KR102134492B1 - 도전성 재료의 이상을 검출하는 차동 센서, 검사 시스템, 및 검출 방법 - Google Patents

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마렉 지올코브스키
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Abstract

도전성 재료의 이상을 검출하는 차동 센서는 영구 자석 (PM), 영구 자석 주위로 진행하고 제1 코일 축 (A1)을 정의하는 하나 이상의 제1 권선을 갖는 제1 코일(S1), 및 영구 자석 주위로 진행하고, 제1 코일 축을 가로지르는, 특히, 직교하는 제2 코일 축(A2)을 정의하는 하나 이상의 제2 권선을 갖는 제2 코일(S2)을 구비한다. 바람직하게, 직교하여 배향된 제3 코일(S3)이 구비되어 있다. 자속의 변화 성분이 복수의 공간 방향에 대해서 개별적으로 감지되고 평가될 수 있다. 센서는, 이 센서와, 차동센서의 코일들 (S1, S2, S3)의 권선들에 유도된 전압들 또는 그로부터 도출된 신호들을 각각의 코일에 대해서 개별적으로 감지하고, 적어도 하나의 평가 방법을 적용하여 그들을 상관하도록 구성된 평가 장치(A)를 포함하는, 검사 시스템이 일부이다.

Description

도전성 재료의 이상을 검출하는 차동 센서, 검사 시스템, 및 검출 방법{DIFFERENTIAL SENSOR, INSPECTION SYSTEM AND METHOD FOR THE DETECTION OF ANOMALIES IN ELECTRICALLY CONDUCTIVE MATERIALS}
본 발명은 도전성 재료의 이상(anomaly)을 검출하는 차동 센서, 검사 시스템, 및 검출 방법에 관한 것이다.
요즈음, 재료의 이상을 비파괴 검출하는 것은 매우 중요하다. 이상은, 예를 들면, 균열, 불순물 또는 몇몇 다른 재료의 불균일, 예를 들면, 도전성의 국부적인 불균일과 같은 결함일 수 있다. 높은 부하-대-질량 비를 갖는 재료를 필요로 하므로, 특히 높은 품질의 재료가 요구된다. 비용을 절감하고 생성되는 각 아이템의 품질을 결정하기 위해, 결함의 검출 및 국부화를 행하고 재료 파라미터의 결정을 행하는 비파괴 방법의 사용이 많이 증가되었다. 금속 재료는 산업에서 특별한 역할을 행하기 때문에, 도전성 재료의 비파괴 조사는 연구, 개발, 및 응용의 주제가 된다.
비파괴 재료 시험 (non-destructive testing: NDT)에서, 시험편의 종류와 조사중인 재료의 성질에 따라서 많은 상이한 방법들이 현재 사용되고 있다. 2008년 비파괴 재료 시험에 관한 제 17회 국제 회의에서 T. Aastroem가 작성한 기사 "50년간 15개로부터 2백개로의 NDT 검사들"에 따르면, 비파괴 재료 시험을 위한 200개 이상의 방법이 종래로부터 알려져 있다.
전자기 방법은 도전성 재료에서 이상을 검출하는데 특히 성공적이라는 것이 입증되었다. 그러나, 가능한 방법 중 일부는 해상도, 투과 깊이 및 실행 시간 또는 시험비율이 제한적이다. 결함을 식별하는 확률 또한 더 증가되어야 한다.
가변 크기의 센서 어레이 내에 센서를 배열함으로써, 대응하는 알고리듬을 사용하여, 결함을 재구성할 수 있다. 그러나, 이러한 배열은 센서가 소형 구성이라는 것을 전제로 한다.
와전류 테스트 (eddy current testing: ECT)는, 지상 차량, 항공기 또는 공장 건설에서 안전 및 중요한 기능과 관련이 있는 구성 요소에 대한 검사를 행하기 위해, 예를 들면, 금속-제조 및 금속 가공 산업에서 반제품의 자동화 비파괴 검사 등의 많은 이용 분야에서 도전성 재료의 검사에 성공적이라는 것이 입증되었다.
코일로 구성된 종래의 와전류 센서는, 테스트를 행하기 위해 교류 전원에 연결되어 교류 전자기장 (기본 필드)을 생성할 수 있고, 테스트 동안 테스트 중인 재료를 투과하여, 와전류 프로브의 하나 이상의 측정 코일 (또는 수신 코일)에 대해 소급 효과를 갖는 와전류를, 테스트중인 재료의 표면 근방의 층에서, 실질적으로, 상대 유도(counterinduction)에 의해 발생시키는, 하나 이상의 필드 코일 (또는 여기 코일)을 포함한다. 테스트되는 영역의 결함, 예를 들면, 균열, 불순물 또는 몇몇 다른 재료의 불균일은 테스트중인 재료에서 와전류의 전파를 방해하고, 따라서 와전류의 세기를 변화시킴으로써, 이차 자기장의 세기가 측정 코일에 소급 작용한다. 측정 코일에서 생긴 전기적 특성, 예를 들면, 임피던스의 변화는, 결함을 식별하고 특징짓기 위해, 평가 장치에 의해 평가될 수 있는 전압 변화의 형태의 전기 측정 신호를 가져 온다. 와전류 센서는, 검사 목적 또는 측정 목적으로, 예를 들면, 전기 전도도 또는 투자율을 측정하는 경우에, 무결함 재료에 사용될 수 있다.
와전류 테스트를 통해 고감도와 높은 공간 해상도로 표면 근방의 결함을 검사할 수 있다. AIP Conf. Proc. 557 (2001) 페이지 1541-1548에서, Sun, Y., Udpa, S., Lord, W., Udpa, L. 및 Ouyang, T.에 의해 작성된, 기사 "롤링 금속 스트립의 온라인 검사 및 품질 검사를 위한 움직임에 의한 원격 필드 와전류 효과의 적용"에 기재된, "움직임에 의한 원격 필드 와전류 테스트"로 칭해지는 것을 적용함으로써, 빠른 테스트 속도를 갖는 공간 해상도가 얻어진다.
예를 들면, Strojniski vestnik - 기계 공학 저널 57 (2011) 3, 페이지 227~236에서, Mook, G., Michel, F. 및 Simonin, J.가 작성한 기사 "프로브 배열을 사용하는 전자 촬상"에 기재된 촬상 방법은 검사중인 재료에서 이상에 대한 고감도를 나타낸다.
시험편의 재료를 투과하는 기본 자기장을 생성하는 교류 자기장을 사용하는 것은, 검사중인 재료에 대해서 주파수 제한된 투과 깊이를 갖는 단점이 있다. 깊이가 투과 깊이의 3배를 초과하면 더 깊이 존재하는 이상 및 슬릿형 이상의 깊이를 일반적으로 충분히 결정할 수 없다 (2006, 제 9회 비파괴 검사에 대한 유럽 회의에서, Mook, G., Hesse, O.와 Uchanin, V.가 작성한 기사 "깊이 투과하는 와전류 및 프로브" 참조). 그러나, 투과 깊이에 거의 대응하는 깊이에 있는 이상으로 인해서, 이 유형의 센서 시스템에 문제들이 있다는 것을 알 수 있다. 주파수의존 투과 깊이에 대응하는 사용되는 센서 시스템의 공간해상도가 존재한다. 깊이 위치한 이상을 검출하고자 하면, 낮은 주파수가 필요하다. 따라서, 느린 테스트 속도만이 가능하고, 그 결과, 센서 시스템을 통한 검사물의 실행 시간이 증가한다.
검사중인 재료와 센서 간의 상대적인 이동이 실현되는 결함 검출을 위한 방법 및 센서가 기재되어 있는 다수의 문서들이 있다.
NDT & E International 44 (2011) 페이지 1 ~ 7에서, Sun, Y., Kang, Y. 및 Quio, C.가 작성한, 기사 "영구 자기장 교란을 기반으로 하는 새로운 비파괴 검사 방법"은 자속 누설 시험에 의해 강자성 재료를 검사하는 비파괴 방법을 기재하고 있다. 테스트되는 구성 요소의 표면에 수직으로 정렬되는 영구 자석에 수신 코일이 권취되어 있다. 이로 인해, 이 수직 정렬에서 자석이 시험편의 표면을 따라서 표면으로부터 소정 거리 이동하면, 영구 자기장 교란 효과 (permanent magnetic field perturbation effect: PMFP effect)를 관찰할 수 있다. 이 방법은 강자성 재료에서 상이한 배향의 결함들이 충분한 감도로 검출될 수 있게 하고자 안출된 것이다.
특허 US 7,023,205 B1는 도전성 장벽을 통해 도전성 성분을 검출할 수 있는 와전류 센서를 기재하고 있다. 이 센서는 코일이 감겨진 영구 자석을 포함한다. 이 와전류 센서는, 하우징을 통해서 하우징의 내측, 예를 들면, 터빈 블레이드를 따라서 움직이는 도전성 구성 요소의 성질을 측정하기 위해, 터빈 또는 회전 구성 요소를 갖는 일부 다른 기계의 하우징의 외측에 설치될 수 있다.
WO 00/58695는 금속물에 작용하는 힘을 결정하는 금속물의 파라미터를 측정하는 방법을 제시한다. 이 경우에, 금속물은 금속 유체와 유한 치수의 고형 금속체를 모두 의미하는 것으로 이해된다.
특허 US 6,002,251는 와전류 센서를 사용하여 "원격 필드"를 측정하는 센서 배열을 제시하며, 여기 코일 및 수신 코일의 국부적인 분리 및 여자 시스템(excitation system)의 자기 실드가 구현된다.
WO 2007/053519 A2는 자석이 테스트 대상물에 대해서 움직일 때 자석에 작용하는 항력을 사용하여 결함을 검출하는 것을 기재하고 있다.
최근에, "로렌츠 힘 와전류 테스트" (Lorentz Force Eddy Current Testing: LET) 명칭으로 알려진 새로운 비접촉 비파괴 재료 시험 방법이 Ilmenau 기술 대학에서 개발되었다. 기본 원리는 예를 들면, 2008년 5월, 세르비아 전기 공학 저널, 페이지 11 ~ 20에서, Brauer, H., Ziolkowski, M.가 작성한 기사 "힘 측정을 이용한 결함을 가진 금속 시트의 와전류 테스트"에 설명되어 있다. 금속 시험편과 영구 자석이 서로에 대해서 상대 운동하도록 설정되면, 와전류가 시험편에 유도되고, 로렌츠 힘이 대응하는 반력을 자기 시스템에 발생시킨다. 예를 들면, 균열 또는 일부 다른 결함에 의해 발생되는, 시험편의 금속의 전기 전도도의 불균일성이, 자기 시스템에서 힘 센서를 사용하여 검출될 수 있는 로렌츠 힘의 변화로 나타난다. 로렌츠 힘 와전류 테스트로 인해서, 자기 시스템에 작용하는 로렌츠 힘의 측정에 기초하여 더 깊이 존재하는 결함을 검출할 수 있다.
DE 10 2011 056 650 A1는 로렌츠 힘 와전류 테스트에 기초하여 재료의 전기 전도도를 결정하기 위한 방법 및 배열을 기재하고 있다. 이것은 로렌츠 힘이 상이한 방향의 다중 힘 효과를 갖는 사실을 이용한다. 상이한 방향으로 작용하는 제1 힘 효과와 제2 힘 효과가 측정되고, 연관된 값은 몫을 형성함으로써 계산된다. 이 방법은 재료의 불균일성을 국부화하기 위해서 사용될 수 있다.
다양한 비파괴 재료 시험용 센서 시스템의 존재에도 불구하고, 고감도로 이상을 신뢰성있게 검출할 수 있는 센서 및 센서 시스템이 여전히 요구되고 있다. 특히, 검사 중인 재료에 깊이 위치하는 이상을 빠른 테스트 속도로 검출하는 것은 만족스럽게 해결되지 않고, 문제로 계속 존재한다.
본 발명에서 해결되어야 하는 과제는, 빠른 테스트 속도로도 고감도 및 낮은 오검출 비율로 이상을 검출할 수 있고, 검사 중인 재료의 깊이 위치하는 이상의 검출을 구현할 수 있는, 도전성 재료의 이상을 검출하는 차동 센서, 검사 시스템, 및 검출 방법을 제공하는 것이다.
이러한 및 다른 문제를 해결하기 위해, 청구항 1의 특징을 갖는 차동 센서가 제공된다. 또한, 청구항 6의 특징을 갖는 검사 시스템이 제공된다. 이 문제는 또한 센서 및/또는 검사 시스템을 사용하여 실행될 수 있는, 청구항 13의 특징을 갖는 도전성 재료의 이상을 검출하는 방법에 의해 해결된다.
바람직한 전개가 종속항에 명시되어 있다. 모든 청구항의 문구들은 설명의 내용을 참조하여 작성된 것이다.
일 구성에 따르면, 청구된 발명은 도전성 재료의 이상을 검출하는 차동 센서를 제공한다. 테스트 대상물에서 와전류를 생성할 목적으로, 센서는 (적어도 하나의) 영구 자석을 구비한다. 교류 전류에 의해 동작하는 여자 코일 대신에 영구 자석이 사용되면, 재료의 (기본) 자기장의 투과 깊이가 증가한다. 이로 인해, 재료의 표면 아래에 깊이 존재하는 이상을 검출하는 것이 가능하게 된다.
센서 신호의 생성을 위해, 센서는 영구 자석 주위로 진행하고 제1 코일 축을 정의하는 하나 이상의 제1 권선을 갖는 제1 코일, 및 영구 자석 주위로 진행하고 제2 코일 축을 정의하는 하나 이상의 제2 권선을 갖는 제2 코일을 구비하고, 제2 코일 축은 제1 코일 축을 가로지른다. 그러므로, 코일은 서로 평행하지 않지만 서로 한정된 각도를 이루는 코일 축 들을 갖는다. 용어 "코일 축"은 권선에 따르는 경로에 의해 정의되는 권선면과 실질적으로 직교하는 방향을 지칭한다. 코일의 배향은 서로 서로 가로지르는 각각의 코일 축 들과 직교하는 코일 면에 의해 정의될 수도 있다.
유도된 와전류에 의해 생긴 이차 자기장은 영구 자석에 의해 제공되는 기본 자기장과 상호 작용한다. 상대 이동 중에, 이상이 기본 자기장에 의해 영향을 받는 영역을 통과하면, 이차 자기장은 이 이상에 의해 교란되고, 전압은 자속에 관련된 변화에 의해 (적어도) 2개의 코일의 각각에 유도된다.
이와 관련하여, 용어 "차동 센서"는 권선 또는 코일에 유도된 전압을 감지함으로써 자속 φ의 경시 변화를 감지하는 센서의 성능을 말한다. 시간 t에 대한 변화가 차동 dφ/dt로 표현될 수 있으므로, 이 센서는 "차동 센서"로 칭한다. "차동" 센서가 주지의 와전류 차동 프로브와 구분되는 것 중 하나는, 와전류 차동 프로브의 경우는 차동 신호를 얻기 위해 축방향에 평행하게 (예를 들면, 대향하는 권선 방향으로) 코일이 차동 연결 쌍으로 서로 연결되어 있는 반면, "차동 센서"의 코일은 차동 연결로 서로 연결되어 있지만, 서로 독립적인 신호를 생성하고 서로 독립적으로 평가될 수 있다는 것이다.
코일 축이 서로 평행하지 않지만 서로 가로질러 정렬되어 있는 적어도 상이한 2개의 코일 (제1 코일 및 제2 코일) 이 설치되기 때문에, 자속의 경시 변화가 복수의 공간 방향에 대해서 각각 감지될 수 있다. 평행하지 않은 코일 축을 갖는 2개 (혹은 그 이상)의 코일이 설치되므로, 복수의 공간 방향의 자속의 변화가 개별적으로 상호 독립적으로 감지된다. 이 기능으로 인하여, 상기 센서는 "다성분 센서"로 칭해질 수 있으며, 여기서, 용어 "성분"은 상이한 공간 방향의 자속의 변화의 성분과 관계된다.
이러한 다성분 센서는 하나의 코일만을 갖는 대응 센서와 비교하여 판독 오류의 확률을 줄일 수 있는 것이 밝혀졌다. 자속의 변화는 복수의 공간 방향에서 동시에 감지될 수 있으므로, 센서 신호는, 코일중 하나에서 자속의 현저한 변화만을 발생하는, 예를 들면, 의사-결함과, 예를 들면, 균열 또는 보이드 등의 "진짜" 결함을 구분하기 위한 근거로서 사용될 수 있다.
2개의 코일은 자속의 변화의 다차원 감지에 충분할 수 있지만, 바람직한 실시예의 경우에, 영구 자석 주위로 진행하고, 제1 코일 축과 제2 코일 축을 가로지르는 제3 코일 축을 정의하는 하나 이상의 제3 권선을 갖는 제3 코일이 설치된다. 따라서, 상이한 공간 방향 또는 성분의 자속의 경시 변화의 더욱 상세한 검출이 가능하다. 바람직하게, 센서는 3개의 비동축 코일을 구비한다.
바람직한 실시예의 경우, 코일의 코일 축은 서로 교대로 직교하여 배향되므로, 데카르트 시스템의 좌표의 3방향의 성분으로 자속의 전체적인 변화를 분리할 수 있다. 이로 인해, 평가를 크게 단순화시킬 수 있는 효과를 갖는다. 제1 코일, 제2 코일 및 가능하면, 제3 코일을, 코일 축 들이 서로 상이한 각도, 예를 들면, 각도 60°또는 각도 30°등을 갖도록, 배향할 수 있다.
일반적으로, 제1 코일, 제2 코일 및/또는 제3 코일이 영구 자석에 고정되어 있는 실시예가 바람직하다. 영구 자석과 코일간의 기계적으로 고정된 접속은 영구 자석과 코일 간의 상대적인 움직임이 발생하지 않는 것을 보증하는 효과를 가지므로, 영구 자석의 기본 자기장은 동작 중에 코일에 전압을 유도할 수 없고, 따라서 코일에 유도된 모든 전압은, 유도 와전류에 의해 재료에 유도된 이차 자기장에 배타적으로 기여할 수 있다. 그러나, 하나 이상의 코일을 영구 자석에 직접 고정하지 않고, 영구 자석에 기계적 고정 방식으로 바람직하게 결합된 센서의 또 다른 요소에 고정할 수 있다.
코일을 영구 자석에 고정하므로, 작은 대응 설치 공간만을 필요로 하는 특히 작은 공간 치수를 갖는 컴팩트한 센서를 구성할 수 있다. 영구 자석 및 코일을 제외하고, 더 이상 전기/자기 부품이 필요하지 않으므로, 이 구성은 또한 저렴하다. 이러한 간단한 구성으로 인해, 이러한 센서들은, 센서 어레이, 즉, 예를 들면, 동시에 검사되는 재료의 비교적 광범위한 영역을 감지할 수 있도록, 1차원 또는 2차원 배열에서 서로 비교적 근접하는 다중 센서를 갖는 센서 시스템에서 사용하기에 특히 적합하다. 일부 실시예의 경우에, 다중 차동 센서는 일차원 또는 이차원 센서 어레이를 형성한다.
본 발명에 따른 차동 센서를 상술된 로렌츠 힘 와전류 테스트용 센서와 비교하면, 본 발명에 따른 차동 센서는 자속의 변화를 검출하는 반면, 로렌츠 힘 와전류 테스트의 경우에 자기 시스템에서 작용하는 힘의 절대값이 대응하는 힘 센서에 의해 기록되고, 평가되는 것에 주의한다. 그러나, 기계력 측정 시스템에서, 힘 측정을 위해서 시스템의 기계적 변화가 행해져야 하기 때문에, 측정 조건으로 인해서 비교적 제한된 동력만을 가지는 반면, 본 발명에 따른 유도 센서의 경우, 제한된 측정 동력을 갖지 않는다. 따라서, 로렌츠 힘 와전류 테스트와 비교하여, 빠른 테스트 속도로 측정하는 것이 가능하다.
이론적으로, 로렌츠 힘 와전류 테스트의 경우에 측정을 위해서 사용되는 로렌츠 힘의 변화는 자속의 변화와 직접 상관하므로, 로렌츠 힘 와전류 테스트의 신호의 평가와 관련하여 발견된 것이, 본 발명에 따른 청구된 차동 센서에 의한 테스트에서 사용될 수 있다.
일부 실시예의 경우에, 차동 센서 외에, 힘 센서가 설치되고, 차동 센서에 작용하는 로렌츠 힘이 힘 센서에 의해 복수의 공간 방향에서 감지될 수 있도록 차동 센서에 기계적으로 결합된다. 이 결과, 조합 센서 또는 센서 조합이 만들어진다. 이러한 힘 픽업에 대한 결합으로 인해서, 2개의 서로 다른 방법이 동시에 실행될 수 있으며, 하나의 검사 방법으로, 복수의 공간 방향에서 감지된 자속 (dφ/dt)의 변화에 의해 차동 센서를 사용하여 결함을 감지할 수 있고, 전기 전도도가, 로렌츠 힘 성분의 상관 관계에 의해 동일한 테스트 크기에 대해서 하나의 측정 방법을 사용하여 상이한 공간 방향에서 동시에 감지될 수 있다.
여기 서술된 유형의 차동 센서는, 예를 들면, 상세한 설명에 어느 정도 내용이 참고로 서술되어 있는, 상기 기재된 DE 10 2011 056 650 A1에 따른 재료의 전기 전도도를 결정하는 방법 및 구성과 함께 사용될 수 있다.
본 발명은 도전성 재료에서 이상을 검출하는 검사 시스템에 관한 것이며, 이 검사 시스템은 상기 서술된 유형의 적어도 하나의 차동 센서를 갖는다. 테스트 동작에서, 센서는 평가 장치에 연결되어, 적어도 2개의 코일의 권선에 유도된 전압들 또는 그로부터 도출된 신호들을 각각의 코일에 대해서 개별적으로 감지하고, 적어도 하나의 평가 방법을 적용하여 그들을 상관하도록 구성된다.
예를 들면, 평가 장치는 전형적인 결함인 전압의 변화가 제1 코일과 제2 코일 모두에 유도될 때마다, 결함을 나타내는 결함 신호 또는 그에 기초한 결함 지시를 생성하도록 설계될 수 있다. 이로 인해, 오검출 비율이 감소될 수 있다.
차동 센서에 기계적으로 결합된, 상기 서술된 유형의 다차원 작용 힘 센서가 또한 설치되면, 평가 장치는 복수의 공간 방향에 대한 힘 센서의 신호의 평가를 위해 설치된다.
본 발명은 도전성 재료의 이상을 검출하는 방법에 관한 것이며, 이러한 센서를 갖는 차동 센서 또는 검사 시스템이 사용된다. 이 경우, 영구 자석에 의해 생성된 자기장이 투과 깊이까지 테스트 대상물을 투과할 수 있도록, (적어도 하나의) 차동 센서는 도전성 재료인 테스트 재료의 표면의 근방에 배열된다. 움직임 방향에 평행한 차동 센서와 테스트 대상물 사이에 상대적인 움직임이 행해진다. 이것은 고정되어 있는 센서에 대해서 테스트 대상물을 움직이거나, 고정되어 있는 테스트 대상물에 대해서 센서를 움직이거나, 테스트 대상물과 센서의 움직임을 조합하여 가능하다. 센서와 시험편의 표면 사이의 거리는 이 경우에 가능한 일정하게 유지되어야 한다. 이 상대적인 움직임으로 인해, 자기장이 작용하는 영역에서, 재료에 와전류를 생성하고, 차동 센서의 코일에서 와전류가 작용하는 효과를 갖는다. 적어도 하나의 평가 방법을 적용하여, 차동 센서의 코일의 권선에 유도된 전압 또는 그로부터 도출된 신호가 각 코일에 대해서 개별적으로 감지 및 평가되므로, 도전성 재료의 이상이 검출될 수 있다.
이들 및 다른 특징은 특허 청구 범위 뿐 아니라 상세한 설명 및 도면에 기재되어 있으며, 각각의 특징들은 본 발명의 실시예 및 다른 분야에서 그 자신에 의해 또는 조합된 복수의 형태로 구현될 수 있으며, 장점 및 고유의 보호가능한 실시예를 구성할 수 있다. 본 발명의 실시예는 도면에 의해 도시되며, 아래에 더욱 상세하게 설명되어 있다.
도 1은 테스트 동작시에 본 발명의 일 실시예 따른 차동 센서를 구비한 검사 시스템의 일 실시예를 나타낸다.
도 2는 3차원으로 동작하는 차동 센서의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 2차원으로 동작하는 차동 센서의 일 실시예를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 결함이 없는 경우 (-)와 결함이 있는 경우 (---)의 종래의 로렌츠 힘 와전류 테스트의 측정 신호들을 나타내며, 도 4A는 재료의 이동 방향의 힘 신호를 나타내고, 도 4B는 승강 방향의 힘 신호를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 센서의 경우에 유도된 전압 신호를 나타내며, 도 5A는 x 방향 (이동 방향)의 코일 축을 갖는 코일의 신호를 나타내며, 도 5B는 z 방향 (승강 방향)의 코일 축을 갖는 코일의 신호를 나타낸다.
도 6은 로렌츠 힘 와전류 테스트 및 차동 와전류 테스트의 조합으로 구성되는 검사 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 7은 복수개의 동일한 차동 센서들을 구비한 2차원 센서 어레이를 나타낸다.
도 8은, 거리 보상의 목적으로 테스트 대상물로부터 상이한 검사 거리들에 배열되어 있는 2개의 차동 센서들을 갖는 센서 시스템을 구비한 검사 시스템을 나타낸다.
개략도인 도 1은 적어도 표면(OB)의 영역에서, 도전성 재료로 구성된 테스트 대상물(OBJ)에서 이상을 가능하게 또한 완전하게 검출하는 방법을 행하는 경우의 테스트 동작 중 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 센서를 구비한 검사 시스템의 일 실시예를 나타낸다.
배열을 검사 또는 측정하는 경우에, 검사 시스템은 공간적으로 고정된 데카르트 시스템의 좌표 KS에 대해서 정지해 있는 반면, 테스트 대상물은 검사 시스템에 대해서 x방향인 이동 방향(R)과 속도(v)로 상대적으로 이동한다. 테스트 대상물은, 예를 들면, 스틸, 알루미늄 또는 다른 강자성 또는 비강자성 금속의 판 또는 스트립이며, 이 예의 경우, 테스트 대상물의 표면(OB)까지 이르지 못하고 특정 깊이에 존재하는 숨겨진 결함(D1)과, 표면(OB)까지 이른, 보이드 형태로 표면 근방에 존재하는 결함(D2)을 갖는다.
검사 시스템(SYS)은 평가 유닛(A)에 연결되는 차동 센서(SENS1)를 구비한다. 센서(SENS1)는, 이 예의 경우, 희토류 자석의 입방편인 영구 자석(PM)을 구비한다. 검사를 행하기 위해, 영구 자석은 테스트 대상물의 근방에 놓여지고, 그 자기 축, 즉, 자기 북극 N과 자기 남극 S사이의 접합선이 테스트 대상물의 표면(OB)에 가능한 직교하도록 배향된다.
센서는, 영구 자석 주위로 진행하고 제1 코일 축 (권선에 직교하도록 배향된) 을 정의하는 하나 이상의 제1 권선을 갖는 제1 코일(S1)을 가지며, 제1 코일 축은, 이 예의 경우, 영구 자석의 자기 축에 평행하거나, z방향에 평행하다. 영구 자석 주위로 진행하고, 제1 코일 축, 정확히는, x방향에 직교하는 제2 코일 축을 정의하는 하나 이상의 제2 권선을 갖는 제2 코일(S2)이 설치되며, 검사중에 제2 코일 축은 이동 방향(R)에 가능한 평행하다. 또한, 영구 자석 주위로 진행하고, 제3 코일 축을 정의하는 하나 이상의 권선을 갖는 제3 코일(S3)이 설치되며, 제3 코일 축은 y방향에 가능한 평행하다.
3개의 코일 축 또는 코일면은 각각의 코일 축에 직교하므로, 서로 교대로 직교한다. 이 예의 경우, 코일은 절연 와이어로 감겨지고, 서로 전기적으로 절연한다. 코일은 예를 들면, 접착제에 의해 영구 자석에 고정되므로, 자석에 대한 상대적인 움직임이 가능하지 않다. 영구 자석 및 코일을 포함하는 배열은 비전도성 비자화성 고분자 화합물로 주조될 수 있지만, 간략화를 위해 도시하지 않았다. 코일은 각각 평가 장치(A)에 개별적으로 연결되며, 코일의 각각은 그 자신의 입력 채널에 할당된다.
검사 시스템은 코일에 의해 감지된 영역의 자속 (φ)의 경시 변화를 감지할 수 있고, 개별 코일의 권선에 유도된 전압이 평가 장치에 의해 감지되고 평가된다. 자속의 경시 변화가 데카르트 시스템의 좌표의 3개의 공간 방향에 대해서 개별적으로 감지될 수 있다. z방향의 자속의 변화의 성분들이 제1 코일(S1)에 의해 감지되고, 따라서 전압 (UZ)에 유도된다. 테스트 대상물의 움직임(R)의 방향과 다소 평행한, x방향의 자속의 변화의 성분들은 제2 코일(S2)에서 대응하는 전압(Ux)을 생성한다. 상기 성분들에 직교하는 성분들은 y방향에 평행하게, 즉, 이동의 횡방향을 향하며, 제3 코일(S3)에서 대응하는 전압(Uy)을 생성한다. 각각의 전압은 평가 장치에 의해 개별적으로 감지된 후, 차동 평가 방법을 사용하여 서로 상관될 수 있다.
센서(SENS1)는 자속의 경시 변화 즉, 차동 dφ/dt, 복수의 공간 방향에서 별개로 감지할 수 있으므로, "차동 다성분 센서"로도 칭해진다.
도 2는, 도 1로부터, 센서(SENS1)에서 3차원으로 작동하는 하나의 가능한 구성을 개략적으로 도시한다. 제1 코일(S1) 및 제2 코일(S2)의 권선은 영구 자석의 외주에 서로 직교하는 방향으로 각각 직접 감겨지며, 제3 코일(S3)은 그들 주위에 다른 2개의 코일의 권선과 직교하게 감겨진다. 역의 배열도 가능하다.
도 3은 제1 코일(S1) 및 제2 코일(S2) 만을 갖는 센서(SENS2)의 간략화된 변형예를 도시하므로, 자속 변화의 2개의 성분만이 서로 직교하는 2개의 공간 방향에서 감지될 수 있다. 이것은 많은 측정 또는 테스트 목적에 충분할 수 있다.
센서 또는 검사 시스템의 기능적인 원리를 아래에 설명한다. 코일이 감겨진 영구 자석(PM)과 전도성 재료인 테스트 대상물 사이의 상대적인 움직임에 의해, 와전류가 영구 자석의 자기장에 의해 테스트 대상물에 유도된다. 영구 자석의 기본 자기장과 상호 작용하는 와전류는 이차 자기장을 생성하고, 이차 자기장은 영구 자석의 기본 자기장과 상호 작용하고, 거기에 중첩된다. 코일에 중첩된 전체 필드(기본 필드 및 이차 필드) 가 나타나며 이차 필드의 변화만이, 유도된 전압으로서 코일에 나타난다. 테스트 대상물의 이상은 코일의 영역에서 자속의 변화를 가져 오며, 따라서 차동 센서에 의해 감지될 수 있다.
(여기 코일에 흐르는 전류에 의한 기본 필드의 여기) 종래의 와전류 테스트와 비교하여, 본 검사 방법, 검사 시스템 및 센서는, 증가된 투과 깊이를 포함하여, 처음 부분에 서술된 로렌츠 힘 와전류 테스트에 의해 달성될 수 있는 몇몇 장점을 제공한다. 그러나, 특히, 더 높은 역학(더 빠른 테스트 속도)이 가능한 테스트와 오검출을 방지하는 것에 대해서, 로렌츠 힘 와전류 테스트와 비교하여 더 많은 장점이 얻어진다. 더 나은 이해를 위해, 2개의 방법 및 센서 시스템의 몇몇 일반적인 특징과 본질적인 차이를 이하에 설명한다.
이미 기재한 것같이, 로렌츠 힘 와전류 테스트의 경우에, 예를 들면, 직류로 동작하는 영구 자석 또는 코일에서 생성되는 일정한 자기장이 테스트되는 재료에서 와전류를 생성하기 위해 사용된다. 테스트 대상물과 일정한 필드 소스 사이의 상대 속도를 생성함으로써, 재료와의 상호 작용 중에 자기장의 경시 변화가 생긴다.
전하 캐리어의 이동에 대한 옴의 법칙에 따르면, 상대 이동의 속도(v) 및 자속 밀도(B)로 전류 밀도(j)를 갖는 와전류가 테스트 대상물에 유도된다:
Figure 112015032522756-pct00001
그 부분에 대한 와전류는 기본 상수 필드와 상호 작용한다. 부피 V의 재료에 이 상호 작용으로 인해서 테스트되는 재료에 힘이 작용하게 하며, 이것은 로렌츠 힘 FLF이라 칭한다:
Figure 112015032522756-pct00002
뉴튼의 제3 법척 "작용 = 반작용"에 따르면, 로렌츠 힘의 원인, 즉, 기본 자기장의 소스, 상세하게는, 영구 자석(PM)에 소급 작용하는 제2 힘이 반드시 존재한다. 이 힘은 3개의 공간 방향의 벡터 값이다. 도 1에, 대응하는 힘 성분 Fx, Fy 및 Fz이 x, y 및 z 방향으로 도시되어 있다. 테스트되는 재료가 결함을 갖고 있지 않으며, 와전류의 경로는 교란되지 않고, 로렌츠 힘은 일정하다. 결함이 와전류의 경로를 교란시키면, 힘의 변화가 유도되어 측정될 수 있다.
설명을 위해, 도 4는 결함이 없는 경우 (실선)와 결함이 있는 경우 (점선)의 로렌츠 힘 와전류 테스트의 전형적인 측정 신호들을 나타내며, 도 4A는 재료의 이동 방향 (x축)의 힘 신호를 나타내고, 도 4B는 승강 방향 (z축)의 힘 신호를 나타낸다.
기본 자기장은 정수 필드(constant field)이기 때문에, 재료에 대한 와전류의 투과 깊이는 종래의 와전류 테스트의 경우와 같이 여기 주파수에 의해 결정되는 것이 아니라, 상대 속도에 의해 정의된다. 그 결과, 결함은 동일 측정 조건하에서 더 깊은 곳에서 잠재적으로 검출될 수 있다.
힘은 그 효과에 기초하여 간단히 측정될 수 있다. 스트레인과 압축이 작용하는 힘을 다시 계산하는 기준이 되는 기계적 변형체를 사용하는 것이 일반적이다. 구조 역학의 관점에서, 이들 변형체는 강성이 낮은 경향이 있다. 이러한 이유로, 고유 주파수는 낮은 Hz 범위에 대부분 존재한다. 높은 측정 속도는 특정 시스템의 높은 역학을 요구하기 때문에, 낮은 고유 주파수를 갖는 시스템은 적당하지 않다. 외란이 단기간 (제진)에 발생하면, 외란은 단순히 시스템에 의해 발견되지 않는다.
영구적으로 작용하는 로렌츠 힘은 마찬가지로 검사 시스템에 불리한 영향을 미칠수 있다. 센서 장치는 상응하게 큰 측정 범위를 커버해야 한다. 결함을 나타내는 외란(disturbance)은 작용하는 로렌츠 힘에 비해 적다. 이에 대응하여, 높은 해상도가 확보되어야 한다. 2개의 요구(측정 범위, 해상도)는 상충하며, 기술적인 타협에 의해 일반적으로 해결될 수 있는 목표의 충돌을 나타낸다.
종래의 와전류 테스트와는 대조적으로, 로렌츠 힘 와전류 테스트는 조건부로만 강자성체의 테스트에 적합하다. 자석 및 시험 대상물질 사이의 강한 인력이 보상되어야 한다. 그렇지 않으면, 로렌츠 힘, 특히 인력에 의한 외란이 중첩되어 만족스럽게 검출될 수 없다.
로렌츠 힘 와전류 테스트는 주파수-의존 투과 깊이에 의해 제한되지 않지만, 속도-의존 투과 깊이에 의해 제한된다. 힘 효과가 비선형 방식으로 동작함으로써 속도 제한은 1 m/s의 속도로부터 크게 차이난다. 이 방법은 표면을 투과하는 또는 표면 근방에 위치하는 비강자성 재료의 결함 검출에 잠재적으로 적합하다. 테스트 대상 재료의 구체적인 전기 전도도는 2개의 측정된 힘 성분에 의해 결정될 수 있다. (비교 DE 10 2011 056 650 A1).
로렌츠 힘 와전류 테스트에서 상기 서술된 검사의 목적의 충돌을 극복하기 위해서, 힘 신호의 경시 변화 만을 감지할 수 있다. 한편, 신호의 변화는 2개의 측정 시스템을 필요로 하는 차동 배열에 의해 결정될 수 있으며, 측정 시스템중 하나는 테스트 대상물질의 결함 없는 부분을 검사하고, 다른 하나는 결함을 통과하며; 한편, 변화는 신호의 시간 도함수 (차동)에 의해 결정될 수 있다.
노이즈가 증가하기 때문에, 힘 신호로부터 시간 도함수를 결정하는 것은 문제가 있는 것으로 인식되어 왔다. 경시 변화에 의해 로렌츠 힘에 연관된 물리적 값을 측정하는 것이 더 바람직하다.
힘 신호는 기본 자기장 및 이차 자기장의 상호 작용에 의해 생성되는 전체의 자기장에 의해 생성된다. 이차 자기장의 경시 변화는 전체 자기장의 경시 변화를 가져온다. 주요 일정 구성요소는 시간 도함수에 영향을 주지 않는다. 이차 자기장의 변화는 와전류 경로의 교란을 가져 온다. 자기장의 경시 변화는 다양한 센서, 예를 들면, 유도 코일에 의해 측정될 수 있다. 다수의 권선(N) 및 코일 영역(A)을 갖는 코일에서, 자속의 경시 변화는 전압 U을 생성한다:
Figure 112015032522756-pct00003
이 전압은 로렌츠 힘의 대응 성분에 비례하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 생성된 전압은, 몸체의 가장 자리 또는 재료 특성의 이상에 의해 발생하는 자기장의 변화를 포함한다. 재료 특성의 이상은 그중에서도, 전도성 및 투과성의 변화, 공기 포함 및 균열일 수 있다. 시간 도함수를 사용하기 때문에, 이 방법은 "차동" 방법으로 칭해진다. 특히, 이 방법은 "움직임-유도 이차 필드 와전류 테스트"(motion-induced secondary field eddy current testing: MISFECT)으로 칭해질 수 있다.
시간에 대해 불변인 신호에서 (테스트중인 재료가 없거나, 재료가 테스트되고 있지만 결함이 없다), 전압은 0이고, 변화가 있는 경우 전압만이 측정되기 때문에, 결함을 검출하는 작은 측정 범위를 커버하는 것으로 충분하다. 가능한 측정 시스템의 고 해상도는 결함 검출의 확률을 증가시킨다. 이러한 센서는 수동이며, 에너지 공급을 필요로 하지 않고, 센서를 파괴할 수 없는 작은 전압만이 유도되기 때문에, 오버로드를 견딜 수 있다.
설명을 위해, 도 5는 상이한 배향의 코일에 유도된 전압 신호를 나타내며, 도 5A는 x 방향 (이동 방향)의 코일 축을 갖는 제2 코일의 신호를 나타내며, 도 5B는 z 방향 (승강 방향)의 코일 축을 갖는 제1 코일의 신호를 나타낸다.
2개 이상의 전압 신호의 시간 상관은 의사-거부 (pseudo-rejection) (좋지만 나쁘다고 검사된 부분)을 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 자기장의 변화는 복수의 코일에서 동시에 발생되어야 하므로, 하나의 성분에서만 발생하는 결함 신호는 무시될 수 있다.
로렌츠 힘 와전류 테스트와 대조적으로, 자력의 인력이 측정 시스템을 더 이상 방해하지 않는다. 따라서, 여기에 제시된 움직임 유도-이차 필드 와전류 테스트에서, 고감도 및 빠른 테스트 속도로 강자성 재료를 검사할 수 있다.
지금까지 서술된 유형의 차동 와전류 센서는, 각각의 공간 방향에서 유도된 로렌츠 힘의 절대값 성분을 감지하기 위해 설계된 다성분 로렌츠 힘 와전류 센서와 조합하여 바람직하게 사용될 수 있다. 2가지 방법의 관계의 결과, 그 중에서도, 결함의 비파괴 테스트, 예를 들면, 테스트 대상 재료의 구체적인 전기 전도도의 측정을 동시에 행할 수 있다.
설명을 위해, 도 6은 이러한 결합된 검사를 위해 구성된 검사 시스템(SYS1)의 본질적인 구성 요소를 개략적으로 도시한다. 조합 센서(SS) 또는 이 검사 시스템의 센서 조합(SS)은 3차원으로 자속의 변화를 감지하는 차동 센서(SENS3)를 가지며, 그 구성 및 기능은 도 1 또는 2의 센서(SENS1)에 대응한다. 대응하는 구성 요소는 도 1 및 2에서 동일 참조 부호를 갖는다. 이러한 관점에서 설명한다. 영구 자석(PM)에 서로 직교하게 감겨진 3개의 코일(S1, S2, S3)은 제1 평가 장치(A1)에 서로 개별적으로 연결된다.
센서(SENS3)는 힘 센서(F-SENS)의 밑면에 비전도성 비자화성 재료의 유지 장치(H)를 사용하여 체결되고, 기계적으로 고정되는 방식으로 결합된다. 유지 장치는, 예를 들면, 힘 센서의 적합한 접속 영역에 접착되어 부착되거나 나사로 부착되는 센서(SENS3)의 플라스틱 밀봉에 의해 형성되기도 한다. 힘 센서(F-SENS)가 공간적으로 고정되도록 설치된 검사 시스템(SYS1)의 구성 요소(K)에 기계적 강성 방식으로 결합되며, 그 공간적인 위치 및 배향은 좌표(KS)의 공간적으로 고정된 시스템에 의해 설명될 수 있다.
힘 센서는 낮은 기계적 강성, 스트레인 게이지 또는 다른 전기-기계 변환기에 의해 외력에 기초하여 감지될 수 있는 확장 또는 압축 또는 비틀림의 변형체에 의해 개략적으로 표현되며, 전기 변환기 신호는 변형을 일으키는 힘을 다시 산출하기 위한 기초로서 취해질 수 있다. 힘 센서는 제2 평가 장치(A2)에 결합되고, 3개의 공간 방향에서 힘 효과에 대한 관련 값들이 결정될 수 있다.
이 예의 경우, 조합 센서(SS)는, 고정되어 있는 조합 센서(SS)와 관련하여, x 방향에 평행하게 속도 v로 움직이는, 전도성 금속 테스트 대상물(OBJ)의 표면(OB) 상에 작은 검사 거리(PA) 떨어져 배열되어 있다.
테스트 대상물은, 예를 들면, 선방 에지 및 후방 에지 (움직임 방향으로 볼 때)와 표면 근방의 결함(D3)을 갖는 금속 판이기도 하다. 도 4 및 5는 결함이 없는 경우 (실선)와 결함이 있는 경우 (점선)의 가능한 센서 신호를 2차원으로 나타내며, 상세하게는, 도 4A 및 5A에서는 주행 관통 방향 (x 방향)에 평행하게, 도 4B 및 5B에서는 z 방향, 즉, 시험편의 표면에 직교하는 승강방향으로 나타낸다.
이동 방향의 힘 신호(Fx)가 선방 에지에 도달한 뒤 대략 일정한 레벨로 유지될 때, 후방 에지가 센서를 통과하고 신호가 다시 제로로 떨어질 때까지, 힘 신호(Fx)가 유한한 값으로 증가한다. 결함이 존재하면, 결함은 재료에서 와전류 전파 및 그에 따른 이차 필드를 방해하기 때문에, 항력에 대응하는 이 신호는 높은(plateau) 영역에서 약간 떨어진다. 승강력이 있을때 (도 4B), 에지는 큰 반대 방향의 편향으로서 보여지며, 그 사이에서 발생한 결함은 비교적 작은 신호의 대략 정현파 교란을 가져온다.
차동 센서(SENS3)에서 생성된 전압 신호는 다른 프로파일을 갖는다. 도 5A에 따르면, 몸체의 에지는 제2 코일(S2)의 전압 신호로 나타나고, 그 코일 축은 반대 방향의 큰 편향에 의해 x 방향으로 있는 반면, 시험편의 교란되지 않은 재료가 그들 사이에 있을 때 전압 신호는 사라진다. 결함이 센서 범위에 걸쳐 있으면, 대략 정현파 결함 신호가 생성된다. 시험편의 표면에 직교하여, 즉, 승강 방향으로 작용하는 자속의 변화의 성분이 제1 코일(S1)에 의해 감지되고, 코일면은 시험편의 표면에 평행하다. 그러므로, 선행 및 후행 에지는 대향하여 배향된, 큰 왜곡된 정현파 편향을 생성한다. 그들 사이의 무결함 영역에서, 전압은 제로로 떨어진다. 결함이 발생하면, 결함은 전압 신호의 왜곡된 정현파 편향으로서 나타난다.
2가지 유형 모두의 신호, 즉, 차동 센서(SENS3)의 힘 효과와 유도 전압에 기여할 수 있는 힘 센서(F-SENS)의 신호는 테스트되는 재료에 관한 연구 결과를 얻기 위해 검사 시스템(SYS1)에서 평가될 수 있다. 결함의 유무는 제1 평가 장치(A1)를 사용하여 차동 센서(SENS3)의 센서 신호로부터 고감도 및 고역학으로 결정된다. 동시에, 시험편의 재료의 구체적인 전기 전도도가 힘 센서의 신호로부터 동일한 테스트 부피에 대해서 결정된다. 이것은 승강 방향의 힘 효과의 측정치인 피제수 (Fz) 및 움직임 방향에 평행한 힘 효과의 측정치, 즉, 항력의 측정치인 제수 (Fx)의 몫(Fz/Fx)의 형성을 수반한다. 이 측정값에 기초하여, 시험편의 재료의 전기 전도도는 DE 10 2011 056 650 A1에 기재된 방법에 따라서 결정될 수 있다. 이와 같이 행할 때, 측정의 결과에서, 자석의 자석 밀도의 영향 및 영구 자석과 재료 사이의 거리의 영향은 몫을 형성하여 최소화될 수 있으므로, 전기 전도도의 비접촉 지정이 높은 정확도로 가능하다. 이와 관련하여, DE 10 2011 056 650 A1의 개시 내용이 본 상세한 설명을 위해 참고된다.
조합 검사 시스템(SYS1) 또는 조합 센서(SS)는 기계적 및 전기적으로 비교적 간단하고 견고한 구조를 가지며, 예를 들면, 생산과 직접 관련하여, 도전성 재료의 인증에 사용될 수 있으며, 결함의 고동력 및 민감한 검사와는 별개로, 전기 전도도의 상세한 정량적인 설명을 가능하게 한다. 이러한 조합 센서는 예를 들면, 알루미늄의 생산에 큰 이점을 가지고, 이전의 별도의 검사 방법을 대체할 수 있다.
몇몇 실시예의 경우, 검사 시스템은 2개 이상의 차동 센서를 갖는 센서 시스템을 구비하고, 그 구조는 서로 유사하거나 동일할 수 있다.
도 7은 예를 들면, 동시에 테스트되는 재료의 비교적 광범위한 영역을 감지할 수 있도록 직사각형 그리드의 2차원 평면 어레이 배열에서, 비교적 서로 근접한, 복수의 서로 동일한, 예를 들면, 9개의 차동 센서를 갖는 센서 어레이(AR) 형태의 센서 시스템을 나타낸다. 또한, 보다 적거나 많은 수, 예를 들면, 4 ~ 20개 이상의 센서가 센서 어레이에 설치될 수도 있다.
각각의 차동 센서는 각 성분(자속의 변화의)에 대해서 특징적인 촬상 기능 (점 확산 기능)을 갖는다. 복수의 센서가 센서 어레이에서 동작하고, 각각의 센서의 신호가 적어도 하나의 평가 알고리듬에 의해, 적어도 2차원(2D), 바람직하게는 3차원(3D)으로 상관되어, 검사되고 있는 테스트 재료의 이미지가 생성될 수 있다. 평가 알고리듬을 더 사용하므로 결함을 3D 재구성할 수 있다. 이 간단한 구성으로 인해서, 차동 센서는 검사의 촬상 방법 또는 측정 방법을 위해서 또한 사용될 수 있다.
적어도 2개의 단일 차동 센서가 교란 영향, 예를 들면, 검사 거리의 변화의 성분을 보상하기 위해 사용될 수 있다. 이 목적으로, 단일 센서의 거리 동작 (검사 거리에 대한 신호 진폭의 의존성)이 가능한 공지되어야 한다. 2개의 단일 센서가 2개의 상이한 검사 거리에서 동작하면, 검사 거리가 변화하는 양이 결정될 수 있고, 측정 신호가 대응하여 보정될 수 있다 (거리 보상).
검사 시스템(SYS3)에서 복수의 차동 센서를 사용할 수 있는 가능성을 도 8에 기초하여 설명한다. 센서 시스템(SABS)은 동일한 구조의 제1 차동 센서(SENS4-1) 및 제2 차동 센서(SENS4-2)를 갖는다. 또한, 표시되지 않은 또 다른 차동 센서가 추가적으로 설치될 수 있다. 2개의 센서는, 예를 들면, 센서 어레이에 통합될 수 있다. 각각의 센서의 3개의 코일의 신호는 할당된 평가 장치(Aij) 여기서, i=1, 2, 3이고 j=1, 2, 3, 에 의해 개별적으로 감지되어, 연관된다. 2개의 센서는 z 방향으로 서로에 대해서 오프셋되므로, 센서 시스템이 시험편의 표면(OB) 근방에 위치할 때 테스트 대상물(OBJ)에 대해서 동일한 높이에 있지 않다. 제1 검사 거리(PA1)는 제2 검사 거리(PA2) 보다 길다. 센서 신호를 공통으로 평가하므로, 거리 보상 검사 시스템이 생성될 수 있다.
그래픽으로 나타낸 실시예에서, 영구 자석은 전자석의 경우에서와 같이, 자기장을 생성하는데 필요한 전류의 흐름이 없이 정적 자계를 얻는 적어도 하나의 자화가능한 재료를 포함하는 자석이다. 영구 자석은 무전류로 동작하는 일정한 자기장 소스이다. 본 발명에서 청구되는 몇몇 장점은, 직류가 흐르는 적어도 하나 코일을 갖는 일정한 자기장 소스로 획득가능하며, 일정한 자기장을 얻기 위해, 이 코일은 최대한 정전류원에 연결되어야 한다. 본 명세서에 기재된 장점이 실질적으로 얻어지는 정도로, 용어 "영구 자석"은 넓은 의미에서 일정한 자기장 소스를 의미한다.
또한, 영구 자석 또는 일정한 자기장 소스의 자기 축은 테스트 대상물의 표면에 가능한 직교해야 하는 것은 아니다. 기울어진 배향 또는 테스트 대상물의 표면에 평행한 배향이 가능하다. 그러나, 더 높은 필드 세기를 얻을 수 있으므로 직교 배향이 특히 바람직하다.
그래픽으로 나타낸 실시예에서, 코일에 작용하는 자기장의 변화가 있을 때, 상이한 배향의 코일이, 유도 전압의 형태로 센서 신호를 생성하는 자기장 센서로서 동작한다. 이 정도로, 용어 "코일"은 더 넓은 의미에서, 자기장의 변화에 민감한 센서, 즉, 센서에 작용하는 자기장의 변화가 있을 때, 이 변화에 비례하는 센서신호를 예를 들면, 전압 신호의 형태로 생성하는 센서이다. 코일의 하나, 일부 또는 전부는, 자기장의 변화에 민감한 다른 센서, 예를 들면, 홀 (Hall) 센서 또는 초전도 양자 간섭 장치 (superconducting quantum interference unit: SQUID)에 의해 대체될 수 있다.
또 다른 형태에 따르면,
일정한 자기장 소스;
자기장의 변화에 민감하고, 제1 센서 축을 정의하는 제 1센서; 및
자기장의 변화에 민감하고, 제1 센서축을 가로지르는, 특히, 제1 센서축에 직교하는 제2 센서축을 정의하는 제 2센서를 포함하고,
센서축은 각각 자기장의 변화에 대해서 센서의 최대 민감도의 방향인,
도전성 재료의 이상을 검출하는 차동 센서가 제공된다.

Claims (13)

  1. 도전성 재료의 이상을 검출하는 차동 센서로서,
    자기 북극, 자기 남극, 및 자기 축―상기 자기 축은 상기 자기 북극과 상기 자기 남극 사이를 잇는 선임―을 포함하는 영구 자석 (PM);
    상기 영구 자석 주위로 진행하고 제1 코일 축 (A1)―상기 제1 코일 축은 상기 영구 자석의 상기 자기 축에 평행임―을 정의하는 하나 이상의 제1 권선을 갖는 제1 코일(S1); 및
    상기 영구 자석 주위로 진행하고, 상기 제1 코일 축을 가로지르는 제2 코일 축(A2)을 정의하는 하나 이상의 제2 권선을 갖는 제2 코일(S2)을 포함하는, 차동 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 영구 자석 주위로 진행하고, 상기 제1 코일 축 (A1) 및 상기 제2 코일 축 (A2)을 가로지르는 제3 코일 축(A3)을 정의하는 하나 이상의 제3 권선을 갖는 제3 코일(S3)을 특징으로 하는 차동 센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 코일 축 들 (A1, A2, A3)이 서로 교대로 직교하여 배향되는 것을 특징으로 하는 차동 센서.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 코일 (S1), 상기 제2 코일 (S2) 및 상기 제3 코일 (S3)은 상기 영구 자석에 고정되는 것을 특징으로 하는 차동 센서.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 차동 센서 (SENS3)는, 상기 차동 센서에 작용하는 로렌츠 힘이 힘 센서에 의해 복수의 공간 방향에서 감지될 수 있도록 상기 힘 센서(F-SENS)에 기계적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 차동 센서.
  6. 도전성 재료의 이상을 검출하는 검사 시스템으로서,
    청구항 1에 기재된 적어도 하나의 차동 센서들 (SENS1, SENS2, SENS3); 및
    상기 차동 센서의 코일들 (S1, S2, S3)의 권선들에서 유도된 전압들 또는 그로부터 도출된 신호들을 각각의 코일에 대해서 개별적으로 감지하고, 적어도 하나의 평가 방법을 적용하여 그들을 상관하도록 구성된 평가 장치 (A, A1)를 갖는, 검사 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 평가 장치 (A, A1)는 전형적인 결함인 전압의 변화가 상기 제1 코일과 상기 제2 코일에 유도될 때마다, 결함을 나타내는 결함 신호를 생성하도록만 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 검사 시스템.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 차동 센서에 작용하는 로렌츠 힘이 힘 센서에 의해 복수의 공간 방향에서 감지될 수 있도록 상기 차동 센서(SENS3)에 기계적으로 결합되는 상기 힘 센서(F-SENS); 및
    복수의 공간 방향에 대한 힘 센서의 신호의 평가를 위한 평가 장치(A2)를 특징으로 하는 검사 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 힘 센서의 신호의 평가는 그 피제수가 시험편의 표면에 직교하는 힘 효과의 측정치이고, 제수가 움직임 방향에 평행한 힘 효과의 측정치인 몫의 형성을 포함하는, 검사 시스템.
  10. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 검사 시스템(SYS3)은 적어도 2개의 차동 센서들(SENS4-1, SENS4-2)을 갖는 센서 시스템 (SABS) - 상기 적어도 2개의 차동 센서들은 센서 시스템이 시험편의 표면(OB) 근방에 위치할 때, 테스트 대상물로부터 상이한 검사 거리(PA1, PA2)에 위치하도록 서로에 대해서 오프셋되어 배열됨 - 을 갖는 것을 특징으로 하는, 검사 시스템.
  11. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 평가 장치는 거리 보상을 위해 구성되는 것을 특징으로 하는, 검사 시스템.
  12. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    복수의 차동 센서들은 1차원 또는 2차원 센서 어레이(AR)를 형성하는 것을 특징으로 하는, 검사 시스템.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 차동 센서를 사용하여 및/또는 청구항 6에 기재된 검사 시스템을 사용하여, 도전성 재료의 이상을 검출하는 방법으로서,
    영구 자석에 의해 생성된 자기장이 테스트 대상물을 투과 깊이까지 투과할 수 있도록 도전성 재료의 테스트 대상물의 표면 근방에 차동 센서를 배열하는 단계;
    차동 센서와 도전성 재료의 테스트 대상물 사이에서 움직임 방향에 평행한 상대적인 움직임을 생성하는 단계;
    상기 차동 센서의 코일들(S1, S2, S3)의 권선들에 유도된 전압 또는 그로부터 도출된 신호들을 각 코일에 대해서 개별적으로 감지하는 단계; 및
    적어도 하나의 평가 방법을 적용하여, 코일들에 유도된 전압 또는 그로부터 도출된 신호들을 평가하는 단계를 포함하는, 방법.
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