KR20020009743A - 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한자속밀도 표시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공간상의 자속밀도 변화를 3차원 형상의 강자성체에 의하여 증폭하면서 2차원적으로 배열한 소형 자기센서에 의하여 실시간에 정량적으로 측정하는 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치는 자장을 발생하는 자속발생수단; 상기 자속발생수단에 의해 생성된 자속밀도의 변화를 집속하는 3차원 형상의 자속집속수단; 상기 자속집속수단에 의해 집속된 자속밀도의 변화를 측정하는 자속밀도측정수단; 및 상기 자속밀도의 변화를 실시간으로 표시하면서 저장하는 표시수단을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 첫째, 광범위한 자장의 세기를 2차원적으로 측정하는데 있어서 자동이동장치와 같은 공간적인 제약을 받지 않는다. 둘째, 단시간에 정량적으로 자속밀도의 측정이 가능하다. 셋째, 자속집속수단의 자유로운 3차원 형상의 실현이 가능하며, 임의의 3차원 형상으로 사용된 자성유체는 다른 3차원 형상으로 다시 사용할 수 있다. 넷째, 자속밀도 발생수단에 의한 자화가 소거되었을 때 자화현상이 잔류하는 자기히스테리시스현상이 없다는 특징이 있다.

Description

2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치{A display apparatus of magnetic flux dendity using 2D array magnetic sensor and 3D magnetic fluid}

본 발명은 자속밀도 측정장치에 관한 것으로, 특히 공간상의 자속밀도 변화를 3차원 형상의 강자성체에 의하여 증폭하면서 2차원적으로 배열한 소형 자기센서에 의하여 실시간에 정량적으로 측정하는 장치에 관한 것이다.

제작되는 각종 기기 구조물에 있어서, 신뢰성이 충분히 보증되어 안전하다고 확인되면 경제성이 허락하는 한 공용기간을 연장하여 유효하게 이용할 수 있다.

이를 위하여 비파괴검사기술, 즉 제조의 각 공정에 있어서 불량품을 없애는 품질관리, 공장출하 또는 반입시에 행하는 반입검사, 사용자가 사용중에 위험한 결합이 발생했는가 어떤가를 정기적으로 확인하는 보수검사는 특히 중요하다. 그 중에서도 자기현상을 이용한 자기탐상법 또는 누설자속검사법은 철강등의 강자성재료의 표면개구결합 또는 표면근방에 있는 균열의 검출에 유효하다.

한편, 여러 소화기 병례에 대한 위내용물의 배출기능에 대한 정량적 평가는 정확한 의료진단을 위하여 중요하며, 현재까지 바륨투시법 또는 방사선 동위원소를 이용한 RI법등이 확립되어 있다. 하지만 방사선을 이용하기 때문에 피폭을 피할 수 없으며, 법적 설비적으로도 문제를 가지고 있으므로 넓게 보급되지 못한 것이 현 실정이다. 이를 위하여 일정자장중에 자성유체로 만재된 위장이 있다고 상정하고, 홀소자에 의해 자장의 흐트러짐을 측정하여 위의 형태관찰 및 배출능을 이론 및 실험적으로 평가하는 방법이 제안되고 있다.

상술한 바와 같이 자기적인 수법을 의료/산업용의 비파괴 평가시스템에 적용하기 위해서는 광범위한 자장의 세기를 2차원적으로 측정할 필요가 있다. 하지만 자동이동장치와 같은 공간적인 제약을 받는 기기를 사용하지 않고, 단시간에 정량적으로 측정가능한 장치는 이제까지 존재하지 않고 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 2차원으로 배열한 홀센서를 자속밀도 측정수단으로 구비하고 수치계산 결과로써 결정된 3차원 형상의 자성유체를 자속집속수단으로 구비하여 자속밀도의 2차원 공간분포를 실시간에 표시하는 장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치를 나타낸 블록도이다.

도 2는 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 강자성체 구조물의 자기탐상에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 강자성체 구조물의 와전류탐상에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 배관내의 균열의 탐상에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 5는 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 자성유체를 이용한 위의 형태관찰 및 배출능평가에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한자속밀도 표시장치가 지표면하의 금속성 배관의 검출에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 전자회로 기판의 전류밀도분포의 측정에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 8은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 지표면하의 금속성 물체의 탐지에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 9a 내지 도 9c는 자속집속수단과 자속밀도측정수단을 설명하기 위한 도면이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치는 자장을 발생하는 자속발생수단; 상기 자속발생수단에 의해 생성된 자속밀도의 변화를 집속하는 3차원 형상의 자속집속수단; 상기 자속집속수단에 의해 집속된 자속밀도의 변화를 측정하는 자속밀도측정수단; 및 상기 자속밀도의 변화를 실시간으로 표시하면서 저장하는 표시수단을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 상기 자속발생수단은 강자성체 구조물의 자기탐상에 적용될 때, 강자성체의 위쪽 또는 아래쪽에 설치되어 강자성체 구조물을 자화시키며, 강자성체 구조물에 잠재한 표면균열 또는 내부균열로부터 누설자속을 발생시킴을 특징으로 한다.

또한, 상기 자속발생수단은 상자성체 구조물의 와전류탐상에 적용될 때, 일정한 방향의 면전류 또는 전류에 의하여 상자성체 구조물의 표면 또는 표면하에 유도전류를 발생시켜, 표면 균열 또는 내부균열의 존재에 의하여 일정하지 않게 됨으로써 발생하는 상자성구조를 표면과 수직인 방향으로 자속을 발생시킴을 특징으로 한다.

또한, 상기 자속발생수단은 배관내의 균열의 탐상에 적용될 때, 배관의 안쪽 또는 바깥쪽에 설치되어 배관을 자화시키며, 내부균열, 이면결합 또는 내부균열의 존재에 의하여 누설자속을 발생시킴을 특징으로 한다.

또한, 상기 자속집속수단은 수치계산결과로써 결정된 3차원 형상의 자성유체로서, 자유로운 3차원 형상의 실현이 가능함을 특징으로 한다.

또한, 상기 자속밀도측정수단은 2차원적으로 배열한 홀센서를 이용함을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치를 나타낸 구성도로서, 자속발생수단(11), 자속집속수단(22),자속밀도측정수단(21) 및 표시수단(31)으로 이루어진다.

자속발생수단(11)은 자장을 발생하는 수단으로서,

자속집속수단(22)은 자속발생수단(11)에 의해 생성된 자속밀도의 변화를 집속하는 수단으로, 3차원 형상으로 이루어진다.

자속밀도측정수단(21)은 자속집속수단(22)에 의해 집속된 자속밀도의 변화를 측정하는 수단이다.

표시수단(31)은 상기 자속밀도의 변화를 실시간으로 표시하면서 저장하는 수단이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치는 자기적인 수법을 의료/산업용의 비파괴 평가시스템에 적용하기 위해 광범위한 자장의 세기를 2차원적이면서 정량적으로 측정하기 위한 시스템이다.

도 2는 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 강자성체 구조물의 자기탐상에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 2에서 자속발생수단(11)은 강자성체의 위쪽에 설치되어 강자성체 구조물(201)을 자화시키며, 강자성체 구조물에 잠재한 표면균열(301) 또는 내부균열(302)로부터는 누설자속이 발생한다. 발생한 누설자속은 3차원 형상의 자성유체(22)에 의하여 증폭 및 접속되어 2차원배열의 자속밀도 측정수단(21)에 의하여 자속밀도의 공간적인 분포를 측정하게 된다.

도 3은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 상자성체 구조물의 와전류탐상에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 3에서 자속발생수단(11)은 일정한 방향의 면전류 또는 전류에 의하여 상자성체 구조물(202)의 표면 또는 표면하에 유도전류를 발생시켜, 표면 균열(301) 또는 내부균열(302)의 존재에 의하여 일정하지 않게 됨으로써 발생하는 상자성구조를 표면과 수직인 방향으로 자속이 발생하게 된다. 발생한 자속은 3차원 형상의 자성유체(22)에 의하여 증폭 및 집속되어 2차원 배열의 자속밀도 측정수단(21)에 의하여 자속밀도의 공간적인 분포를 정량적으로 측정하게 된다.

도 4는 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 배관내의 균열의 탐상에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 4에서 자속발생수단(11)은 배관(203)의 안쪽 또는 바깥쪽에 설치되어 배관을 자화시키며, 내부균열(301), 이면결합(303) 또는 내부균열(302)의 존재에 의하여 누설자속이 발생한다.

발생된 누설자속은 3차원형상의 자성유체(22)에 의하여 증폭 및 집속되어 2차원 배열의 자속밀도측정수단(21)에 의하여 자속밀도의 공간적인 분포를 정량적으로 측정하게 된다. 자속밀도측정수단(21)은 일실시예로서 곡면인 배관내측면 또는 외측면의 형상에 따라 변형시킬 수 있다.

도 5는 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 자성유체를 이용한 위의 형태관찰 및 배출능평가에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 5에서 자성유체를 마신 피시험자(204)가 자속발생수단(11)인 헬름홀츠코일이 발생하는 일정자장의 범위내에 위치하여, 일정범위내의 자성유체의 체적 및 형상의 변화를 자속밀도 측정수단(21)에 의하여 자속밀도의 공간적인 분포를 정량적으로 측정하게 된다.

도 6은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 지표면하의 금속성 배관의 검출에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 6에서 지표면(205)하에 매장된 가스배관(305)등의 금속성 배관에는 저속발생수단(11)에 의하여 유도전류가 발생한다. 이러한 유도전류의 발생에 의한 자기임피던스의 변화를 자속집속수단(22)으로 증폭 및 집속하여, 자속밀도 측정수단(21)에 의하여 자속밀도의 공간적인 분포를 정량적으로 측정하게 된다.

도 7은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 전자회로 기판의 전류밀도분포의 측정에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 7에서 전자회로기판(206)에 흐르는 전류는 전자기유도의 법칙에 의하여 자속밀도의 변화가 유도된다. 이들 자속밀도의 변화를 자속집속수단(22)에 의하여 증폭 및 집속하여 자속밀도 측정수단(21)에 의하여 자속밀도의 공간적인 분포를 정량적으로 측정하게 된다.

도 8은 본 발명에 의한 2차원 배열의 자기센서와 3차원 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치가 지표면하의 금속성 물체의 탐지에 적용된 실시예를 도시한 것이다.

도 8에서 지표면(207)하에 매설된 금속성 물체(307)는 자속발생수단(11)에 의하여 유도전류가 흐르게 된다. 이러한 유도전류의 발생에 의한 자기 임피던스의 변화를 자속집속수단(22)에 의하여 증폭 및 집속하여 자속밀도 측정수단(21)에 의하여 자속밀도의 공간적인 분포를 정량적으로 측정하게 된다.

도 9a 내지 도 9c는 자속집속수단과 자속밀도측정수단을 설명하기 위한 도면이다.

도 9a에서 결함(301)을 가진 시험편(201)을 자화시키면 결함근방에서 누설자속(501)이 발생하여 2차원 배열의 자기센서(21)에 의해 자속밀도분포를 측정하게 된다.

한편, 도 9b와 같이 강자성채의 판재(22)를 2차원 배열의 자기센서(21)의 후방에 위치하면 누설자속(501)은 강자성체에 끌리는 성질이 있으므로 증폭하게 된다. 그리고 자속은 같은 강자성체 재료라 하더라도 도 9c와 같이 단면적의 변화가 심한 경우에 더욱더 끌리게 되므로 신호의 증폭뿐만아니라 측정영역의 조정이 가능하게 된다.

따라서, 공간상에 분포하는 자속은 서로 중첩되지 않으며, 강자성체에 끌어지는 성질을 가지고 강자성체의 형상에도 크게 의존함으로, 수치계산결과로써 결정된 3차원형상의 강자성체(이하, 자기렌즈)에 의하여 신호의 증폭 및 측정가능한 영역의 조정이 가능하다. 한편 강자성체로써 자성유체를 이용하면, 금속과는 달리 기계적인 공작이 불필요하며, 재이용이 가능하다. 또한 성형하기 쉬운 플라스틱용기등에 격납함으로써 자유로운 형상의 실현이 가능하다. 그 위에 초상자성체로서 자기 히스테리시스 현상이 없다는 특징이 있다.

한 개의 홀소자를 평면상에서 스캔함으로써 자장강도의 분포를 측정하는 경우, 측정시간이 길면서 일정한 lift-off를 유지하면서 스캔하기 위해 정밀한 이동장치를 필요로 하였다. 하지만, MBE(Molecular Beam Epitaxy)법과 IC기술을 이용하여 홀소자를 반절연 GaAs기판상에 배열하면 400㎛정도의 공간분해능이 가능하다.

이러한 홀소자는 미약한 자장의 세기를 정량적으로 검출할 수 있고, 그 정보를 컴퓨터에 입력할 수 있다.

또한, 자기 카메라에 의한 한 개의 홀소자의 수감부는 약 50㎛×50㎛이기 때문에 MOI(Magneto-Optic/Eddy Current Imager)의 자기 광학 센서보다 우수한 공간분해능을 갖는다. 또한, 자기 카메라의 A/D변환의 예상능력은 하나의 홀소자라면 400㎑ 이상이므로, 주파수의 동기를 이용함으로써 MOI에서 이용되고 있는 유도전류(1.6-102.4KHz)에도 대응할 수 있다.

도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

본 발명에 의하면, 첫째, 광범위한 자장의 세기를 2차원적으로 측정하는데 있어서 자동이동장치와 같은 공간적인 제약을 받지 않는다.

둘째, 단시간에 정량적으로 자속밀도의 측정이 가능하다.

셋째, 자속집속수단의 자유로운 3차원 형상의 실현이 가능하며, 임의의 3차원 형상으로 사용된 자성유체는 다른 3차원 형상으로 다시 사용할 수 있다.

넷째, 자속밀도 발생수단에 의한 자화가 소거되었을 때 자화현상이 잔류하는 자기히스테리시스현상이 없다는 특징이 있다.

Claims (6)

1. 자장을 발생하는 자속발생수단;

   상기 자속발생수단에 의해 생성된 자속밀도의 변화를 집속하는 3차원 형상의 자속집속수단;

   상기 자속집속수단에 의해 집속된 자속밀도의 변화를 측정하는 자속밀도측정수단;

   상기 자속밀도의 변화를 실시간으로 표시하면서 저장하는 표시수단을 포함함을 특징으로 하는 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자속발생수단은

   강자성체 구조물의 자기탐상에 적용될 때, 강자성체의 위쪽 또는 아래쪽에 설치되어 강자성체 구조물을 자화시키며, 강자성체 구조물에 잠재한 표면균열 또는 내부균열로부터 누설자속을 발생시킴을 특징으로 하는 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 자속발생수단은

   상자성체 구조물의 와전류탐상에 적용될 때, 일정한 방향의 면전류 또는 전류에 의하여 상자성체 구조물의 표면 또는 표면하에 유도전류를 발생시켜, 표면 균열 또는 내부균열의 존재에 의하여 일정하지 않게 됨으로써 발생하는 상자성구조를 표면과 수직인 방향으로 자속을 발생시킴을 특징으로 하는 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 자속발생수단은

   배관내의 균열의 탐상에 적용될 때, 배관의 안쪽 또는 바깥쪽에 설치되어 배관을 자화시키며, 내부균열, 이면결합 또는 내부균열의 존재에 의하여 누설자속을발생시킴을 특징으로 하는 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 자속집속수단은

   수치계산결과로써 결정된 3차원 형상의 자성유체로서, 자유로운 3차원 형상의 실현이 가능함을 특징으로 하는 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 자속밀도측정수단은

   2차원적으로 배열한 홀센서를 이용함을 특징으로 하는 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자성유체를 이용한 자속밀도 표시장치.