자석이 상기 봉부재의 길이 방향으로 이격되어 배치됨으로써 형성되는 것일 수 있다.

여기서, 상기 정자기장은 두 개의 자석으로 이루어지고, 상기 두 개의 자석이 중립면이 봉부재와 평행하게 배치된 상태에서, 하나의 자석은 N극이 봉부재를 향하고, 다른 하나의 자석은 S극이 봉부재를 향하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 비접촉식 트랜스듀서에 의하면, 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 대상 부재가 어떤 부재더라도 비접촉식으로 구조 진단을 간편하게 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.

또한, 봉부재(rod member)라는 용어는 속이 빈 형태의 파이프나 튜브, 중공 축은 물론이고, 각종 회전축이나 구조 부재 등 단면의 형상이 원형에 가까운 각종 기계요소인 부재를 모두 통칭하는 용어로 사용된다.

도 2에는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이 도시되어 있다.

본 실시예1은 전기전도성을 가지는 금속 봉부재에 대해 사용하기에 적합한 트랜스듀서로써, 전자기 유도 현상과 로렌츠의 힘을 이용하는 전자기 음향 변환기(Electro Magnetic Acoustic Transducer: EMAT)와 관련된다.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서(100)는 멀티 루프 코일(3) 및 정자기장 형성부(5)를 포함한다.

실시예1에 사용된 멀티 루프 코일(3)은 코일이 폐곡선을 이루면서 감긴 폐곡선부를 두 개 구비하는 형태의 코일로써, 두 개의 폐곡선부가 각각 코일이 감기는 방향이 서로 상이하다. 상기 멀티 루프 코일(3)은 테스팅 대상인 금속으로 만들어진 봉부재(2)에서 가진할 지점에 인접하게 설치된다.

도 3에는 실시예1에 포함된 멀티 루프 코일의 권선법을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 3에 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 3의 화살표 방향을 따라 전류가 흐르는 경우, 폐곡선 부분에 의해 형성되는 자기장의 방향이 두 개의 폐곡선 부분에서 서로 상이하게 형성된다. 즉, 도 3의 우측 폐곡 선 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 자기장(B_D)이 발생하게 된다.

실시예1의 멀티 루프 코일의 폐곡선 부분은 그 크기가 실질적으로 동일하게 만들어지며, 봉부재와의 관계에서 상기 멀티 루프 코일은 두 개의 폐곡선 부분의 중앙부분을 잇는 선이 봉부재의 길이 방향과 나란하게 되도록 설치된다.

상기 정자기장 형성부(5)는 상기 봉부재(2)의 길이 방향에 나란하게 정자기장을 형성하는 기능을 한다. 예를 들어, 상기 정자기장 형성부(5)는 도 2에 도시된 것과 같이 두 개의 영구 자석(5a, 5b)으로 이루어지고, 두 개의 영구 자석(5a, 5b)이 서로 이격되어 배치되면서 서로 다른 극이 마주하도록 배치될 수 있다. 이 경우 두 개의 영구 자석(5a, 5b)은 각각 상기 멀티 루프 코일(3)의 폐곡선 부분 내에 설치될 수도 있고, 폐곡선 부분의 밖에 배치될 수도 있다.

도 4에는 도 2에 도시된 실시예1의 트랜스듀서의 측면도와 테스팅 대상 봉부재의 측면도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 것과 같이, 멀티 루프 코일(3) 주변의 자기장(B_D)은 파이프의 표면에서 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성되고, 정자기장 형성부(5)에 의해 형성되는 자기장(B_S)도 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성된다.

이와 같은 상태에서 멀티 루프 코일에 흐르는 전류가 증가되어 멀티 루프 코 일에 의한 자기장의 크기가 커지면, 전자기 유도 현상에 따라 커지는 자기장의 크기를 상쇄하기 위해 도체인 봉부재의 표면을 따라 도 4에서 점선으로 표시된 것과 같이 와전류(eddy current)(i_e)가 흐르게 된다.

도 5에는 도 4의 V-V 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 것과 같이, 봉부재의 표면을 따라 와전류가 흐르는 경우에는 본 발명의 트랜스듀서가 놓인 바로 아래 지점에서, 와전류(i_e)와 정자기장(B_S)에 의해 봉부재에 수직한 방향으로 힘(F)이 작용하게 된다. 이 힘이 종래의 모달 테스팅에서의 임펙트 해머가 하는 기능을 수행하게 되는 것이다.

도 6에는 임팩트 해머를 사용하여 스틸 파이프(steel pipe)에 대해 모달 테스팅을 수행하여 얻은 주파수 응답 함수(Frequency Response Function: FRF)의 그래프가 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하여 동일한 스틸 파이프에 대해 수행한 모달 테스팅의 결과로 얻은 주파수 응답 함수의 그래프가 도시되어 있다.

테스팅 대상 부재는 길이 900mm, 평균 직경 76mm, 두께 1.6mm의 스틸 파이프이다. 모달 테스팅 결과 얻어진 고유 진동수들은 도 6 및 도 7에서 거의 근사하게 구해진 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예1의 트랜스듀서를 모달 테스팅의 가진 장치로 사용할 수 있다.

도 8에는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하는 경우로써 멀티 루프 코일과 봉부재 사이의 거리를 변화시키면서 가진하고 가속도 센 서의 출력 신호의 크기를 측정한 결과를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도 8에 도시된 것과 같이, 거리가 4mm, 8mm, 12mm의 순으로 멀어짐에 따라 출력 신호의 크기가 0.1013V, 0.0394V, 0.0150V의 순으로 작아지는 것을 볼 수 있다. 가속도 센서가 측정 가능한 감도에 따라 달라질 수 있지만 대체로 12mm 이내의 거리를 유지하도록 사용하는 것이 가진 신호의 크기를 적절한 크기로 유지할 수 있는 범위인 것으로 볼 수 있다.

도 9에는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용한 경우로써, 트랜스듀서에 인가되는 전류에 따른 출력 변화를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

입력 게인 5, 6, 7, 8, 9에 대해 각각 실제로 멀티 루프 코일에 인가된 전류는 6.56A, 9.68A, 19.06A, 31.875A, 32.188A였고, 각각의 경우에 가속도 센서에서 측정된 출력 전압은 도 9에 도시된 것과 같이 0.0078V, 0.0188V, 0.0813V, 0.2328V, 0.2641V였다.

도 10에는 입력 신호의 임펄스 폭의 정의를 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 11에는 입력 신호의 임펄스 폭에 따른 출력 신호의 변화를 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도 10에 도시된 것과 같이 임펄스 형태의 입력 신호가 가해지는 시간을 w라고 할 때, 도 11에는 w를 100μs로부터 50μs씩 증가시키면서 출력 신호의 크기를 측정하였다. 그 결과, 다음의 표 1과 같이 각각의 경우의 최대 출력 신호가 측정되었다.

[표 1]

입력신호의 폭이 증가할수록 펄스 내에 더 많은 에너지를 포함하게 되므로 출력 신호가 커지는 경향을 볼 수 있다. 그러나 입력신호 또한 주파수 응답함수의 계산에 포함되므로 펄스폭의 역수인 값이 주파수 응답함수에 포함되게 된다. 예를 들어 펄스폭이 200㎲인 경우 이 값의 주파수 성분인 5000Hz(1/200㎲)인 값이 주파수 응답함수에 포함되게 된다. 그러므로 펄스폭을 증가시킬 경우 그의 역수 값은 저주파 영역에 존재하게 되어 고유진동수와 겹치는 상황이 발생할 수도 있다. 따라서 출력 신호를 크게 하기 위해 입력신호의 폭을 무한정 증가시킬 수는 없으며, 측정대상 부재의 고유진동수의 대략적인 값의 범위를 예측할 수 있다면, 그 범위를 피할 수 있도록 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 측정대상 부재의 고유진동수를 미리 예측하기 어려운 경우에는 반복 실험을 통하여 입력신호의 주파수 성분과 고유진동수가 겹치지 않도록 입력신호의 폭을 조절할 수 있다.

도 12에는 본 발명의 트랜스듀서를 봉부재에 간격을 유지하도록 설치하는 방식의 일례를 보여주는 사진이 도시되어 있다.

도 12에 도시된 것과 같이, 봉부재가 설치된 곳에서 바닥 면에 베이스를 고 정하고, 이 베이스에 봉부재 방향으로 연장된 칼럼을 고정한 후, 칼럼 상단에 플레이트를 고정하고, 이 플레이트에 본 발명의 트랜스듀서를 설치할 수 있다.

도 13에는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 트랜스미터(100a)와 센서(100s)로 각각 사용하여 모달 테스팅을 수행하는 실험의 구성을 보여주는 사시도가 도시되어 있다.

실시예1에 따른 트랜스듀서가 센서로 기능할 때의 작용을 설명하면 다음과 같다. 트랜스미터로 사용되는 트랜스듀서(100a)가 앞서 설명한 작용에 의해 봉부재를 가진하며, 봉부재를 따라 봉부재의 길이 방향에 수직한 방향으로 진동하는 파동이 전달된다. 센서로 사용되는 트랜스듀서(100s)가 설치된 부분에서는 트랜스듀서(100s)에 포함된 자석에 의해 형성되는 정자기장이 형성되어 있다. 또한, 트랜스듀서(200s)에 포함된 멀티 루프 코일에서는 강자성체 패치의 미세 변형에 따라 발생하는 자기장의 변화를 최소화 하는 방향으로 자기장을 형성하기 위해 기전력이 발생하고 이에 따 코일에 멀티 루프 코일에 전류가 흐른다. 기전력을 측정하여 봉부재에 전달되는 진동을 측정할 수 있다.

한편, 도 13에 도시된 것과 같이 본 발명의 실시예1에 포함된 정자기장 형성부를 구성하는 자석들의 배치는 다양하게 변화가 가능하며, 어떤 경우라도 본 발명의 범위에 속할 수 있다.

즉, 두 개의 자석은 실시예1을 설명하면서 참조한 도 2, 도 4에 도시된 것과 같이 각각 멀티 루프 코일의 내측에 배치될 수도 있지만, 도 13에 도시된 것과 같이 멀티 루프 코일의 외측에 배치될 수도 있다. 또한, 도 2 및 도 4에 도시된 것 과 같이 두 개의 자석은 서로 다른 자극이 마주하는 형태로 배치될 수도 있지만, 도 13의 센서로 사용되는 트랜스듀서(100s)와 같이 각각의 자석에서 N극과 S극 사이의 중립면이 봉부재와 평행하게 배치되고, 두 개의 자석 중 하나의 자석은 S극이 봉부재를 향하며, 다른 하나의 자석은 N극이 봉부재를 향하도록 배치되어도 된다. 즉, 정자기장 형성부는 봉부재의 길이 방향으로 자기장을 형성하기만 하면 된다.

도 14에는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서로 가진하고, 동일한 구성의 트랜스듀서를 센서로 사용하여 모달 테스팅을 수행하여 얻은 모드 형상(mode shape)과 계산된 모드 형상을 비교하여 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 14에서 원으로 표시된 점들이 실험에 의해 측정된 값이고, 실선으로 표시된 것이 계산된 모드 형상이다. 도 14에 도시된 것과 같이 본 발명의 트랜스듀서를 트랜스미터 및 센서로 사용하여 봉부재에 대해 모달 테스팅을 수행한 결과, 이론적인 모드 형상과 거의 일치하는 실험 결과의 모드 형상을 얻을 수 있었다. 이러한 실험을 통해 본 발명의 트랜스듀서가 모달 테스팅을 위한 가진 장치나 센서로 훌륭하게 기능할 수 있다는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 트랜스듀서에 사용되는 멀티 루프 코일에서 폐곡선부의 코일의 감은 수는 해당 트랜스듀서가 센서로 사용되는 경우와 트랜스미터로 사용되는 경우에 따라 달라질 수 있다. 본 발명의 트랜스듀서의 경우 코일의 감은 횟수가 동일한 8자형 코일을 신호의 발생 및 측정의 경우 모두에 사용하여도 무방하기는 하다. 다만, 신호의 발생의 경우(트랜스미터), 전류를 인가하는 장비(power amp)와의 임피던스의 차이를 줄이기 위해 감은 횟수를 줄이는 것이 효율적이다. 이와 는 반대로 신호의 측정의 경우(센서) 민감도를 증가시키기 위해 코일의 감은 횟수를 증가시키는 것이 유리하다. 따라서 본 발명의 트랜스듀서를 2개 사용하여, 하나는 트랜스미터로 사용하고 하나는 센서로 사용하여 봉부재용 가진 및 측정 장치를 구성하는 경우에는, 트랜스미터로 사용되는 트랜스듀서의 코일의 감은 수보다 센서로 사용되는 트랜스듀서의 코일의 감은 수를 크게 하는 것이 바람직하다.

도 15에는 본 발명의 실시예2에 따른 트랜스듀서의 구성을 보여주는 도면이 도시되어 있다.

도 15에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예2에 따른 트랜스듀서는, 폐곡선부가 세 개인 멀티 루프 코일 및 자석을 포함한다. 상기 멀티 루프 코일은 동자기장 형성부로 기능하고, 상기 자석은 정자기장 형성부로 기능한다.

상기 멀티 루프 코일에 있어서 세 개의 폐곡선부는 테스팅 대상 봉부재의 길이 방향으로 실질적으로 나란하게 배치된다. 세 개의 폐곡선부 중 중앙에 위치한 폐곡선부는 나머지 두 개의 폐곡선부와 코일이 감긴 방향이 상이하다.

도 16에는 도 15에 도시된 실시예2에 따른 트랜스듀서의 작용을 설명하기 위한 측면도가 도시되어 있고, 도 17에는 도 16의 XVI-XVI 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있으며, 도 18에는 도 16의 XVII-XVII 선을 따라 취한 단면도가 도시되어 있다.

도 16에 도시된 것과 같이, 멀티 루프 코일에 전류가 흐르면 파이프에 인접하게 배치된 멀티 루프 코일 주변에 B_D로 지시되는 화살표 방향으로 자기장이 형성 된다. 또한, 자석에 의해 B_S로 지시되는 화살표 방향으로 정자기장이 형성된다.

이 상태에서 동자기장의 크기를 변화시키면, 도 16 내지 도 18에 표시된 것과 같이 봉부재의 표면을 따라 흐르는 와전류가 발생한다. 도면에 도시된 경우는 동자기장이 감소하는 방향으로 변화할 때를 도시한 것으로, 동자기장의 감소를 상쇄하기 위해 봉부재의 둘레로 부분적으로 와전류가 형성된다. 이때, 도 17 및 도 18과 같이 와전류, 정자기장에 의해 로렌츠의 힘이 봉부재에 가해지게 된다. 도 17에 도시된 단면 부분과 도 18에 도시된 단면 부분은 서로 자석을 사이에 두고 대칭되는 위치에 해당하는데, 이 두 부분에서 서로 방향이 동일한 충격력이 봉부재에 가해질 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시예2에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용할 수 있다.

도 19에는 본 발명의 실시예1 및 실시예2에 따른 트랜스듀서를 사용하여 가진하고 가속도 센서를 사용하여 측정한 경우의 시간에 따른 출력 신호의 크기 변화를 보여주는 실험 결과 그래프가 도시되어 있다.

도 19에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예1 및 실시예2에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하는 경우 가속도 센서에서 출력신호를 얻을 수 있고, 이에 따라 본 발명의 실시예1 및 실시예2의 트랜스듀서를 모달 테스팅의 가진 장치나 비파괴 검사를 위한 가진 장치로 사용할 있다는 것을 알 수 있음을 알 수 있다.

도 20에는 실시예1에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하여 수행한 모달 테스팅에서 얻어진 주파수 응답 함수의 그래프가 도시되어 있고, 도 21에는 실시예 2에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하여 수행한 모달 테스팅에서 얻어진 주파수 응답 함수의 그래프가 도시되어 있다.

도 20 및 도 21에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예1 또는 실시예2의 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하는 경우에도 500Hz이하의 저주파 영역에 존재하는 고유 진동수의 측정이 가능하여서, 본 발명의 실시예1 또는 실시예2의 트랜스듀서를 가진 장치로 사용할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 지금까지 설명한 본 발명의 트랜스듀서는 와전류가 흐를 수 있는 전도체인 봉부재에 대해 적용이 가능함은 물론이고, 전도체가 아니더라도, 트랜스듀서가 배치되는 부분의 봉부재 둘레의 표면을 감싸는 전도체 호일을 부착하는 경우에는 봉부재의 전기 전도성에 무관하게 본 발명의 트랜스듀서를 사용할 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 모달 테스팅을 수행하는 방법을 개략적으로 보여주는 도면.

도 2는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 사용되는 멀티 루프 코일의 권선법을 설명하는 도면.

도 4는 도 2에 도시된 실시예1의 트랜스듀서의 측면도로써, 테스팅 대상 봉부재와 인접하여 배치된 상태의 도면.

도 5는 도 4의 V-V 선을 따라 취한 단면도.

도 6은 임팩트 해머를 사용하여 스틸 파이프(steel pipe)에 대해 모달 테스팅을 수행하여 얻은 주파수 응답 함수의 그래프.

도 7은 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하여 스틸 파이프에 대해 수행한 모달 테스팅의 결과로 얻은 주파수 응답 함수의 그래프.

도 8은 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하는 경우로써 멀티 루프 코일과 봉부재 사이의 거리를 변화시키면서 가진하고 가속도 센서의 출력 신호의 크기를 측정한 결과를 보여주는 그래프.

도 9는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용한 경우로써, 트랜스듀서에 인가되는 전류에 따른 출력 변화를 보여주는 그래프.

도 10은 입력 신호의 임펄스 폭의 정의를 보여주는 도면.

도 11은 입력 신호의 임펄스 폭에 따른 출력 신호의 변화를 보여주는 그래프.

도 12는 본 발명의 트랜스듀서를 봉부재에 간격을 유지하도록 설치하는 방식의 일례를 보여주는 사진.

도 13은 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서를 트랜스미터와 센서로 각각 사용하여 모달 테스팅을 수행하는 실험의 구성을 보여주는 사시도.

도 14는 본 발명의 실시예1에 따른 트랜스듀서로 가진하고, 동일한 구성의 트랜스듀서를 센서로 사용하여 모달 테스팅을 수행하여 얻은 모드 형상(mode shape)과 계산된 모드 형상을 비교하여 보여주는 도면.

도 15는 본 발명의 실시예2에 따른 트랜스듀서의 구성을 보여주는 도면.

도 16은 도 15에 도시된 실시예2에 따른 트랜스듀서의 작용을 설명하기 위한 측면도.

도 17은 도 16의 XVI-XVI 선을 따라 취한 단면도.

도 18은 도 16의 XVII-XVII 선을 따라 취한 단면도.

도 19는 본 발명의 실시예1 및 실시예2에 따른 트랜스듀서를 사용하여 가진하고 가속도 센서를 사용하여 측정한 경우의 시간에 따른 출력 신호의 크기 변화를 보여주는 실험 결과 그래프.

도 20은 실시예1에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하여 수행한 모달 테스팅에서 얻어진 주파수 응답 함수의 그래프.

도 21은 실시예2에 따른 트랜스듀서를 가진 장치로 사용하여 수행한 모달 테스팅에서 얻어진 주파수 응답 함수의 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

2: 봉부재 3, 13: 멀티 루프 코일

3a, 3b: 폐곡선 부분 5, 15: 자석(정자기장 형성부)

70: 가속도 센서 80: 임팩트 해머

100: 본 발명의 트랜스듀서

Claims (7)

1. 봉부재의 특정 지점에 이격되어 설치되어 봉부재의 해당 특정 지점에 힘을 가하거나 해당 특정 지점에 전달되는 진동을 측정하는 트랜스듀서로써,

   서로 연결되는 세 개 이상의 폐곡선 부분을 구비하고, 각각의 폐곡선 부분들은 서로 전기적으로 연결되어 있으며, 폐곡선 부분들이 상기 봉부재의 특정 지점 상측에 배치되고, 전류가 인가됨에 따라 상기 봉부재의 특정 지점 표면에 봉부재의 길이 방향에 나란한 자기장을 형성하는 멀티 루프 코일; 및

   상기 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성되는 정자기장을 상기 특정 지점을 사이에 두고 상기 봉부재의 길이 방향을 따라 양측에 각각 형성하도록 상기 특정 지점의 상측에 배치되는 자석을 구비하고, 상기 자석의 N극 및 S극 중 하나의 자극이 상기 봉부재를 향하도록 배치되는 정자기장 형성부를 포함하고,

   상기 봉부재는 도전체로 만들어지며,

   상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 봉부재의 표면에 봉부재의 둘레방향을 따라 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 와전류와 상기 정자기장 형성부에 의한 정자기장에 의해 상기 봉부재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있고,

   상기 봉부재를 따라 봉부재의 길이 방향에 수직한 방향으로 진동하는 파동이 전달될 때, 정자기장 하에 놓인 상기 봉부재의 부분에는 봉부재의 둘레 방향으로 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 봉부재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서.
2. 봉부재의 특정 지점에 이격되어 설치되어 봉부재의 해당 특정 지점에 힘을 가하거나 해당 특정 지점에 전달되는 진동을 측정하는 트랜스듀서로써,

   서로 연결되는 두 개 이상의 폐곡선 부분을 구비하고, 각각의 폐곡선 부분들은 서로 전기적으로 연결되어 있으며, 폐곡선 부분들이 상기 봉부재의 특정 지점 상측에 배치되고, 전류가 인가됨에 따라 상기 봉부재의 특정 지점 표면에 봉부재의 길이 방향에 나란한 자기장을 형성하는 멀티 루프 코일;

   상기 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성되는 정자기장을 형성하도록 상기 특정 지점의 양측에 상기 봉부재의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 두 개의 자석을 구비하고, 상기 두 개의 자석 중 하나는 N극이 봉부재를 향하며, 다른 하나는 S극이 봉부재를 향하도록 배치되는 정자기장 형성부; 및

   상기 멀티 루프 코일과 대향되는 봉부재 표면의 부분을 덮도록 상기 봉부재의 둘레에 감긴 전도체 호일을 포함하고,

   상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 전도체 호일에 상기 봉부재의 둘레방향에 나란하게 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 와전류와 상기 정자기장 형성부에 의한 정자기장에 의해 상기 봉부재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있으며,

   상기 봉부재를 따라 봉부재의 굽힘 방향으로 진동하는 파동이 전달될 때, 정자기장 하에 놓인 상기 전도체 호일에는 상기 봉부재의 둘레 방향으로 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 발생하는 자기장의 방향에 반대되는 방향으로 자기장을 형성하도록 상기 멀티 루프 코일에 기전력이 발생하며, 이 기전력을 측정하여 봉부재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서.
3. 봉부재의 특정 지점에 이격되어 설치되어 봉부재의 해당 특정 지점에 힘을 가하거나 해당 특정 지점에 전달되는 진동을 측정하는 트랜스듀서로써,

   서로 연결되는 두 개 이상의 폐곡선 부분을 구비하고, 각각의 폐곡선 부분들은 서로 전기적으로 연결되어 있으며, 폐곡선 부분들이 상기 봉부재의 특정 지점 상측에 배치되고, 전류가 인가됨에 따라 상기 봉부재의 특정 지점 표면에 봉부재의 길이 방향에 나란한 자기장을 형성하는 멀티 루프 코일;

   상기 봉부재의 길이 방향에 나란하게 형성되는 정자기장을 형성하도록 상기 특정 지점의 양측에 상기 봉부재의 길이 방향을 따라 이격되어 배치되는 두 개의 자석을 구비하고, 상기 두 개의 자석은 서로 극성이 다른 극이 마주하도록 배치된 정자기장 형성부; 및

   상기 멀티 루프 코일과 대향되는 봉부재 표면의 부분을 덮도록 상기 봉부재의 둘레에 감긴 전도체 호일을 포함하고,

   상기 멀티 루프 코일에 흐르는 전류를 조절하여 상기 전도체 호일에 상기 봉부재의 둘레방향에 나란하게 흐르는 와전류가 발생되도록 하고, 상기 와전류와 상기 정자기장 형성부에 의한 정자기장에 의해 상기 봉부재에 수직한 방향으로 힘이 가해지도록 할 수 있으며,

   상기 봉부재를 따라 봉부재의 굽힘 방향으로 진동하는 파동이 전달될 때, 정자기장 하에 놓인 상기 전도체 호일에는 상기 봉부재의 둘레 방향으로 와전류가 발생하고, 이 와전류에 의해 발생하는 자기장의 방향에 반대되는 방향으로 자기장을 형성하도록 상기 멀티 루프 코일에 기전력이 발생하며, 이 기전력을 측정하여 봉부재에 전달되는 진동을 측정할 수 있는 트랜스듀서.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 멀티 루프 코일은 두 개의 폐곡선부를 포함하는 8자형의 코일이고,

   두 개의 폐곡선부는 상기 봉부재의 상측에서 상기 봉부재의 길이 방향으로 일렬로 배치되며,

   두 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 서로 상이한 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
5. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 멀티 루프 코일은 세 개의 폐곡선부를 포함하고,

   세 개의 폐곡선부는 상기 봉부재의 상측에서 상기 봉부재의 길이 방향으로 일렬로 배치되며,

   세 개의 폐곡선부 중 중앙에 위치한 폐곡선부의 코일의 감은 방향은 나머지 두 개의 폐곡선부의 코일의 감은 방향과 상이한 것을 특징으로 하는 트랜스듀서.
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