KR20050102516A

KR20050102516A - 탄성 초음파를 발생 및 측정할 수 있는 자기변형트랜스듀서와 이를 이용한 구조진단 장치

Info

Publication number: KR20050102516A
Application number: KR1020040027928A
Authority: KR
Inventors: 조승현; 선경호; 이주승; 김윤영
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2005-10-26
Also published as: US6924642B1; KR100561215B1

Abstract

본 발명은 판재에 탄성 초음파를 발생시키거나 이를 측정할 수 있는 자기변형 트랜스듀서와 이를 이용한 구조진단 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 자기변형 효과를 이용하여 비자성체 판재에서 강자성 패치를 재부착할 필요없이 원하는 방향으로 탄성파를 발생 및 전파시킬 수 있고, 각기 다른 방향으로 램파(Lamb wave)와 SH파(Shear horizontal wave)를 동시에 발생시킬 수 있는 자기변형 트랜스듀서와, 이러한 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 강자성체와, 상기 강자성체의 상부에 배치되어 강자성체에 자기장을 형성하는 자기장 형성부로 구성되는 자기변형 트랜스듀서에 있어서, 상기 강자성체는 소정의 두께와 형상을 가진 원형 스트립 형태로 이루어지고, 상기 자기장 형성부는, 절연물질로 이루어진 본체; 상기 본체 상부에 좌우로 소정의 간격을 두고 나란히 설치되어 상기 스트립을 통과하도록 바이어스 자기장을 형성하는 두 개의 자석; 및 상기 자석들의 둘레에 감기는 8자형 코일을 포함하여 구성되어, 상기 코일에 교류 전류가 인가됨에 따라 상기 강자성체 스트립이 자기변형 효과에 따라 변형을 일으키면서 자기장 형성 방향으로 램파를 발생시키고, 동시에 자기장 형성 방향과 소정의 각도를 이루면서 SH파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서 및 이를 이용한 구조진단 장치가 제공된다.

Description

탄성 초음파를 발생 및 측정할 수 있는 자기변형 트랜스듀서와 이를 이용한 구조진단 장치 {Magnetostrictive Transducer for Generating and Sensing Elastic Ultrasonic waves, and Apparatus for Structural Diagnosis Using It}

본 발명은 판재에 탄성 초음파를 발생시키거나 이를 측정할 수 있는 자기변형 트랜스듀서(magnetostrictive transducer)와 이를 이용한 구조진단 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 자기변형 효과를 이용하여 비자성체 판재에서 강자성 패치를 재부착할 필요없이 원하는 방향으로 탄성파를 발생 및 전파시킬 수 있고, 각기 다른 방향으로 램파(Lamb wave)와 SH파(Shear horizontal wave)를 동시에 발생시킬 수 있는 자기변형 트랜스듀서와, 이러한 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치에 관한 것이다.

자기변형, 즉 마그네토스트릭션(magnetostriction)이란 강자성 재료가 자기장 아래 놓일 때 기계적인 변형이 발생하는 현상을 말하며 주울 효과(Joule effect)라고도 한다. 이것의 역현상으로 재료에 응력이 작용할 때 재료 내부의 자기적 상태가 변화하는 현상을 역자기변형 현상(inverse magnetostriction effect) 또는 빌라리 효과(Villari effect)라고 한다.

자기변형 현상을 수학적으로 정량화하면 다음과 같이 표현할 수 있다.

자기장 H가 작용하는 공간에 자성물질을 놓아두게 되면 자성물질 내부의 유도자기장 B는 진공 중에서의 자속밀도에 자성물질의 자화에 의한 자속밀도가 더해진다. 즉, 다음의 수학식 1과 같이 자성물질 내부의 유도자기장 B를 표시할 수 있다.

여기서, B는 자속밀도(magnetic flux density), H는 자석 또는 전자석을 이용해 외부에서 걸어주는 자기장의 세기(magnetic intensity), M은 자화의 강도, κ _m 은 자화율, μ₀은 진공의 투자율(permeability), μ_r은 비투자율, μ는 투자율을 나타낸다.

이 때 기계적 변형과 관련된 자기변형 효과인 빌라리 효과와 주울 효과는 다음의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 정량적으로 표현할 수 있다.

여기서, ε는 변형률, σ는 재료에 가해지는 응력(stress), E ^H 는 일정한 자기장이 걸려있을 때의 탄성계수, 그리고 μ^σ는 일정한 응력이 작용할 때의 투자율이다.

수학식 2와 수학식 3의 q와 q ^* 는 각각 빌라리 효과와 주울 효과를 나타내는 계수로 그 정의는 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같다.

이러한 자기변형 효과를 이용한 트랜스듀서는 측정하고자 하는 대상과 기계적인 접촉 없이 측정물의 변형을 측정할 수 있기 때문에 접촉식 센서의 적용이 불가능한 여러 분야에 응용되고 있다. 자기변형 효과를 이용하면 비접촉으로도 탄성파를 발생시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전통적인 압전 효과를 이용한 방식보다 크기가 큰 탄성 유도초음파를 발생시킬 수 있다.

일반적으로 얇은 판재에 존재하는 유도초음파(guided wave)를 입자의 진동 방식에 따라서 분류하면, 램파와 SH파로 나눌 수 있다. 이중 램파는 파의 진행방향과 평행한 단면을 정의할 때, 입자가 단면 안에서 진동하는 탄성파를 말하고, SH파는 입자가 판의 수평면 내에서 파의 진행방향과 수직을 이루며 진동하는 탄성파를 말한다. 특히, SH파의 첫 번째 모드의 경우 판재의 상부나 하부 경계와 부딪침이 없이 진행하기 때문에 분산현상이 없고(non-dispersive), 높은 효율로 전파되는 것이 가능하다.

도 1a 및 도 1b에는 종래의 탄성파 발생 장치의 개략적인 구성을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 것과 같이, 종래의 탄성파 발생 장치는 판재(2)상에 커플런트(couplant)(4)를 이용하여 부착되는 얇은 강자성체 스트립(ferromagnetic strip)(1), 그 위에 설치되는 플레이트 마그네토스트릭티브 프로브(plate magnetostrictive probe)(5)로 구성된다.

종래의 탄성파 발생 장치는 상기 강자성체 스트립(1)이 판재(2) 상에 부착되어 있고, 프로브에 전류가 흐르면 상기 강자성체 스트립(1)에 수직으로 입사하여 반경방향으로 빠져나가는 자기장이 형성된다. 이에 따라 상기 직사각형 형상의 강자성체 스트립(1)의 자기변형 효과에 의한 변형은 주로 길이방향으로 크게 발생한다. 따라서, 종래의 자기변형 효과를 이용하는 평판형 탄성파 발생 장치는 일단 한번 설치되면 유도 초음파 발생 방향이 영구적으로 고정되어, 만약 탄성파 진행 방향을 변경하여야 할 시에는 강자성체 스트립(1)을 판재(2)로부터 떼어낸 다음 다시 원하는 방향으로 부착을 시켜야하는 번거로움이 있다. 특히 접근이 용이하지 않는 구조물의 건전성을 장시간 감시를 하는 경우에는 이러한 스트립의 재부착은 때때로 불가능한 경우도 있어, 기존의 트랜스듀서를 적용하기는 매우 어렵다.

자기변형 효과는 자기장의 방향과 동일한 방향으로 가장 큰 변형을 일으키기 때문에, 판재의 구조진단을 위해 자기변형 효과를 이용하는 경우, 강자성 스트립에 탄성파의 전파 방향으로 자기장을 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 종래의 탄성파 발생 장치는, 자기장이 판재에 수직한 방향으로 입사하여 방사상으로 퍼져나가기 때문에 탄성 초음파 출력이 커지는데 효율이 좋지 않다.

그리고, 종래의 탄성파 발생 장치에 있어서는 설치된 상태에서 탄성파 발생방향이 고정되므로, 판재의 2차원 탐상을 위해서는 복수 개의 탄성파 발생 장치 및 감지 장치가 필요하게 되는 단점이 있다.

또한, 종래의 탄성파 발생 장치에서는 SH파의 발생을 위해서는 강자성체 스트립에 영구자석을 이용하여 예자화(pre-magnetization)를 시행한 후 코일을 통하여 가진 자기장을 인가하여야 하는데, 이는 매 시행 시마다 예자화가 필요하다는 번거로움과 정량화의 어려움 등의 단점을 또한 지니고 있다.

이에, 강자성체 스트립의 재부착 없이 탄성파를 원하는 방향으로 전달시킬 수 있고, 또한 바이어스 및 가진 자기장을 강자성체 스트립을 따라 한 방향으로 흐르게 함으로서 더 큰 효율을 가지는 자기변형 트랜스듀서와, 이러한 트랜스듀서를 이용하여 넓은 면적을 가지는 판재의 2차원 탐상을 수행할 수 있는 구조진단 장치를 개발할 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄성파의 전파방향의 변경이 용이하고, 자기장이 효율적으로 인가되는 트랜스듀서를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 하나의 트랜스듀서로 램파와 SH파를 각기 다른 방향으로 모두 발생시킬 수 있는 트랜스듀서를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 위와 같은 트랜스듀서를 이용하여 탄성파의 발생 및 측정을 동시에 수행하고 탄성파 발생 방향을 변화시킬 수 있도록 함으로써, 하나의 탄성파 발생용 트랜스듀서와 하나의 탄성파 측정용 트랜스듀서를 사용하여 판재의 2차원 탐상이 가능하게 하는 구조진단 장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 강자성체와, 상기 강자성체의 상부에 배치되어 강자성체에 자기장을 형성하는 자기장 형성부로 구성되는 자기변형 트랜스듀서에 있어서, 상기 강자성체는 소정의 두께를 가진 스트립 형태로 이루어지고, 상기 자기장 형성부는, 비자성 물질로 이루어진 본체; 상기 본체 상부에 좌우로 소정의 간격을 두고 나란히 설치되어 상기 스트립을 통과하도록 바이어스 자기장을 형성하는 두 개의 자석; 및 상기 자석들의 둘레에 감기는 코일을 포함하여 구성되어, 상기 코일에 교류 전류가 인가됨에 따라 상기 강자성체 스트립이 자기변형 효과에 따라 변형을 일으키면서 자기장 형성 방향으로 램파를 발생시키고, 동시에 자기장 형성 방향과 소정의 각도를 이루면서 SH파를 발생시키는 자기변형 트랜스듀서를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 자기장 형성부는 상기 강자성체 스트립이 놓인 평면에 수직한 축 둘레로 회전 가능하여 램파 및 SH파의 발생방향을 변화시킬 수 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 스트립은 원형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 코일은 상기 두 개의 자석 둘레에 8자형으로 감기는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 두 개의 자석 중 하나는 N극이 아래를 향하고, 다른 하나는 N극이 위를 향하도록 배치되어, 상기 스트립을 평행한 방향으로 통과하도록 자기장을 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기와 같은 본 발명의 목적은, 강자성체와 상기 강자성체의 상부에 배치되어 강자성체에 자기장을 형성하는 자기장 형성부로 구성되고, 서로 이격되어 판재 상에 각각 배치되는 두 개의 자기변형 트랜스듀서; 상기 자기변형 트랜스듀서들에 전류를 공급하는 전원; 및 상기 두 개의 자기변형 트랜스듀서 중 하나 이상에 형성된 자기장의 변화를 측정하는 측정부를 포함하는 구조진단 장치로서, 상기 강자성체는 소정의 두께를 가진 일정한 형상의 스트립이고, 상기 자기장 형성부는, 비자성 물질로 이루어진 본체; 상기 본체 상부에 좌우로 소정의 간격을 두고 나란히 설치되어 상기 스트립을 통과하도록 바이어스 자기장을 형성하는 두 개의 자석; 및 상기 자석들의 둘레에 감기는 코일을 포함하여 구성되어, 상기 전원으로부터 상기 두 개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서에 구비되는 상기 코일에 교류 전류가 인가됨에 따라 해당 강자성체 스트립이 자기변형 효과에 따라 변형을 일으키면서 자기장 형성 방향으로 램파를 발생시키고, 동시에 자기장 형성 방향과 소정의 각도를 이루면서 SH파를 발생시키며, 상기 전원으로부터 상기 두 개의 트랜스듀서 중 제2 트랜스듀서에 구비되는 코일에 직류 전류가 인가된 상태에서 해당 강자성체 스트립에 탄성파가 전달되어 상기 스트립이 기계적인 변형을 일으킴에 따라 상기 스트립에 형성된 자기장에 변화가 생기고 이에 따라 해당 코일에 흐르는 전류의 양이 변화되며, 상기 측정부에서 상기 제2 트랜스듀서에 발생하는 전류의 변화량을 측정하여 상기 제1 트랜스듀서로부터 발생된 탄성파가 전달된 경로상에 존재하는 판재의 구조적인 결함을 검출하는 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치를 제공함으로써 달성된다.

여기서, 상기 자기장 형성부는 상기 강자성체 스트립이 놓인 평면에 수직한 축 둘레로 회전 가능하여, 램파 및 SH파의 발생방향을 변화시킬 수 있는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 자기장 측정부는, 유도 자기장 신호를 받아들여 증폭하는 증폭기; 상기 증폭기에서 증폭된 신호를 받아들여 시간에 따른 신호의 변화를 표시하는 오실로스코프; 및 상기 오실로스코프에서 표시되는 데이터를 디지털 신호로 입력받아 데이터를 처리하는 컴퓨터를 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2에는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 개략적인 구성을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 2에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서는 플레이트의 일면에 부착되는 스트립(11), 상기 스트립(11) 면에 수평한 방향으로 스트립을 통과하는 자기장을 형성하도록 이격되어 배치되는 두 개의 자석(15, 15') 및 상기 자석(15, 15')들 주위에 감기는 코일(13, 13')을 포함하여 구성된다.

도 3에는 본 발명에 따른 트랜스듀서에 감기는 8자형 코일의 권선법을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 3에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서에는, 상기 코일을 소정의 전류 공급원(미도시)으로부터(①) 두 개의 자석 중 일측의 자석(15) 주위에 감은 후(②->⑤) 필요한 회수만큼 반복하여 감으며(②->⑤), 감긴 코일을 연장하여(⑥) 타측의 자석 주위에 감고(⑦->⑩) 일측의 자석 주위에 감은 것과 동일한 회수로 반복하여 감으며(⑦->⑩), 다시 전류 공급원으로 연결한다(⑪).

도 4에는 도 2 및 도 3에서 설명된 본 발명에 따른 트랜스듀서의 제작예의 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 B-B 선을 따라 자른 단면도가 도시되어 있다.

도 4 및 도 5에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서는, 상하면이 평행하게 구비되는 판상의 본체, 상기 본체 저면에 부착되는 스트립(11), 상기 스트립(11)에 자기장을 형성하는 두 개의 이격되어 배치되는 자석(15, 15') 및 상기 자석(15, 15')들의 주위에 감겨 상기 자석에 의해 형성되는 자기장을 변화시키는 코일(13, 13')을 포함하여 구성된다.

상기 코일(13, 13')은 상기 자석(15, 15')들 주위에 전체적으로 "8"자형을 이루면서 감긴다. 상기 스트립 상에서 상기 스트립이 놓인 평면에 수직한 축 둘레로 상기 본체가 회전하는 것이 가능하도록, 상기 본체와 상기 스트립 사이에는 별도의 고정 수단이 개재되지 않는다.

상기 본체(21) 상부에는 자기장 형성부(22)가 구비된다. 상기 자기장 형성부(22)는, 두 개의 자석(15, 15')과 그 주위에 감기는 코일(13, 13')로 구성되는데, 상기 자석(15, 15') 중 하나(15)는 하방이 N극이고, 다른 하나의 자석(15')은 하방이 S극으로 이루어진다. 그럼으로써 바이어스 자기장은 도 2에 화살표로 도시된 것과 같이 스트립의 면을 따라 통과하는 형태로 형성된다.

상기 스트립(11)은 니켈과 같은 강자성체로 구성되는 것이 바람직하고, 상기 자기장 형성부에서 자석과 코일을 수용하는 부분은 그 재질이 아크릴과 같은 비자성물질일 수 있다.

도 6에는 앞서 설명한 트랜스듀서를 이용하는 본 발명에 따른 구조진단 시스템의 구성을 개략적으로 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 구조진단 장치는 판재의 일면에 부착되어 자기변형 현상에 의해 탄성 초음파를 발생시키는 탄성파 발생 유닛(10), 상기 탄성파 발생 유닛에서 발생된 탄성 초음파를 감지하는 센서 유닛(10'), 상기 탄성파 발생 유닛(10) 및 상기 센서 유닛에 각각 전류를 공급하는 두 개의 파워 앰프(18, 18'), 상기 탄성파 발생 유닛에서 발생된 탄성 초음파에 따라 상기 센서 유닛(10')에서 감지되는 전류 변화를 디지털 신호로 변환하는 오실로스코프(19) 및 상기 오실로스코프에서 변환된 디지털 신호를 받아 데이터 연산을 수행하는 컴퓨터(20)를 포함하여 구성된다.

상기 탄성파 발생 유닛 및 센서 유닛은 앞서 설명한 본 발명에 따른 트랜스듀서와 같은 구성을 가진다.

상기 두 개의 파워 앰프(18, 18')는 하나의 앰프가 두 개의 각기 다른 출력을 낼 수 있도록 구성된 것이 사용될 수 있고, 직류 및 교류 전원으로서의 기능과 신호 증폭을 위한 증폭기로서의 기능을 동시에 수행할 수 있다.

이하에서는 이상과 같은 구성을 가지는 구조진단 장치를 사용하여 판재의 구조적인 결함을 진단하는 방법을 설명한다.

도 6에 도시된 것과 같이, 탄성파 발생 유닛(10)과 센서 유닛(10')을 판재의 소정의 위치에 각각 배치한다. 그 후 상기 파워 앰프(18, 18')들을 통하여 상기 탄성파 발생 유닛(10) 및 센서 유닛(10')에 각각 필요한 전류를 공급한다. 상기 탄성파 발생 유닛(10)에 전류가 공급되면, 상기 스트립(11)에는 바이어스 자석(15, 15')들에 의해 형성되는 바이어스 자기장과 상기 코일(13, 13')에 전류가 흐름으로써 발생되는 자기장이 동시에 형성된다. 상기 코일(13, 13')들에 가진 전류가 흐를 경우, 강자성체로 이루어진 상기 스트립(11)에는 자기장의 변화가 생기고, 이에 따라 상기 스트립은 자기변형 효과에 의해 변형을 일으키게 되며, 판재(12)에 부착된 상태에서 변형됨에 따라 상기 판재(12)에는 탄성 초음파가 발생하여 전달되게 된다. 탄성 초음파가 전달되면, 상기 센서 유닛(10')에 부착된 스트립이 변형을 일으키게 되고 이에 따라 상기 센서 유닛(10')에 형성된 자기장에 변화가 생기게 된다. 이러한 자기장의 변화는 상기 센서 유닛(10')의 코일(13, 13') 양단에 유도 기전력을 발생시키게 된다. 이러한 유도 기전력의 양을 측정하여 증폭기(18)에서 증폭한 후 오실로스코프(19)와 퍼스널 컴퓨터(20)에 전송하여 신호처리 과정을 거치게 한다.

앞서 설명한 것과 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서와 같은 구성을 가지는 상기 탄성파 발생 유닛 및 센서 유닛은, 각각의 스트립 상에서 상부의 본체 부분이 자유로이 회전할 수 있기 때문에, 상기 탄성파 발생 유닛에서 발생하는 탄성파의 전달 방향을 조절할 수 있다.

도 7에는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 방향 특성을 조사하기 위한 실험의 구성을 설명하는 도면이 도시되어 있다.

도 7에 도시된 것과 같이, 진단 대상이 되는 판재 상면에 하나의 탄성파 발생 유닛(10)을 부착하고, 그 둘레에 소정의 일정한 거리(예를 들어 200mm)에 7개의 센서 유닛(10')을 부착한다. 이때, 화살표로 표시된 것과 같은 상기 탄성파 발생 유닛(10)의 자기장 방향의 연장선을 기준으로 15도씩 이격되도록 7개의 센서 유닛(10')들을 부착한다.

이와 같이 배치된 상태에서 상기 탄성파 발생 유닛(10)에 교류 전류를 인가하고, 각각의 센서 유닛(10')에서 신호를 측정하면 아래의 도 8 및 도 9와 같은 결과를 얻을 수 있다.

도 8에는 시간에 따른 전압 변화를 측정한 그래프가 도시되어 있다. 그리고, 도 9에는 도 8에 도시된 곡선들 중 전압 변화가 가장 큰 세 개의 피크들에 해당하는 시간을 기준으로, 각각의 시간에서의 최대 전압 값을 가지는 0도 지점에 배치된 센서 유닛(B1)의 측정값에 대한 다른 센서 유닛에서의 측정값들의 상대 크기를 각도별로 나타내고 각 데이터 지점들을 선으로 연결한 그래프이다.

도 8 및 도 9에 도시된 것과 같이, 상기 탄성파 발생 유닛과 상기 센서 유닛의 자기장 방향간에 60도의 각도를 이루는 경우, 시간에 따라 전압 변화가 거의 없게 된다. 즉, 도 8 및 도 9의 그래프로부터 상기 탄성파 발생 유닛의 자기장 방향과 60도를 이루는 방향으로는 램파가 거의 발생되지 않는다는 것을 알 수 있다. 실제로 램파가 전달되지 않는 이 방향으로는 오직 SH파만이 발생한다. 따라서, 탄성파 발생 유닛과 탄성파 측정 유닛의 트랜스듀서에 인가되는 자기장을 60도 방향을 이루도록 하면, SH파만이 측정된다.

도 10에는 본 발명에 따라 알루미늄 판재 상에서 램파를 측정한 예를 설명하는 도면이 도시되어 있고, 도 11에는 도 10에서 측정된 값을 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도 10에 도시된 것과 같이, 판재(12)에 본 발명에 따른 트랜스듀서를 두 개 설치한다. 두 개의 트랜스듀서는 각각의 자기장의 방향이 두 개의 트랜스듀서를 연결하는 직선과 나란하게 놓이도록 한다. 두 개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서는 탄성파 발생 유닛(transmitter)(10)으로 기능하고, 제2 트랜스듀서는 센서 유닛(10')(receiver)으로 작용한다. 상기 탄성파 발생 유닛(10)에 가진 전류를 인가하면, 자기변형 효과에 의해 상기 강자성체 스트립이 변형되고, 이에 따라 상기 판재(12)에 탄성 초음파가 발생되어 전달된다. 발생된 탄성 초음파는 판재를 따라 판재 전체방향으로 전달되는데, 상기 센서 유닛(10')이 위치한 방향으로는 램파가 전달된다. 상기 센서 유닛(10')이 위치한 방향으로 전달된 램파는 상기 센서 유닛(10')에 구비된 강자성체 스트립을 변형시키게 되고, 이에 따라 상기 센서 유닛(10')에 형성된 자기장이 변화하며, 그 자기장의 변화량을 측정부(미도시)에서 측정하게 된다. 측정된 결과는 도 11에 도시된 것과 같고, 도 11에서 좌측의 첫 번째 피크는 탄성파 발생 유닛(10)에서 직접 발생된 램파(incident Lamb wave)가 측정된 것이고, 우측의 피크는 판재(12) 단부에서 반사된 램파(reflected Lamb wave)가 측정된 것이다.

도 12에는 본 발명에 따라 알루미늄 판재 상에서 SH파를 측정한 예를 설명하는 도면이 도시되어 있고, 도 13에는 도 12에서 측정된 값을 보여주는 그래프가 도시되어 있다.

도 12에 도시된 것과 같이, 판재(12)에 본 발명에 따른 트랜스듀서를 두 개 설치한다. 두 개의 트랜스듀서는 각각의 자기장의 방향이 두 개의 트랜스듀서를 연결하는 직선과 약 60도를 이루도록 배치된다. 여기서도, 두 개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서는 탄성파 발생 유닛(transmitter)(10)으로 기능하고, 제2 트랜스듀서는 센서 유닛(10')(receiver)으로 작용한다. 상기 탄성파 발생 유닛(10)에 가진 전류를 인가하면, 자기변형 효과에 의해 상기 강자성체 스트립이 변형되고, 이에 따라 상기 판재(12)에 탄성 초음파가 발생되어 전달된다. 발생된 탄성 초음파는 판재를 따라 판재 전체방향으로 전달되는데, 상기 센서 유닛(10')이 위치한 방향으로는 SH파가 전달된다. 상기 센서 유닛(10')이 위치한 방향으로 전달된 SH파는 상기 센서 유닛(10')에 형성된 자기장을 변화시키며, 그 자기장의 변화량을 측정부(미도시)에서 측정하게 된다. 측정된 결과는 도 13에 도시된 것과 같고, 도 13에서 피크는 탄성파 발생 유닛(10)에서 직접 발생된 SH파(incident wave)가 측정된 것이다.

위의 도 10과 도 12와 같이, 본 발명에 따른 트랜스듀서의 자기장 방향에 따른 특성을 이용하면, 본 발명에 따른 구조진단 장치의 구성을 변화시키지 않으면서 오직 트랜스듀서에 인가되는 자기장의 방향만을 바꾸어, 한 종류의 트랜스듀서로 램파 및 SH파를 선택적으로 가진 및 측정할 수 있다.

도 14에는 이상에서 설명한 본 발명에 따른 구조진단 장치를 사용하여 판재의 2차원 결함 검사를 수행하는 방법을 설명하는 도면이 도시되어 있고, 도 15에는 도 14에서와 같이 탄성파 발생 유닛(10)의 자기장 방향이 균열(23)이 있는 부분을 향하고 있는 상태에서 측정이 이루어진 결과를 나타내는 그래프가 도시되어 있다.

도 14에 도시된 것과 같이, 구조진단의 대상이 되는 판재(12)에 본 발명에 따른 트랜스듀서를 두 개 설치한다. 두 개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서는 탄성파 발생 유닛(10)으로 기능하고, 제2 트랜스듀서는 센서 유닛(10')으로 작용한다. 상기 탄성파 발생 유닛(10)에 가진 전류를 인가하면, 자기변형 효과에 의해 상기 강자성체 스트립이 변형되고, 이에 따라 상기 판재(12)에 탄성 초음파가 발생되어 전달된다. 발생된 탄성 초음파는 판재를 따라 전달되다가 상기 센서 유닛(10')에 구비된 강자성체 스트립을 변형시키게 되고 이에 따라 상기 센서 유닛(10')에 형성된 자기장이 변화하며, 그 자기장의 변화량을 측정부에서 측정하게 된다. 도 이러한 과정을 상기 탄성파 발생 유닛의 자기장 방향을 상기 판재에 수직한 축 둘레로 회전시켜 가면서 반복 측정하는 경우, 판재 전체에 대한 2차원 구조진단이 가능하게 된다.

도 15의 그래프에는 도 14와 같이 배열하고 상기 탄성파 발생 유닛(10)과 상기 센서 유닛(10')의 자기장의 방향을 변화시켜가면서 2차원 판재에 대한 탐상을 실시하는 동안, 상기 탄성파 발생 유닛(10)과 상기 센서 유닛(10')의 자기장의 방향이 상기 판재(12) 상의 균열(23)이 있는 위치를 향하고, 상기 센서 유닛(10')이 상기 탄성파 발생 유닛(10)의 자기장 방향에 대해 대략 60도를 이루는 지점에 위치할 때의 측정 결과가 도시된 것이다.

도 15에서, 탄성파 발생 유닛(10)과 센서 유닛(10')의 자기장 방향이 균열(23)을 향할 때, 도 14의 ①번 경로를 따라 탄성파 발생 유닛(10)에서 센서 유닛(10')으로 직접 전달된 램파의 신호가 측정된 것이 도 15의 ①번 피크에 해당한다. 도 14의 ②번 경로를 따라 균열(23)에서 반사된 램파의 신호가 측정된 것이 도 15의 ②번 피크에 해당한다. 그리고, 도 14의 ③번 경로를 따라 탄성파 발생 유닛(10)에서 센서 유닛(10')으로 직접 전달된 SH파의 신호가 측정된 것이 도 15의 ③번 피크에 해당한다. 이러한 측정 데이터를 바탕으로, 두 자기장의 연장선의 교차점으로 균열(23)의 위치를 찾아낼 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 알루미늄과 같은 비자성 재료로 만들어진 판재에서도 자기변형 현상을 이용하여 안정적으로 탄성 초음파를 발생시키고 이를 측정할 수 있는 자기변형 트랜스듀서가 제공된다. 본 발명에 따른 트랜스듀서의 경우, 스트립 면에 평행한 방향으로 자기장이 형성되어 스트립을 통과하기 때문에 효율적인 자기변형 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 원형 또는 적절한 형태의 스트립을 사용하는 패치 타입의 트랜스듀서가 사용되고, 스트립에 평행한 방향으로 스트립을 통과하는 방향으로 자기장이 형성되기 때문에, 램파뿐만 아니라 입자가 판재 평면에 수평면에서 파의 진행방향에 수직으로 진동하는 SH파의 발생이 용이하게 이루어 질 수 있다.

그리고, 강자성 스트립 위에 바이어스 자기장의 방향을 변화시킬 수 있게 구성되므로, 탄성파의 전파방향을 바이어스 자기장의 방향만을 조절하여 원하는 대로 용이하게 바꿀 수 있고, 이로 인해 장치의 설치 위치를 바꾸지 않더라도 2차원 탐상을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 바이어스 자기장의 방향에 따라 램파와 SH파를 동시에 각기 다른 방향으로 발생 및 측정함으로써 한 종류의 트랜스듀서로 다양한 모드의 초음파를 이용한 탐상을 수행할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

도 1a는 종래의 탄성파 발생 트랜스듀서의 구성을 설명하는 평면도.

도 1b는 도 1a의 A-A선을 따라 자른 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 원리를 설명하는 도면.

도 3은 도 2에 도시된 트랜스듀서에서 코일을 감는 순서를 설명하는 도면.

도 4는 본 발명에 따른 트랜스듀서의 구성예를 설명하는 도면.

도 5는 도 4의 B-B선을 따라 자른 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 구조진단 장치의 구성을 설명하는 도면.

도 7은 본 발명에 따른 트랜스듀서의 방향 특성을 조사하기 위한 실험의 구성을 설명하는 도면.

도 8은 도 7에서 설명된 실험에 따라 측정된 데이터를 보여주는 그래프.

도 9는 도 8의 그래프로부터 트랜스듀서에 걸리는 자기장과 60ㅀ를 이루는 방향으로 SH파가 발생하는 것을 보여주는 그래프.

도 10은 본 발명에 따라 알루미늄 판재 상에서 램파를 측정한 예를 설명하는 도면.

도 11은 도 10에서 측정된 값을 보여주는 그래프.

도 12는 본 발명에 따라 알루미늄 판재 상에서 SH파를 측정한 예를 설명하는 도면.

도 13은 도 12에서 측정된 값을 보여주는 그래프.

도 14는 본 발명에 따른 구조진단 장치에서 램파를 이용하여 2차원 탐상을 수행하는 방법을 설명하는 도면.

도 15는 도 14에서 설명된 방법에 따라 측정된 데이터를 나타낸 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 강자성체 스트립 2, 12: 판재

4: 커플런트 5: 프로브

10: 트랜스듀서 11: 원형 강자성체 스트립

13, 13': 코일 15, 15': 자석

18, 18': 파워앰프 19: 오실로스코프

20: 컴퓨터 21: 플랫폼

22: 자기장 형성부 23: 균열

Claims

강자성체와, 상기 강자성체의 상부에 배치되어 강자성체에 자기장을 형성하는 자기장 형성부로 구성되는 자기변형 트랜스듀서에 있어서,

상기 강자성체는 소정의 두께를 가진 일정한 형상의 스트립으로 이루어지고,

상기 자기장 형성부는,

비자성 물질로 이루어진 본체;

상기 본체 상부에 좌우로 소정의 간격을 두고 나란히 설치되어 상기 스트립을 통과하도록 바이어스 자기장을 형성하는 두 개의 자석; 및

상기 자석들의 둘레에 감기는 코일을 포함하여 구성되어,

상기 코일에 교류 전류가 인가됨에 따라 상기 강자성체 스트립이 자기변형 효과에 따라 변형을 일으키면서 자기장 형성 방향으로 램파를 발생시키고, 동시에 자기장 형성 방향과 소정의 각도를 이루면서 SH파를 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서.
제 1 항에 있어서, 상기 자기장 형성부는 상기 강자성체 스트립이 놓인 평면에 수직한 축 둘레로 회전 가능하여 램파 및 SH파의 발생방향을 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스트립은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코일은 상기 두 개의 자석 둘레에 8자형으로 감기는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 두 개의 자석 중 하나는 N극이 아래를 향하고, 다른 하나는 N극이 위를 향하도록 배치되어, 상기 스트립을 평행한 방향으로 통과하도록 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서.
강자성체와 상기 강자성체의 상부에 배치되어 강자성체에 자기장을 형성하는 자기장 형성부로 구성되고, 서로 이격되어 판재 상에 각각 배치되는 두 개의 자기변형 트랜스듀서;

상기 자기변형 트랜스듀서들에 전류를 공급하는 전원; 및

상기 두 개의 자기변형 트랜스듀서 중 하나 이상에 형성된 자기장의 변화를 측정하는 측정부를 포함하는 구조진단 장치로서,

상기 강자성체는 소정의 두께를 가진 일정한 형상의 스트립이고,

상기 자기장 형성부는,

비자성 물질로 이루어진 본체;

상기 본체 상부에 좌우로 소정의 간격을 두고 나란히 설치되어 상기 스트립을 통과하도록 바이어스 자기장을 형성하는 두 개의 자석; 및

상기 자석들의 둘레에 감기는 코일을 포함하여 구성되어,

상기 전원으로부터 상기 두 개의 트랜스듀서 중 제1 트랜스듀서에 구비되는 상기 코일에 교류 전류가 인가됨에 따라 해당 강자성체 스트립이 자기변형 효과에 따라 변형을 일으키면서 자기장 형성 방향으로 램파를 발생시키고, 동시에 자기장 형성 방향과 소정의 각도를 이루면서 SH파를 발생시키며,

상기 전원으로부터 상기 두 개의 트랜스듀서 중 제2 트랜스듀서에 구비되는 코일에 직류 전류가 인가된 상태에서 해당 강자성체 스트립에 탄성파가 전달되어 상기 스트립이 기계적인 변형을 일으킴에 따라 상기 스트립에 형성된 자기장에 변화가 생기고 이에 따라 해당 코일에 흐르는 전류의 양이 변화되며,

상기 측정부에서 상기 제2 트랜스듀서에 발생하는 전류의 변화량을 측정하여 상기 제1 트랜스듀서로부터 발생된 탄성파가 전달된 경로상에 존재하는 판재의 구조적인 결함을 검출하는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치.
제 6 항에 있어서, 상기 자기장 형성부는 상기 강자성체 스트립이 놓인 평면에 수직한 축 둘레로 회전 가능하여, 램파 및 SH파의 발생방향을 변화시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 스트립은 원형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 코일은 상기 두 개의 자석 둘레에 8자형으로 감기는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서, 상기 두 개의 자석 중 하나는 N극이 아래를 향하고, 다른 하나는 N극이 위를 향하도록 배치되어, 상기 스트립을 평행한 방향으로 통과하도록 자기장을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치.
제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,

상기 자기장 측정부는,

유도 자기장 신호를 받아들여 증폭하는 증폭기;

상기 증폭기에서 증폭된 신호를 받아들여 시간에 따른 신호의 변화를 표시하는 오실로스코프; 및

상기 오실로스코프에서 표시되는 데이터를 디지털 신호로 입력받아 데이터를 처리하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서를 이용한 구조진단 장치.