KR102448578B1 - 위상배열 기법을 이용한 비선형 초음파 검사 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

비선형 초음파 검사 장치는 중심 영역에 위치하는 하나의 수신 진동자와 수신 진동자의 좌측과 우측에 각각 위치하는 송신 진동자들을 포함하는 탐촉자, 송신 진동자들의 위치에 기초하여 송신 진동자들 각각에 대하여 시간 지연된 초음파 신호를 전송하도록 제어하는 제어기, 그리고 송신 진동자들이 검사체의 일면에 인가한 초음파 신호에 대응하여 수신 진동자로부터 수신한 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 정량화하여 검사체의 미세열화를 진단하는 진단기를 포함하고, 2차 고조파 성분은 상기 검사체의 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분만을 나타낸다.

Description

위상배열 기법을 이용한 비선형 초음파 검사 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR NONLINEAR ULTRASONIC INSPECTION USING PHASED ARRAY}

위상배열 기법을 이용한 비선형 초음파 검사 기술이 제공된다.

초음파 비파괴 검사 방법은 일반적으로 선형 초음파 특성을 이용하여 재료와 결함간의 음향 임피던스 차이에 의한 반사, 회절, 굴절 등을 이용하여 검사한다. 하지만, 이러한 선형 초음파 특성을 이용한 결함 탐지 기술은 탐지 한계상 작은 결함이나 미세 열화 현상을 진단하기는 어렵다. 이에 따라 재료의 미시 현상에 해당하는 균열, 계면, 미세 열화를 측정하기 위해 초음파의 비선형 특성을 이용하는 기술이 개발되어 이용되고 있다.

이에 일반적인 비선형 기법은 재료를 전파하는 기본파 성분이 재료 내의 비선형 탄성 특성에 의해 왜곡되고 고조파 성분이 발생하는 성질을 이용하는 방법이다. 상세하게는 검사체를 전파하며 발생한 고조파 성분을 민감하게 측정할 수 있도록 2개의 탐촉자를 사용하는 투과법을 이용하여 측정한다.

하지만, 검사체의 양쪽 면에 접근이 불가능한 경우에는 검사 자체가 어렵다. 이에 1개의 탐촉자를 이용하여 검사체의 한쪽 면에서 비선형 파라미터를 측정하고자 하였지만, 검사체의 저변에서 반사되어 돌아오면서 생성되는 고조파 성분이 초기 전파하면서 생성된 고조파 성분과 위상이 반대가 된다. 이에 따라 수신되는 고조파 성분은 0에 가깝게 때문에 재료의 비선형 특성을 정밀하게 검사하기 어려움이 있다.

그러므로 검사체의 한쪽 면에서 기본 주파수의 초음파가 검사체를 투과 전파하는 과정에서 생성되는 고조파 성분의 진폭 크기를 정밀하게 측정하여 검사체의 건전성 또는 미세 열화를 검사할 수 있는 방법이 요구된다.

관련 선행문헌으로 한국등록특허 제2116051 호는 " 배열형 초음파 센서를 이용한 펄스 에코형 비선형 검사 장치"를 개시한다.

한국등록특허 제2116051 호

본 발명의 한 실시예는 위상 배열 탐촉자에 시간지연을 적용하여 기본 주파수의 초음파가 검사 대상을 투과하여 반사되는 신호에 기초하여 검사체의 미세 열화를 검사하는 기술을 제공하는 것이다.

상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치는 중심 영역에 위치하는 하나의 수신 진동자와 수신 진동자의 좌측과 우측에 각각 위치하는 송신 진동자들을 포함하는 탐촉자, 송신 진동자들의 위치에 기초하여 송신 진동자들 각각에 대하여 시간 지연된 초음파 신호를 전송하도록 제어하는 제어기, 그리고 송신 진동자들이 검사체의 일면에 인가한 초음파 신호에 대응하여 수신 진동자로부터 수신한 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 정량화하여 검사체의 미세열화를 진단하는 진단기를 포함하고, 2차 고조파 성분은 상기 검사체의 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분만을 나타낸다

본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 방법은 비선형 초음파 검사 장치에서, 검사체의 일면에 하나의 수신 진동자와 송신 진동자들이 미리 정해진 간격으로 배열된 탐촉자를 배치하는 단계, 미리 설정된 순서에 기초하여 송신 진동자들이 순차적으로 검사체의 저면을 향해 초음파 신호를 인가하는 단계, 인가된 초음파 신호가 검사체의 저면에서 집속되고, 검사체의 저면에서 반사되어 돌아오는 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 수신 진동자로부터 수신하는 단계, 그리고 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 비선형 파라미터로 정량화하는 단계를 포함하고, 2차 고조파 성분은 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분만을 나타낸다.

본 발명의 한 실시예에 따르면 검사체 한쪽면에서 검사체 재료의 비선형 탄성 특성을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있으며 이를 통해 재료의 미세 열화를 정밀하게 검사할 수 있다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따르면 1개의 탐촉자를 이용하여 한쪽 면에서 검사를 수행함으로써, 다양한 구조의 검사체에 대해 현장 적용성이 향상되어 다양한 부품들의 품질 관리와 원전 시설등의 산업 구조물의 안전성을 관리함에 있어 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치를 포함하는 검사 시스템을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치의 탐촉자를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 시간 지연을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 위상 배열 신호를 나타내는 그래프이다.
도 5a와 5b는 본 발명의 한 실시예에 따른 저면 반사 신호와 저면 반 사후 수신 신호를 나타내는 그래프이다.

첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

명세서 전체에서, 검사체의 일면은 탐촉자가 배치되어 초음파 신호를 인가하는 면이고, 저면은 일면의 반대면을 의미한다.

명세서 전체에서, 초음파 신호는 단일 주파수를 가지는 초음파 신호이고, 기본파 성분은 기본 주파수 성분의 초음파 신호를 나타내며, 고조파 성분은 고조파 성분의 초음파 신호를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치를 포함하는 검사 시스템을 나타낸 예시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 검사 시스템은 검사체(10)에 초음파를 인가하는 탐촉자(100), 탐촉자(100)의 초음파 전송을 제어하는 제어기(200), 그리고 탐촉자(100)로부터 수신된 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 분리하여 정량화하는 진단기(300)를 포함한다.

탐촉자(100)는 검사체의 계측 내지 탐사의 목적으로 사용되는 침상의 소도구 내지 장치를 나타내며, 진공관 전압계(VTVM)나 오실로스코프 등 입력 단자에 접속해서 피측정점에 접촉시키기 위해 사용될 수 있다.

그리고 탐촉자(100)는 검사체의 검사 영역을 변경하기 위해 모터를 장착한 이동체 상에 탑재될 수 있다. 이동체는 별도로 연동되는 단말에 의해 유선 또는 무선으로 원격조정이 가능하여 이동체에 의한 이동으로 탐촉자(100)의 위치를 변경할 수 있다.

탐촉자(100)는 제어기(200)의 초음파 인가 신호에 의해 초음파를 검사체(10)로 인가하고 인가된 초음파가 검사체(10)를 투과하여 반사되는 신호를 수신한다.

이때, 탐촉자(100)에는 복수개의 진동자가 미리 정해진 간격으로 배열되어 있으며, 제어기(200)는 탐촉자(100)의 진동자들에 대해서 미리 설정된 순서에 따라 초음파 인가 신호를 전송한다.

이에 진동자들은 초음파 인가 신호에 따라 순차적으로 초음파를 인가하게 되고, 인가된 초음파는 저면에서 집속되어 반사된다.

이에 탐촉자(100)는 반사된 신호를 감지하여 진단기(300)로 전달하면, 진단기(300)에서는 수신한 초음파를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리한다.

이때, 진단기(300)는 수신 진동자로부터 수신한 신호를 전압으로 변환하여 표시하는 오실로스코프(oscilloscope)와 연동하여 시간에 따른 입력 전압의 변화를 수집할 수 있다.

진단기(300)는 진동자로부터 수신한 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 정량화하여 검사체의 미세열화를 진단한다.

진단기(300)는 2차 고조파 성분을 비선형 파라미터로 정량화하고, 검사체의 초기 비선형 파라미터나 이전 시점에서 측정된 비선형 파라미터와 비교하여 변화 정도를 확인할 수 있다.

그리고 진단기(300)는 확인된 변화 정도에 기초하여 미세열화를 진단할 수 있다.

상세하게는 진단기(300)는 수신한 초음파를 기본 주파수 성분과 고조파 성분으로 분리한다. 그리고 진단기(300)는 분리된 기본 주파수 성분의 진폭과 고조파 성분의 진폭을 구하여 다음 수학식 1을 통해 비선형 파라미터(β)를 정량화시킬 수 있다.

[수학식 1]

여기서, A₁는 기본 주파수 성분을 가진 초음파의 진폭 크기, A₂는 2차 고조파 성분의 초음파의 진폭 크기, k는 파수(wave number), x는 전파 거리를 나타낸다.

이처럼 진단기(300)는 비선형 파라미터를 산출하면, 검사체, 검사 시간, 검사 장소 등과 함께 별도의 데이터베이스에 저장할 수 있다.

그리고 진단기(300)는 비선형 파라미터의 값이 다르게 산출되는 지점에 대응하여 검사체의 손상 지점 또는 열화 지점을 판단할 수 있다.

이하에서는 도 2 및 도 3을 이용하여 탐촉자의 진동자들의 배열 구성과 시간 지연을 적용하여 초음파를 인가하는 구성에 대해서 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 비선형 초음파 검사 장치의 탐촉자를 나타낸 예시도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 시간 지연을 설명하기 위한 예시도이다.

탐촉자(100)는 미리 정해진 간격으로 배열되어 있는 다수개의 송신 진동자와 수신 진동자를 포함한다.

탐촉자(100)의 중앙 영역에서는 수신 진동자(2s, 110)가 위치하고, 수신 진동자(110)를 기준으로 동일한 개수의 송신 진동자(s, 120)들이 좌우에 위치한다.

이때, 송신 진동자(120)는 일정한 크기(s)로 형성되면, 수신 진동자(110)는 송신 진동자(120)보다 더 큰 크기(2s)로 형성된다. 이는 초음파가 집속되는 지점(focal spot, A)이 수신 진동자(110)의 중간에 형성되지 않고, 반사되어 돌아오는 신호의 수신진폭이 일정 크기 이상을 가지도록 형성된다.

예를 들어 약 2배의 크기의 차이를 가질 수 있지만 이는 하나의 예시로 추후에 관리자에 의해 수신 진동자(110)의 크기를 변경할 수 있다.

기본 주파수를 가지는 탐촉자(100)의 송신 진동자들의 위치에서 시간 지연을 적용하여 초음파 신호를 인가함으로써 초음파 신호가 검사체의 저면(A)에 집속되고 집속된 초음파 신호가 다시 반사된다.

이때, 일면에서 저면으로 전파하는 과정에서 생성되는 고조파 성분을 상쇄시키기 위해 시간 지연을 약 π/4만큼 적용한다.

다시 말해, 탐촉자(100)의 좌측에 위치하는 송신 진동자들(210-1)과 우측에 위치하는 송신 진동자들(210-2)을 번갈아 가며 시간 지연을 적용한 초음파를 인가하여 고조파 성분을 상쇄시킨다.

예를 들어, 송신 진동자(121)이 초음파를 인가한 후에 π/4+α지연된 시점에서 송신 진동자(122)를 통해 초음파를 인가하여, 각 진동자에서 발진된 초음파가 집속되는 지점에서 위상이 π/4 차이나도록한다. 여기서 α는 송신 진동자(121)에서 저면에서 집속되는 지점까지 초음파의 전파거리와 송신 진동자(122)에서 저면에서 집속되는 지점까지의 초음파의 전파거리의 차이에 의해 발생한 값이다. 그리고 송신 진동자(122)가 초음파를 인가한 시점에서 π/4 +α' 지연된 시점에서 송신 진동자(123)이 초음파를 인가한다. 여기서 α' 는 송신 진동자(122)에서 저면에서 집속되는 지점까지 초음파의 전파거리와 송신 진동자(123)에서 저면에서 집속되는 지점까지의 초음파의 전파거리의 차이에 의해 발생한 값이다.

여기서 α 또는 α' 는 진동자 사이의 간격 및 검사 대상체의 두께에 따라 달라질 수 있다.

이처럼 좌측과 우측의 가장자리에서 중앙영역방향으로 송신 진동자들을 번갈아 선택하여 설정된 지연 시점을 적용하여 초음파 신호를 인가하도록 한다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 위상 배열 신호를 나타내는 그래프이다.

도 4는 본 발명의 비선형 초음파 검사 장치를 이용하여 송신 진동자들을 통해 위상 배열 신호를 나타낸 그래프로, 각 위상 배열 신호를 중첩하기 전에 신호들을 나타낸다.

도 4에 도시한 바와 같이, 송신 진동자들의 가장자리에서부터 중앙 영역의 방향으로 번갈아 가며 인가하는 초음파(기본파, f)와 해당 초음파에 의해 발생하는 2차 고조파(2f)를 나타낸다.

우측 송신 진동자들과 좌측 송신 진동자들에서 각각 전파해온 초음파 신호에 의해 검사체의 저면에서 집속되는 과정에서 우측에서의 신호와 좌측에서의 신호가 서로 중첩된다.

이에 따라 기본파(f)는 상쇄 간섭하여 가진한 초음파의 진폭에 비해 작아진 크기가 되지만, 2차 고조파(2f)는 서로 상쇄된다.

도 5a와 5b는 본 발명의 한 실시예에 따른 저면 반사 신호와 저면 반 사후 수신 신호를 나타내는 그래프이다.

도 5a는 검사체의 저면(focal spot)에서 반사신호를 시간에 따른 진폭으로 나타낸 그래프와 검사체의 저면에서의 반사 신호의 주파수를 나타낸 그래프이고, 도 5B는 저면 반사 후에 수신 진동자를 통해 수신한 신호를 시간에 따른 진폭으로 나타낸 그래프와 최종 수신한 주파수를 나타낸 그래프이다.

도 5a에 도시한 바와 같이, 탐촉자를 통해 시간 지연하여 초음파를 인가함으로써, 검사체의 일면에서 저면으로 전달하는 초음파에 의해 생성되는 2차 고조파가 상쇄되어 실제 저면에서는 상쇄간섭에 의해 진폭이 작아진 크기의 기본파(f)만이 반사된다.

이에 따라 기본파 성분의 초음파 신호가 해당 저면에서 검사체를 투과하여 감지되면 도 5b와 같이 나타낼 수 있다. 기본파 성분(f)는 진폭이 작아진 크기로 검사체의 저면에서 반사되며, 검사체를 투과하면서 진폭이 더 작아진 크기로 수신 진동자에 의해 감지된다. 그리고 해당 기본파 성분(f)가 투과되면서 발생하는 제2 고조파 성분(2f)을 감지함으로써, 검사체의 재료를 전파하는 과정에서 발생하기 때문에 재료의 비선형 탄력특성을 정밀하게 측정할 수 있다.

본 발명에 따르면 검사체 한쪽면에서 검사체 재료의 비선형 탄성 특성을 정량적으로 정밀하게 측정할 수 있으며 이를 통해 재료의 미세 열화를 정밀하게 검사할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 1개의 탐촉자를 이용하여 한쪽 면에서 검사를 수행함으로써, 다양한 구조의 검사체에 대해 현장 적용성이 향상되어 다양한 부품들의 품질 관리와 원전 시설등의 산업 구조물의 안전성을 관리함에 있어 소요되는 비용과 시간을 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

1. 중심 영역에 위치하는 하나의 수신 진동자와 상기 수신 진동자의 좌측과 우측에 각각 위치하는 송신 진동자들을 포함하는 탐촉자,
   상기 송신 진동자들의 위치에 기초하여 상기 송신 진동자들 각각에 대하여 시간 지연된 초음파 신호를 전송하도록 제어하는 제어기, 그리고
   상기 송신 진동자들이 검사체의 일면에 인가한 초음파 신호에 대응하여 상기 수신 진동자로부터 수신한 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 정량화하여 상기 검사체의 미세열화를 진단하는 진단기
   를 포함하고,
   상기 송신 진동자들로부터 상기 중심 영역 방향으로 집속되는 초음파 신호의 시간차로 상기 중심 영역에 대응하는 상기 검사체의 저면에서 2차 고조파 성분이 상쇄되며, 상기 중심 영역에 대응하는 상기 검사체의 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분과 상기 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분이 상기 수신 진동자에 수신되어 상기 검사체의 비선형 초음파를 정밀하게 측정하는 비선형 초음파 검사 장치.
   
2. 제1항에서,
   상기 탐촉자는,
   미리 정해진 간격으로 상기 수신 진동자와 상기 송신 진동자들이 배열되어 있고, 미리 정해진 크기의 송신 진동자들보다 더 큰 크기의 수신 진동자를 가지는 비선형 초음파 검사 장치.
   
3. 제2항에서,
   상기 제어기는,
   상기 탐촉자의 좌측과 우측의 가장자리에서 상기 중심 영역의 방향으로 각각 하나의 송신 진동자에 번갈아 가며 초음파를 송신하고, 각 송신 진동자의 초음파 송신 시점을 π/4 +α 만큼 시간 지연을 적용하는 비선형 초음파 검사 장치.
   
4. 제3항에서,
   상기 송신 진동자들로부터 송신되는 초음파 신호가 상기 검사체의 저면에서 집속되면서 기본파 성분에 의해 생성되는 고조파 성분이 상쇄되는 비선형 초음파 검사 장치.
   
5. 제4항에서,
   상기 진단기는,
   상기 수신 진동자로부터 수신한 상기 2차 고조파 성분을 비선형 파라미터로 정량화하여 상기 검사체의 재료에 대한 비선형 탄성 특성을 정량적으로 측정하는 비선형 초음파 검사 장치.
   
6. 비선형 초음파 검사 장치에서, 검사체의 일면에 하나의 수신 진동자와 송신 진동자들이 미리 정해진 간격으로 배열된 탐촉자를 배치하는 단계,
   미리 설정된 순서에 기초하여 상기 송신 진동자들이 순차적으로 상기 검사체의 저면을 향해 초음파 신호를 인가하는 단계,
   인가된 상기 초음파 신호가 상기 검사체의 저면에서 집속되고, 상기 검사체의 저면에서 반사되어 돌아오는 기본파 성분과 2차 고조파 성분을 상기 수신 진동자로부터 수신하는 단계, 그리고
   상기 기본파 성분과 상기 2차 고조파 성분을 비선형 파라미터로 정량화하는 단계
   를 포함하고,
   상기 송신 진동자들로부터 탐촉자 중심 영역 방향으로 집속되는 초음파 신호의 시간차로 상기 중심 영역에 대응하는 상기 검사체의 저면에서 2차 고조파 성분이 상쇄되며, 상기 중심 영역에 대응하는 상기 검사체의 저면에서 반사되어 오는 기본파 성분과 상기 기본파 성분에 의해 생성된 2차 고조파 성분이 상기 수신 진동자에 수신되어 상기 검사체의 비선형 초음파를 정밀하게 측정하는 비선형 초음파 검사 방법.
   
7. 제6항에서,
   상기 탐촉자를 배치하는 단계는,
   수신 진동자를 중앙영역에 형성하고, 상기 수신 진동자의 좌측과 우측에 각각 동일한 개수의 상기 송신 진동자들을 형성한 하나의 탐촉자를 일면에 밀착하여 배치하는 비선형 초음파 검사 방법.
   
8. 제7항에서,
   상기 초음파 신호를 인가하는 단계는,
   좌측 또는 우측 가장자리 송신 진동자에서 중앙 영역의 송신 진동자의 방향으로, 좌측 송신 진동자와 우측 송신 진동자에 번갈아 가며 상기 초음파 신호를 인가하는 비선형 초음파 검사 방법.
   
9. 제8항에서,
   상기 초음파 신호를 인가하는 단계는,
   각 송신 진동자마다 초음파 신호를 인가하는 시간을 π/4+α만큼 딜레이하여 상기 초음파 신호가 상기 검사체의 저면에서 집속되면서 상기 초음파 신호에 의해 생성되는 2차 고조파 성분이 상쇄되는 비선형 초음파 검사 방법.
   
10. 제9항에서,
    상기 비선형 파라미터로 정량화하는 단계는,
    상기 2차 고조파 성분의 진폭의 크기를 측정하여 상기 비선형 파라미터로 정량화하고 상기 비선형 파라미터와 미리 저장된 상기 검사체의 비선형 파라미터를 비교하여 상기 검사체의 미세 열화 정도를 확인하는 비선형 초음파 검사 방법.
    

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