KR20060016657A - 자기변형 트랜스듀서 - Google Patents

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KR20060016657A
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Abstract

본 발명은 자기변형 효과와 유도 초음파를 이용하여 원형축의 장거리 비접촉 탐상을 수행하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른, 회전축의 결함 탐상을 위한 자기변형 트랜스듀서는, 내부에 자기장이 가해지면 길이의 변화를 나타내는 자기변형 부재와, 바이어스 자기장을 형성시키는 영구 자석과, 잔존하는 자기변형 부재의 진동을 감쇄시키는 댐핑재와, 자기변형 부재와 회전축 간에 진동을 전달하는 접합 요소와, 가변 전류를 흐르게 하여 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장이 발생시키고 자기변형 부재가 변형을 일으키는 경우에는 유도 전류가 흐르는 송수신 코일과, 접촉 부재와 회전축이 접촉하여 고정될 수 있도록 체결하는 결합 수단으로 이루어진다.
Guided-wave(유도 초음파), Magnetostrictive Transducer(자기변형 트랜스듀서), Terfenol-D(터페놀-D), Giant Magnetostrictive Alloy(거대 자기변형 합금)

Description

자기변형 트랜스듀서{Magnetostrictive transducer}
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 구성을 나타낸 도면.
도 2는 터페놀-D의 자기장-자기변형률 곡선을 도시한 도면.
도 3은 회전하는 자기변형 부재에 구동 전류에 의한 가변 자기장을 형성하는 초기 과정을 설명하는 도면.
도 4는 자기변형 트랜스듀서의 구동 중 형상을 도시하는 도면.
도 5는 도 4에서 자기변형 트랜스듀서의 단면도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 구성을 나타낸 도면.
도 7은 제2 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서의 단면도.
도 8은 자기변형 트랜스듀서, 회전축, 및 트랜스듀서를 제어/측정하는 장치를 포함하는 전체 시스템을 도시한 도면.
도 9는 지름 20 mm인 강철 원형봉에 전파하는 종파의 군 속도를 500 kHz 이하의 주파수에 따라 도시한 도면.
도 10은 지름 20 mm인 강철 원형봉에 전파하는 굽힘파의 군 속도를 500 kHz 이하의 주파수에 따라 도시한 도면.
도 11은 사인 함수 몇 주기만을 한정된 시간 동안만 인가하는 톤 버스트 신호의 예를 나타낸 도면.
도 12는 접합 요소의 규격을 나타낸 도면.
도 13은 합성고무 댐핑재를 트랜스듀서에 부착하는 방법의 경우를 나타내는 도면.
도 14는 도 13의 각 경우에 대하여 민감도를 도시한 도면.
도 15는 도 13의 각 경우에 대하여 펄스의 지속시간을 도시한 도면.
도 16는 본 발명의 일 실험에 사용한 회전축의 개략도.
도 17은 도 16의 회전축에서 측정된 신호 및 시간-주파수를 분석한 결과를 나타내는 도면.
(도면의 주요부분에 대한 부호 설명)
10 : 오실로스코프 20 : 함수 발생기
30 : 초음파 장치 40 : 직류 전원 공급기
50 : 컴퓨터 80 : 보빈 지지대
90 : 회전축 100 : 자기변형 트랜스듀서
110 : 자기변형 부재 120 : 영구 자석
130 : 댐핑재 140 : 접합 요소
141 : 접촉 부재 142 : 수용 부재
150 : 송수신 코일 151 : 송수신 코일 보빈
160 : 결합 수단 170 : 바이어스 코일
175 : 바이어스 코일 보빈
본 발명은 비파괴 검사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기변형 효과와 유도 초음파를 이용하여 원형축의 장거리 비접촉 탐상을 수행하는 장치에 관한 것이다.
현재 적용되고 있는 대부분의 초음파 비파괴 탐상 기법들은 트랜스듀서가 위치한 부분의 국부적인 탐상에 중점을 두고 있다. 따라서 광범위한 영역에 대한 비파괴 탐상을 수행하기 위해서는 트랜스듀서를 이동시켜야 한다. 이러한 단점을 극복하기 위한 방안으로서 유도 초음파(guided ultrasonic waves)를 이용한 비파괴 탐상기법이 최근 10여 년 동안 큰 관심을 받아 왔다.
유도 초음파 탐상 기법은 기존의 국부적인 탐상법에 비해서 정밀도는 떨어지는 것으로 알려져 있으나, 광범위한 영역의 비파괴 탐상을 효율적으로 수행할 수 있다는 장점을 갖고 있어 여러 분야에 적용되고 있는데, 특히 각종 배관, 열교환기 세관, 회전하는 기계의 회전축, 그리고 박판으로 이루어진 여러 가지 구조 부재 등의 비파괴 탐상에 유용하다.
또한, 파괴시 사고의 위험도가 높은 중요한 배관이나 부재에 대한 비파괴 검사를 수행하고자 할 때, 피복이나 지하 매설로 인해 접근이 어려운 경우, 운전 중 검사를 위해 정지시키기 곤란한 경우, 또는 국부적인 탐상은 가능하나 시간과 경비 의 제약으로 인해 전체 구조의 효과적인 검사가 불가능한 경우에 유도 초음파 탐상 기술은 매우 유용하게 사용될 수 있다.
자기변형 효과를 이용한 트랜스듀서는 측정하고자 하는 대상에 기계적인 접촉 없이 초음파를 송수신할 수 있다는 장점으로 인하여, 접촉이 필수적인 센서의 적용이 불가능한 분야에서 독자적인 응용 가능성을 확보하고 있다. 여러 가지 강자성 물질의 자기변형 효과에 대한 실질적인 응용 가능성은 이미 다양한 분야에서 소개된 바 있다. 그러나, 자성 물질들이 갖고 있는 독특한 비선형적 거동과 자기이력 효과 등은 자기변형 효과를 포함한 자성 물질의 자화 과정 및 거동의 이해에 큰 어려움이 되어 왔으며, 이러한 점 때문에 자기변형 효과를 이용한 트랜스듀서의 특성에 대해서 체계적인 연구가 부족한 실정이다.
그리고, 회전축 등의 비접촉 탐상이 요구되는 경우에 유도 초음파를 이용한 비파괴 검사를 효과적으로 수행할 수 있는 방법에 관하여 보고된 바는 더더욱 없다.
따라서, 비접촉 탐상이 요구되는 경우에 자기 변형을 이용하여 효율적으로 비파괴 검사를 수행할 수 있는 방법을 강구할 필요가 있는 것이다.
본 발명은 상기한 필요성을 고려하여 창안된 것으로, 비접촉 탐상이 요구되는 환경에서 자기변형 효과를 이용하여 대상 물체의 결함을 검사하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히 본 발명은, 상기 대상 물체가 회전축인 경우에 상기 회전축의 결함을 검사하는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, 비접촉 탐상에 적합한 자기변형 부재를 채택하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른, 회전축의 결함 탐상을 위한 자기변형 트랜스듀서는, 자기변형 부재의 길이방향 일측에 소정의 이격을 두고 고정되고, 자기변형 부재와 동일한 단면 형상을 가지며, 상기 자기변형 부재에 바이어스 자기장을 형성시켜 상기 자기변형 부재에 미리 소정의 자기 변위가 발생하도록 하는 영구 자석; 상기 자기변형 부재와 상기 영구 자석 간에 소정의 이격을 유지하며 양자를 접착에 의하여 고정하며, 가변 전류에 의한 가진을 중단한 후에도 잔존하는 상기 자기변형 부재의 진동을 감쇄시키는 댐핑재; 상기 자기변형 부재의 변위 진동을 검사 대상인 회전축에 전달하고, 상기 회전축에서 반향되는 진동을 상기 자기변형 부재에 전달하는 매개체 역할을 하는 접촉 부재와, 상기 자기변형 부재를 수용할 수 있도록 자기변형 부재와 동일한 단면의 내경을 갖는 수용 부재를 포함하는 접합 요소; 가변 전류가 흐르게 하여 상기 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장이 발생하도록 하고, 상기 반향되는 진동으로 인하여 자기변형 부재가 변형을 일으키는 경우에는 유도 전류가 흐르게 되며, 상기 수용 부재의 외경 보다 소정의 간격만큼 이격을 두고 동심원으로 형성되는 송수신 코일; 내경이 상기 접촉 부재의 외경 및 상기 회전축의 외경과 실질적으로 같도록 형성되며, 상기 접촉 부재와 상기 회전축이 접촉하여 고정될 수 있도록 체결하여 상기 회전축이 회전할 때 상기 접합 요소도 함께 회전하도록 하는 결합 수단; 및 상기 송수신 코일에 가변 전류를 흘림으로써 상기 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장을 발생시키고, 상기 유도 전류를 감지하여 상기 회전축의 결함을 찾아내는 전기 장치를 포함하며, 상기 자기변형 부재의 재질로는 터페놀-D 소자를 사용하고, 회전축의 결함 탐상시에는 상기 자기변형 부재, 상기 영구 자석, 상기 댐핑재, 및 상기 접합 요소가 상기 회전축과 함께 회전하고 상기 송수신 코일은 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 전기 장치는, 사용자가 원하는 파형을 생성하는 함수 발생기; 상기 생성된 파형을 사용자에게 디스플레이함으로써 사용자가 파형을 확인할 수 있도록 하는 오실로스코프; 상기 송수신 코일과 연결되어 상기 송수신 코일에 톤 버스트 타입의 가변 전류를 인가하여 유도 초음파를 발생시키고, 상기 톤 버스트 타입의 가변 전류신호를 인가할 때마다 트리거 신호를 상기 함수 발생기와 상기 오실로스코프에 전달하여 신호를 동기화하며, 상기 유도 전류를 수신하여 이를 증폭하는 초음파 장치; 및 사용자의 명령에 따라 상기 함수 발생기와, 상기 오실로스코프와, 상기 초음파 장치를 제어하고, 상기 오실로스코프로부터 저장된 신호 파형을 전송 받아 이를 분석하는 컴퓨터를 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른, 회전축의 결함 탐상을 위한 자기변형 트랜스듀서는, 상기 자기변형 부재의 변위 진동을 검사 대상인 회전축에 전달하고, 상기 회전축에서 반향되는 진동을 상기 자기변형 부재에 전달하는 매개체 역할을 하는 접촉 부재와, 상기 자기변형 부재를 수용할 수 있도록 자기변형 부재와 동일한 단면의 내경을 갖는 수용 부재를 포함하는 접합 요소; 상기 자기변 형 부재의 일측에 접착되며, 가변 전류에 의한 가진을 중단한 후에도 잔존하는 상기 자기변형 부재의 진동을 감쇄시키는 댐핑재; 가변 전류가 흐르게 하여 상기 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장이 발생하도록 하고, 상기 반향되는 진동으로 인하여 자기변형 부재가 변형을 일으키는 경우에는 유도 전류가 흐르게 되며, 상기 수용 부재의 외경 보다 소정의 간격만큼 이격을 두고 동심원으로 형성되는 송수신 코일; 상기 송수신 코일의 외측에 동심원 형태로 구비되고, 직류 전류를 흐르게 하여 상기 자기변형 부재에 바이어스 자기장을 형성시키는 바이어스 코일; 내경이 상기 접촉 부재의 외경 및 상기 회전축의 외경과 실질적으로 같도록 형성되며, 상기 접촉 부재와 상기 회전축이 접촉하여 고정될 수 있도록 체결하여 상기 회전축이 회전할 때 상기 접합 요소도 함께 회전하도록 하는 결합 수단; 및 상기 송수신 코일에 가변 전류를 흘림으로써 상기 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장을 발생시키고, 상기 유도 전류를 감지하여 상기 회전축의 결함을 찾아내는 전기 장치를 포함하며, 상기 자기변형 부재의 재질로는 터페놀-D 소자를 사용하고, 회전축의 결함 탐상시에는 상기 자기변형 부재, 및 상기 접합 요소가 상기 회전축과 함께 회전하고 상기 송수신 코일 및 바이어스 코일은 고정되어 있는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명에서는 초음파 트랜스듀서를 설계함에 있어 다양한 인자들이 트랜스듀서의 성능에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하기 위하여 해석과 실험을 수행하여 유도 초음파 탐상을 위한 자기변형 트랜스듀서의 설계에 지표를 제공하고자 하였다. 이 결과를 토대로 회전하는 원형축에 비접촉 유도 초음파 탐상을 실시하는데 적합한 트랜스듀서의 구조를 결정할 수 있음을 나타낸다.
이에 따라서, 본 발명의 실시예에서는, 거대 자기변형 합금인 터페놀-D(Terfenol-D) 소자를 이용하여 유도 초음파를 송수신할 수 있는 자기변형 트랜스듀서를 설계, 제작하여 회전하는 강철봉의 결함을 탐상할 수 있는 장거리 유도 초음파 탐상 기법을 제시한다. 이를 위하여 원형축에서 전파되는 유도 초음파의 특징인 분산 현상에 대해서 고찰하였으며 유도 초음파 탐상에 적합한 모드와 주파수를 선정한다.
또한, 터페놀-D 소자를 이용한 자기변형 트랜스듀서의 구조를 제시하고 이를 해석하기 위한 전자기적, 역학적 모델링을 수행한다. 그리고 설계, 제작한 자기변형 트랜스듀서를 이용하여 강철 원형봉에 대한 장거리 비접촉 결함 탐상을 실시하여 본 연구에서 제시한 자기변형 트랜스듀서를 이용한 비파괴 검사 기법이 실제 운전 조건과 유사한 상황에서도 유용하게 적용 가능하다는 것을 확인할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예(제1 실시예)에 따른 자기변형 트랜스듀서(100) 의 구성을 나타낸 도면이다. 자기변형 트랜스듀서(100)는 자기변형 부재(110)와, 영구 자석(120)과, 댐핑재(damper, 130)와, 접합 요소(140)와, 송수신 코일(150), 및 결합 수단(160)을 포함하여 구성될 수 있다.
자기변형 부재(110)는, 내부에 자기장이 가해지면 길이의 변화를 나타내는 물질로 이루어진 부재이다. 어떠한 물체가 자기장 내에 놓일 때, 그 물체의 크기가 변화하게 된다. 이것을 자기변형(磁氣變形; magnetostriction) 현상이라고 한다. 또한, 자기변형 현상의 역현상으로서 응력에 의해 변형이 생기는 경우에 강자성체 내부의 자기장에 변동이 생기는 현상을 역 자기변형 현상이라고 한다.
강철이나 니켈 등의 강자성 물질의 자기변형률이 매우 작아서 실제 응용하기에 곤란하다는 단점을 극복하기 위한 방안으로, Clark 등은 희토류 금속인 Dysprosium(Dy)과 Terbium(Tb) 등의 원소가 압전 세라믹보다 훨씬 큰 변형률을 갖고 있음에 착안하여 이 두 가지 원소를 적절한 비율로 혼합하고 철과 합금하여 비교적 낮은 자기장에서도 1500 ppm 이상의 거대한 자기변형을 일으키는 거대 자기변형 합금(Giant Magnetostrictive Alloy: GMA)을 개발하였다. 이중에서 특히 TbxDy1-xFey(x=0.27~0.3, y=1.9~2.0)의 물질을 터페놀-D(Terfenol-D)라고 한다.
터페놀-D의 자기장-자기변형률 곡선은 도 2와 같으며 터페놀-D는 자기변형률이 니켈의 50여배, 압전세라믹의 변형률의 10여배 정도로 매우 크고, 단위 체적당 에너지 밀도가 높아 큰 힘을 낼 수 있으며 응답 속도가 빠른 장점을 지니고 있다. 따라서, 본 발명에서는 자기변형 부재(110)로서 터페놀-D를 사용하기로 한다.
자기변형 부재(110)는 원기둥 형상을 가지고 있으며, 자기장이 인가되면 주로 길이 방향의 변위를 발생시킨다. 자기변형 부재(110)는 후술하는 접합 요소(140)의 구비된 원통 홀 형상의 수용 부재(142)에 끼워져서 에폭시 수지 등에 의하여 접착된다.
영구 자석(120)은, 자기변형 부재(110)의 길이방향 일측에 소정의 이격을 두고 고정되는데, 자기변형 부재와 동일한 단면 형상을 가질 수 있다. 이러한 영구 자석(120)은 자기변형 부재(110)에 바이어스 자기장을 형성시켜 자기변형 부재(110)에 미리 소정의 변위가 발생하도록 한다.
이렇게 하면 가해진 바이어스 자기장의 크기에 따라 미리 자기변형 부재(110)가 팽창하여 어느 작동점에 위치하게 되고 그 점을 기준으로 자기장의 크기가 감소할 때에는 수축을 일으키는 것처럼 행동하게 된다. 또한 적절한 바이어스 자기장을 인가함으로써 자기장에 대해 선형적인 거동을 얻을 수 있다는 점도 중요하다. 영구 자석(120)의 재질로는 Nd(Neodymium Magnet)을 사용할 수 있다.
댐핑재(130)는, 자기변형 부재(110)와, 영구 자석(120) 간에 소정의 이격을 유지하며 양자를 접착에 의하여 고정하며, 가변 전류에 의한 가진을 중단한 후에 잔존하는 자기변형 부재(110)의 진동을 감쇄시킨다. 다만, 댐핑재(130)가 공기와 유사한 음향 임피던스를 갖는 폴리스티렌으로 이루어지는 경우에는 Air-backing으로 간주될 수 있다. 댐핑재(130)는 자기변형 부재(110) 및 영구 자석(120)과 동일한 단면 형상을 가질 수 있다.
접합 요소(140)는, 자기변형 부재(110)의 변위 진동을 검사 대상물(90)에 전 달하고, 검사 대상물(90)에서 반향되는 진동을 자기변형 부재(110)에 전달하는 매개체 역할을 하는 접촉 부재(141)과, 자기변형 부재(110)를 수용할 수 있도록 자기변형 부재와 동일한 단면의 내경을 갖는 수용 부재(142)를 포함하여 구성될 수 있다. 접촉 부재(141)는 자기변형 부재(110)를 보호하고, 적절한 음향 임피던스 매칭(acoustic impedance matching)이 이루어지도록 한다. 이를 위하여 접촉 부재(141)의 두께는 공진주파수에서의 파장의 1/4이 되도록 할 수 있다. 이렇게 하면, 접촉 부재(141)의 외면에서 반사되는 파형과 상쇄되어 가장 효율적인 파동에너지의 전달이 가능하게 된다.
접촉 부재(141)와 수용 부재(142)는 동일한 재질로 일체형으로 형성되어 있다. 접합 요소(140)의 재질은 자기변형 부재(110)와 검사 대상물(90)인 강철봉의 음향 임피던스를 고려하여 아크릴 합성수지의 일종인 Acrylite GP를 사용하기로 한다.
자기변형 트랜스듀서(100)를 이루는 물질은 자기변형 부재(110)와 영구자석(120)을 제외하고는 비자성체로 선정하여 자기장 해석이 용이하도록 한다.
본 발명에서 사용하는 터페놀-D 소자와, Acrylite GP와, 강철봉에 사용된 강재와, 영구 자석에 사용되는 재질에 대한 물성치는 다음의 표 1에서 나타내는 바와 같다.
[표 1]
터페놀-D Acrylite GP 강재(Steel) 영구 자석(Neodymium)
탄성계수 E (GPa) 50 2.8 500 186
밀도(kg/m3) 9021.4 1190 7800 7481
포와송비 0.3 0.3 0.3 -
상대투자율 3.007 1 2000～5000 1.08
막대에서의 종파의 전파속도 CB(km/s) 2354 1534 5064 -
무한공간에서의 종파의 전파속도 CL(km/s) 2731 1780 5875 -
음향 임피던스 Z (kg/m2s) 2.114E7 1.825E6 4.583E7 -
57.9 kHz의 주파수를 갖는 파동의 파장 (mm) 40.66 (CB) 30.74 (CL) 87.46 (CB) -
송수신 코일(150)은, 가변 전류를 흘려서 자기변형 부재(110)의 내부에 가변 자기장이 발생하도록 하여 자기변형 부재(110)에 초음파 진동을 발생시키고, 상기 발생된 진동에 따라서 검사 대상물(90)로부터 반향 되는 진동에 의하여 자기변형 부재(110)가 변형을 일으키는 경우에는 이 변형으로 인하여 전류(이하 유도 전류라고 함)가 흐르게 된다. 송수신 코일(150)은 회전축(90) 및 자기변형 부재(110)가 회전할 때에도 고정되어 있어야 하므로 접합 요소(140) 중 수용 부재(142)의 외경 보다 소정의 간격만큼 이격을 두고 동심원으로 형성되도록 한다. 이를 위하여 송수신 코일(150)은 내경이 수용 부재(142)의 외경보다 큰 원통형 형상을 갖는 송수신 코일 보빈(bobbin, 155)에 감겨진다.
송수신 코일(150)은 이와 같이, 회전축의 비접촉 탐상이 필요한 경우는 별도의 보빈을 마련해서 보빈에 코일을 감고 그 보빈을 트랜스듀서 바깥에 끼우는 형태로 위치시킬 수 있도록 할 수 있지만, 비접촉 탐상이 필요하지 않을 경우에는 수용 부재(142)의 외경에 직접 감을 수도 있다.
결합 수단(160)은, 접합 요소(140)의 접촉 부재(141)와 검사 대상물(90)이 접촉하여 고정될 수 있도록 체결한다. 결합 수단(160)은 원통형 형상을 가지며, 그 내경이 접촉 부재(141)의 외경 및 검사 대상물(90)의 외경과 거의 같도록 설계된다. 만약, 접촉 부재(141)와 검사 대상물(90)의 외경이 다른 경우에는 결합 수단(160)의 양 단의 내경은 수용될 물체의 외경의 크기에 따라서 다른 크기를 가질 수도 있다. 결합 수단(160)의 외경 원주를 따라 소정 간격으로, 두께 방향을 관통하는 제1 나사 구멍(161a, 161b 등) 및 제2 나사 구멍(162a, 162b, 등)이 2열로 구비되어 있다. 제1 나사 구멍(161a, 161b 등)은 접촉 부재(141)를 수용하여 나사 체결하기 위한 것이고, 제2 나사 구멍(162a, 162b 등)은 검사 대상물(90)과 나사 체결하기 위한 것이다.
도 3은 회전하는 자기변형 부재(110)에 구동 전류에 의한 가변 자기장을 형성하는 초기 과정을 설명하는 도면이다. 검사 대상물(90)이 회전하면 이와 결합 수단(160)에 의하여 접촉 고정된 접합 요소(140)가 회전하게 된다. 그리고, 접합 요소(140)의 수용 부재(142)내에 접착된 자기변형 부재(110) 및, 댐핑재(130), 그리고 영구 자석(120)도 같이 회전하게 된다.
그 후, 송수신 코일 보빈(155)을 고정하고 있는 보빈 지지대(80)가 검사 대상물(90)의 축방향으로 접근하게 되면 도 4와 같이 자기변형 부재(110)을 송수신 코일(150)이 외부에서 솔레노이드 형태로 감싸게 되고, 이후에 송수신 코일(150)에 가변 전류를 흘리면 자기변형 부재(110)에 가변 자기장이 형성되는 것이다.
이와 같이, 먼저 회전축(90), 이와 결합된 접합 요소(140), 및 자기변형 부재(110)가 회전하고 있는 중에 송수신 코일(150)이 접합 요소(140) 중 수용 부재(142)의 외경을 감싸도록 송수신 코일(150)을 삽입할 수 있지만, 처음부터 송수신 코일(150)이 삽입된 상태에서 회전축(90), 이와 결합된 접합 요소(140), 및 자기변형 부재(110)가 회전하도록 할 수도 있다.
도 5는 자기변형 트랜스듀서(100)의 단면도이다. 도 4에서는 댐핑재(130)이 수용 부재(142)의 외부로 드러나 있는 경우를 나타내었지만, 댐핑재(130)는 자기변형 부재(110)의 길이와 수용 부재(142)의 길이에 따라서 도 5와 같이 수용 부재(142)의 내부에 수용될 수도 있다.
이와 같이, 접합 요소(140) 중 수용 부재(142)의 외경과 송수신 코일(150) 간에는 소정의 이격이 존재하여, 자기변형 트랜스듀서(100)의 나머지 구성 요소들(110, 120, 130, 140, 160)이 회전하더라도 송수신 코일(15)은 고정 부착될 수 있다. 자기변형 부재(110)는 접합 요소(140)의 접촉 부재(141)의 일면과 밀착되어 있고, 검사 대상물(90)은 접촉 부재(141)의 다른 면과 밀착되어 있으므로, 자기변형 부재(110)와 검사 대상물(90) 간에 가변 변위, 즉 진동을 전달할 수가 있는 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예(제2 실시예)에 따른 자기변형 트랜스듀서(200)의 구성을 나타낸 도면이다. 자기변형 트랜스듀서(200)는 제1 실시예와는 달리 영구 자석(120)이 존재하지 않는다. 대신에 고정된 바이어스 자기장을 가하는 다른 방법으로서, 직류 전류를 흐르게 하는 바이어스 코일(170) 및 바이어스 코일(170)이 감겨지며 내경에 송수신 코일 보빈(155)의 외경을 수용할 수 있는 바이어스 코일 보빈(175)를 더 구비한다. 제2 실시예에서는 보빈 지지대(80)가 송수신 코일 보빈(155)을 고정하는 것이 아니라, 바이어스 코일 보빈(175)를 고정하게 된다. 그리고, 송수신 코일 보빈(155)은 바이어스 코일 보빈(175)의 내경 내에서 고정된다.
이와 같이, 바이어스 코일(170)을 이용하여 자기장을 인가하면, 영구 자석(120)을 이용하는 경우보다 상대적으로 균일한 바이어스 자기장을 자기변형 부재(110)에 인가할 수 있다.
도 7은 제2 실시예에 따른 자기변형 트랜스듀서(200)의 단면도이다. 도 7은 도 5와 달리 송수신 코일(150)이 감겨진 외부로 바이어스 코일(170)이 감겨져 있다. 바이어스 전류는 구동 전류에 비하여 훨씬 큰 값을 가지므로 상대적으로 바이어스 코일(170)의 단면적이 더 큰 것을 사용하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되지는 않는다.
도 8은 자기변형 트랜스듀서(200)와, 검사 대상물 즉 회전축(90)과, 트랜스듀서(200)를 제어/측정하는 장치를 포함하는 전체 시스템의 개략도를 나타낸 도면이다.
상기 시스템은 자기변형 트랜스듀서(200)와 임의의 위치에 크랙(crack, 91)을 가질 수 있는 회전축(90)과, 회전축(90)의 회전을 가이드하고 축에 수직 방향 힘을 지지하는 베어링들과, 전기 장치들(10, 20, 30, 40, 50)을 포함하여 구성될 수 있다.
함수 발생기(function generator; 20)는 사용자가 원하는 형태의 파형(waveform)을 생성한다. 생성된 파형은 오실로스코프(10)와, 초음파 장치(30)로 입력된다. 오실로스코프(oscilloscope)는 상기 생성된 파형을 사용자에게 디스플레이 함으로써 사용자가 파형을 확인할 수 있도록 한다. 그리고, 초음파 장치(30)에 의하여 실제로 가진되는 전류의 파형을 전류 측정용 프로브(probe)를 사용하여 확인할 수도 있다.
초음파 장치(30)는 자기변형 트랜스듀서(200)와 연결되며 트랜스듀서(200)에 구동 전류, 예를 들어 톤 버스트(tone-burst) 신호를 인가하여 유도 초음파를 발생시킨다. 이와 같이 유도 초음파를 발생시킬 때, 초음파 장치(30)은 오실로스코프(10) 및 함수 발생기(20)와 동기를 맞추기 위하여 이들 장치(10, 20)에 트리거 신호(trigger signal)를 보낸다. 즉, 매번 톤 버스트 신호를 인가할 때마다 초음파 장치(30)에서 트리거 신호를 발생하여 함수 발생기(20)와 오실로스코프의 동작이 동기화되도록 하였으며, 또한 초음파 장치(30)은 회전축(90)의 크랙(91), 또는 지지부(브레이크, 풀리 등), 회전축(90)의 말단 등에서 돌아오는 반사파에 의해 유도되는 전압 신호를 수신하고 이를 증폭한다.
이와 같이 수신되어 증폭된 전압 신호는 오실로스코프(10)로 입력됨으로써 그 파형을 사용자가 확인할 수 있다. 오실로스코프에 입력된 신호는 컴퓨터(50)로 전송되어 신호처리 과정을 거칠 수 있다.
한편, 직류 전원 공급기(40)는 트랜스듀서(200)의 바이어스 코일(170)에 바이어스 전류를 흘림으로써 트랜스듀서(200)에 바이어스 자기장을 형성시킨다. 만약, 제1 실시예에서와 같이 영구 자석(120) 방식의 트랜스듀서(100)를 사용한다면, 직류 전원 공급기(40)는 생략되어야 할 것이다.
컴퓨터(50)는 사용자의 명령에 따라 다른 전기 장치(10, 20, 30, 40)를 제어 하고, 오실로스코프(10)로부터 저장된 신호 파형을 전송 받아 이를 분석한다.
본 발명의 실시예에서 초음파 장치(30)로는 Ritec 社(Ritec Inc.)의 'RAM-5000'을 사용하였다. RAM-5000은 수퍼 헤테로다인(super heterodyne) 방식의 범용 고출력 초음파 장치로서 그 주요 제원은 표 2에 나타내는 바와 같다.
[표 2]
항목 제원
주파수 대역 20 kHz ~ 20 MHz
최대 출력 5 kW
정규 출력 임피던스 50 Ω
수신부 입력 임피던스 50 Ω
수신부 출력 임피던스 50 Ω
최대 펄스 폭 200 μsec
수신부 증폭 이득 20 dB ~ 100 dB
한편 이하에서는, 본 발명에 따른 자기변형 트랜스듀서(100, 200)를 이용한 비접촉 탐상을 실시하기 위하여 필요한 파라미터들을 결정하는 과정에 관하여 상세히 설명한다. 이하에서는 초음파 장치(30)에서 가진하는 초음파의 모드 및 주파수를 선정하는 방법과, 가진 유도 초음파의 파형을 선정하는 방법과, 접합 요소 및 트랜스듀서의 규격 선정하는 방법과, 댐핑재의 형태 및 부착 위치를 선정하는 과정에 대하여 설명하고, 마지막으로 이러한 환경에서 비접촉 장거리 결함 탐상 실험을 한 결과에 대하여 설명한다.
가진 유도 초음파의 모드 및 주파수 선정
본 발명에서 대상으로 하고 있는 원형축의 재료인 강철봉(지름 20mm)의 물성치를 이용하여, 길이 방향으로 전파하는 유도 초음파 중에서 종파와 굽힘파에 대하여, 500 kHz 이하의 주파수에 따른 군 속도(group velocity)를 구하여 도시하면 각 각 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같다. 즉, 도 9는 종파의 군 속도 곡선을, 도 10은 굽힘파의 군 속도 곡선을 나타낸 것이다.
군 속도 분산 곡선인 도 9와 도 10을 살펴보면, 60 kHz 미만의 영역의 L(0,1) 모드와 250 kHz 부근의 L(0,2) 모드가 각각 해당 주파수에서 가장 속도가 빠르며 실질적으로 비분산에 가까운 거동을 보여주고 있다. 그러나, L(0,2) 모드의 경우는 단면에서의 변위 분포가 같은 방향이 아니어서 결함의 장거리 탐상에 적절하지 않으며, 본 연구에서 제작하고자 하는 트랜스듀서로 가진하기 곤란하다고 사료된다. 따라서 단면에서의 변위 분포가 균일한 L(0,1) 모드를 선택하도록 하고, 주파수 영역은 60 kHz 부근으로 선정하였다.
유도 초음파의 가진(加振) 방식 선정
특정 주파수 대역의 유도 초음파를 가진하기 위해서 필요한 방법에 대해서 살펴본다. 통상 압전 소자를 이용한 초음파 탐촉자는 짧은 시간동안 높은 전압을 갖는 스파이크(spike) 형태의 파형을 가하여 넓은 영역의 주파수를 동시에 가진하는 방법을 일반적으로 사용하고 있다. 이 방법은 상대적으로 고주파 영역의 고유진동수를 갖는 피에조 소자를 짧은 시간동안 가진하므로 시간 영역의 분해능이 좋다는 장점이 있다.
또한 특정한 주파수의 파형을 연속적으로 인가하는 가진 방법도 있는데 이는 두께 측정 등의 특수한 경우에 사용되며, 큰 동력이 필요한 초음파 세척기나 용접기, 각종 공구의 진동 소자를 구동할 때 사용되는 방법이다. 연속 가진방법은 시간 영역의 분해능은 낮으나 주파수 영역에서의 특성이 좋다는 것이 장점이라고 할 수 있다.
본 발명에서는 두 가지 방법의 장점을 절충한 톤 버스트(tone-burst) 가진 방법을 사용하도록 한다. 톤 버스트 가진 방법은 도 11의 예(4주기 사인파)와 같이 사인 함수 몇 주기만을 한정된 시간 동안만 인가하는 방법으로서 시간 영역의 분해능과 주파수 영역의 분해능을 모두 향상시키고자 할 때 사용된다.
본 발명에서 목적하고 있는 장거리 유도 초음파 탐상에서는 결함으로부터의 반사 신호의 도달 시간을 측정하여 결함의 위치를 추정해야 하므로 시간 영역의 분해능이 좋아야 할뿐만 아니라, 60 kHz 부근의 L(0,1) 모드를 집중적으로 가진하고자 하므로 주파수 영역의 분해능 또한 높아야 할 필요가 있다는 것이다.
접합 요소(140) 및 트랜스듀서(100, 200)의 규격 선정
통상 초음파 트랜스듀서는 공진을 이용하는가에 따라 협대역(narrow-band) 트랜스듀서와 광대역(wide-band) 트랜스듀서로 나눌 수 있다. 광대역 트랜스듀서는 공진을 피해서 고유진동수 보다 낮은 영역의 신호를 측정하는데 주로 사용되는데 이는 가속도계와 같이 측정 대상의 거동을 넓은 주파수 영역에 대해서 전체적으로 파악하는 것이 주요한 목표일 경우 적당하다.
그에 반해 협대역 트랜스듀서는 능동 소자의 고유진동수와 구동 주파수를 일치시켜서 능동 소자의 공진을 이용함으로써 상대적으로 적은 에너지로도 높은 강도의 초음파를 발생시킬 수 있는 장점이 있으며, 트랜스듀서의 특정한 주파수 대역에 해당하는 초음파 펄스를 송수신하는데 높은 효율을 보여 주고 있다. 본 발명의 목표는 철제 원형봉의 미소 균열을 탐상하는 것이므로 감도를 높일 수 있는 방식인 터페놀-D 소자의 공진을 이용한 협대역 트랜스듀서를 설계하도록 하였다.
초음파 트랜스듀서의 설계에서 가장 선행되어야 하는 것은 공진주파수와 관련 있는 능동 소자의 길이이다. 전술한 바와 같이 구동 주파수 60 kHz 미만의 저주파 대역의 트랜스듀서를 제작하기 위해 터페놀-D 소자의 길이를 먼저 정해야 한다.
초음파 트랜스듀서의 능동 소자의 길이(l)가 초음파 파장(λ)의 1/2에 해당하는 경우, 길이방향의 공진주파수와 생성하고자 하는 초음파의 주파수가 일치하여 가장 효율적인 동작이 가능하다는 것이 알려져 있다. 즉, 공진주파수를 f 0 라고 하고 터페놀-D 소자의 종파의 전파속도를 c T , 공진 주파수에 해당하는 파장을 λ T 라고 하면 터페놀-D 소자의 길이(l)는 다음의 수학식 1과 같이 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112004036959190-PAT00001
이때, 터페놀-D의 탄성계수 E T 와 질량밀도 ρ T 와 막대에서의 종파의 전달속도 c T 의 관계를 수학식 1에 대입하면 다음의 수학식 2와 같다.
[수학식 2]
Figure 112004036959190-PAT00002
수학식 2를 이용하면, 공진주파수 58.86 kHz일 때, 터페놀-D 소자의 길이는 20 mm가 된다.
또한 터페놀-D 소자를 보호하고, 적절한 음향 임피던스 정합(acoustic impedance matching)을 위해서는 터페놀-D 소자와 철봉 사이에 접촉 부재(141)가 필요하며, 접촉 부재(141)의 재질은 상술한 바와 같이Acrylite GP를 사용한다. 접촉 부재(141)부의 두께는 공진주파수 f0에 해당하는 파장 λA의 1/4이 될 때 접촉부의 외면에서 반사되는 파형과 상쇄되어 가장 효율적인 파동에너지의 전달이 가능하다.
이때, 접촉 부재(141) 의 두께tA는 파장 λA에 비해 상대적으로 얇으므로 무한공간에서 전달되는 종파의 속도 관계를 이용한다. Acrylite GP의 종파의 전달속도 CA를 탄성계수 EA, 밀도 ρA, 프와송 비 νA로 나타내면 다음의 수학식 3과 같다.
[수학식 3]
Figure 112004036959190-PAT00003
이때 접촉부의 두께 tA와 파장 λA의 관계는 다음의 수학식 4와 같다.
[수학식 4]
Figure 112004036959190-PAT00004
수학식 4에 물성치를 대입하여 계산하여 Acrylite GP로 이루어진 접촉부의 두께를 구하면 7.7 mm가 된다.
본 발명에서, 자기변형 트랜스듀서(100)의 능동소자인 터페놀-D소자의 지름 은 10 mm로 선택하였으며, 보다 정확한 해석을 위하여 3차원 유한요소 해석 기법을 도입하였다. 수학식 1 내지 수학식 4에서 설명한 1차원 해석은 파동의 변위 방향인 축방향으로의 운동만을 고려한 것이며 이는 능동소자의 형상이 두께에 비해 반경이 상당히 커서 평판으로 간주할 수 있는 형상에는 타당하지만, 본 연구와 같이 지름이 10 mm이며 길이가 20 mm인 원통 형상에도 적용 가능한지 확인하기 위하여 유한요소법을 이용하여 3차원 해석을 수행하였다.
자기변형 트랜스듀서의 접촉부의 지름은 시편의 지름인 20 mm와 동일하게 20 mm로 설정하였으며 두께는 전술한 바와 같이 파장의 1/4인 7.7 mm로 하였다. 케이스의 두께는 강도와 감쇄를 고려하여 2 mm로 설정하였으며, 따라서 케이스의 내경은 10 mm, 외경은 14 mm이다. 본 발명의 실시예에서 사용한 접합 요소(140)의 규격은 도 12에 나타낸 바와 같다.
터페놀-D 소자와 접촉부의 동적 거동을 확인하기 위해서 터페놀-D 소자를 별도로 해석한 경우와 접촉부를 결합하여 해석한 경우에 대해서 비교 검토한 결과는 표 3과 같이 정리된다.
[표 3]
해석 방법 고유진동수 (kHz)
터페놀-D 소자의 1차원 해석 58.86
터페놀-D 소자의 축대칭 유한요소 해석 57.97
터페놀-D 소자의 3차원 유한요소 해석 57.94
트랜스듀서의 3차원 유한요소 해석 (영구자석 제외) 54.58
트랜스듀서의 3차원 유한요소 해석 (영구자석 포함) 55.73
표 3에서 보는 바와 같이, 첫 번째의 축방향 고유모드와 그에 해당하는 고유진동수의 값이 1차원 해석결과와 큰 차이가 없음을 확인하였다. 또한 영구자석은 역학적 거동에 거의 영향을 미치지 않음을 확인할 수 있다. 이는 영구 자석(120)의 수량을 변화시켜 측정할 경우에도 영구 자석(120)의 질량이 증가함에 따른 고유진동수의 변화는 무시할 수 있음을 보여준다. 본 발명에서는 터페놀-D 소자의 3차원 유한요소 해석을 기준으로 고유진동수 57.9 kHz를 구동 주파수로 선정한다.
댐핑재의 형태 및 부착 위치 선정
대부분의 초음파 트랜스듀서는 능동 소자에 전기, 자기적 자극을 가하여 기계적 진동을 발생시켜 파동을 인접 매질로 전파한다. 초음파 탐상을 위해서는 전자기적 자극을 중지한 후 결함으로부터 돌아오는 반사 신호를 수신하기 위해서는 잔여 진동을 적절히 감쇄시킬 필요가 있다. 그러나 능동 소자의 진동은 즉시 소멸되지 않고 관성에 의해 고유진동수에 해당하는 주파수의 진동이 계속되는 경향이 있다. 이러한 잔여 진동은 트랜스듀서에서 가까운 거리에서 돌아오는 반사 신호를 판별할 수 없도록 방해하거나, 연속되는 두 개의 펄스의 판별을 곤란하게 하는 부작용이 있다. 이러한 잔여 진동을 최소화하기 위해서 적절한 음향 임피던스를 가지면서 감쇄계수가 높은 댐핑재(130)를 부착하여 펄스의 지속시간을 줄이는 것이 필요하다.
본 실험에서는 자기변형 트랜스듀서(100)의 각 부분에 합성고무를 부착하여 가장 효율적인 댐핑재(130)의 부착위치를 찾아보고 그 효과를 평가한다. 도 13 에 트랜스듀서(100)의 각 부분에 합성고무 댐핑재(130)의 부착한 위치를 도시하였으며 각각의 경우에 대한 실험 결과는 도 14 및 도 15에 나타난다. 본 실험을 위하여 지름 10 mm, 길이 10 mm의 영구자석을 이용하여 바이어스 자기장을 인가하고, 감은 횟수 50회의 송수신 코일에 6.63 A (최대와 최소의 차이 값)의 57.9 kHz Gabor 함수 또는 6.0 A의 사인 2주기 톤 버스트 함수의 구동 전류를 인가한다.
각각의 경우에 대하여 지름 20 mm, 길이 4 m의 강철봉의 말단 반사 신호의 크기를 측정하여 상대 민감도와 펄스의 지속시간을 계산하여 도 14와 도 15에서 비교한다. 두 가지 구동 자기장의 파형에 대해서 그 경향이 유사함을 알 수 있다. 상대 민감도는 case 3, 5, 6에서 크게 낮아졌는데 이는 댐핑 재료를 직접 터페놀-D 소자에 부착한 경우이며 이때 터페놀-D 소자의 잔여 진동을 가장 효율적으로 흡수한다는 것을 확인할 수 있다. 또한 펄스 지속시간은 case 3이 가장 짧았으며 case 5와 6도 상당히 짧아졌음을 알 수 있다. 이는 펄스의 파형의 잔여 진동 부분이 보다 빨리 감쇄되어 사라진다는 것을 의미한다.  접촉부의 외부에 댐핑재(130)를 부착한 경우인 case 2는 댐핑 재료를 부착하지 않은 경우인 case 1보다 펄스 지속시간이 오히려 늘어났는데 이는 펄스의 출력 전압이 낮아졌기 때문이다.
실제 결함 탐상을 수행하고자 하는 경우, 잔여 진동이 없는 깨끗한 파형을 얻는 것이 더욱 중요하다고 가정하고, 도 14와 도15의 결과를 종합해 보면 case 3 또는 case 5가 가장 적절한 위치라고 볼 수 있다. 실험에서는 터페놀-D 소자의 불필요한 진동을 억제함으로써 자기변형 트랜스듀서의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인함으로써 댐핑재(130)가 필요함을 알 수 있는데, 이에 의거하여 본 발명의 제1 실시예에서는 case 3과 같은 댐핑재를 사용하였다.
비접촉 장거리 결함 탐상 실험
본 발명에서 제작된 자기변형 트랜스듀서의 비접촉 장거리 결함 탐상 특성을 확인하기 위해서 회전축에 인공적인 결함을 만들고 회전하는 상태에서 초음파를 송수신하는 실험을 수행한다. 터페놀-D 소자와, 바이어스용 영구자석 등으로 구성된 본체는 회전축의 말단에 부착되어 회전축과 함께 회전하게 되며 송수신 코일은 본체와 비접촉 상태를 유지할 수 있도록 한다.
본 실험에서는 지름 20 mm, 길이 4m의 강철(S45C) 회전축에 자기변형 트랜스듀서로부터 2810 mm 떨어진 위치에 단면손실 12%의 인공 결함을 갖도록 가공하였으며 반대쪽 말단에서 풀리와 V-벨트를 이용하여 615 RPM의 속도로 회전하도록 장치하였다. 회전축은 베어링(UC204)을 이용하여 지지하고 트랜스듀서로부터 2080 mm 위치에 브레이크를 설치하여 비틀림 부하를 지지하면서 회전하도록 한다. 회전축의 개략도는 도 16에, 측정된 신호 및 시간-주파수 분석결과는 도 17에 도시하였다.
도 17의 결과를 보면, 브레이크(brake)나 풀리(pulley 또는 말단)에 의하여 나타나는 반향 신호(echo signal)와 크랙(crack)에 의한 반향 신호는 확연히 구별될 수 있으며, 크랙에 의한 반향 신호가 상대적으로 작은 진폭으로 나타남을 알 수 있다.
이외에도, 실제적인 상황을 고려하여, 회전축에 비틀림 부하가 작용하는 경우, 발전기 터빈축과 같이 단 가공이 되어 회전축의 지름이 바뀌는 경우, 회전축에 편심 질량에 의하여 횡방향 진동이 발생하는 경우에 대해서도 실험을 수행하여 전체적인 탐상이 가능함을 알 수 있었다. 또한, 탐상하고자 하는 부재가 직선이 아니 고 굴곡부를 가지는 경우에도, 전체적인 탐상이 가능하였다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
본 발명에 따르면, 회전축에 결함이 존재하는지 여부를 정확하게 감지할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 터페놀-D 소자를 이용한 자기변형 트랜스듀서를 설계함에 있어 영향을 미치는 다양한 파라미터를 적절하게 결정할 수 있다.

Claims (3)

  1. 내부에 자기장이 가해지면 길이의 변화를 나타내는 자기변형 부재;
    자기변형 부재의 길이방향 일측에 소정의 이격을 두고 고정되고, 자기변형 부재와 동일한 단면 형상을 가지며, 상기 자기변형 부재에 바이어스 자기장을 형성시켜 상기 자기변형 부재에 미리 소정의 자기 변위가 발생하도록 하는 영구 자석;
    상기 자기변형 부재와 상기 영구 자석 간에 소정의 이격을 유지하며 양자를 접착에 의하여 고정하며, 가변 전류에 의한 가진을 중단한 후에도 잔존하는 상기 자기변형 부재의 진동을 감쇄시키는 댐핑재;
    상기 자기변형 부재의 변위 진동을 검사 대상인 회전축에 전달하고, 상기 회전축에서 반향되는 진동을 상기 자기변형 부재에 전달하는 매개체 역할을 하며, 상기 자기변형 부재를 보호하고, 음향 임피던스 매칭이 이루어지도록 하는 접촉 부재와, 상기 자기변형 부재를 수용할 수 있도록 자기변형 부재와 동일한 단면의 내경을 갖는 수용 부재를 포함하는 접합 요소;
    가변 전류가 흐르게 하여 상기 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장이 발생하도록 하고, 상기 반향되는 진동으로 인하여 자기변형 부재가 변형을 일으키는 경우에는 유도 전류가 흐르게 되며, 상기 수용 부재의 외경 보다 소정의 간격만큼 이격을 두고 동심원으로 형성되는 송수신 코일;
    내경이 상기 접촉 부재의 외경 및 상기 회전축의 외경과 실질적으로 같도록 형성되며, 상기 접촉 부재와 상기 회전축이 접촉하여 고정될 수 있도록 체결하여 상기 회전축이 회전할 때 상기 접합 요소도 함께 회전하도록 하는 결합 수단; 및
    상기 송수신 코일에 가변 전류를 흘림으로써 상기 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장을 발생시키고, 상기 유도 전류를 감지하여 상기 회전축의 결함을 찾아내는 전기 장치를 포함하며,
    상기 자기변형 부재의 재질로는 터페놀-D 소자를 사용하고, 회전축의 결함 탐상시에는 상기 자기변형 부재, 상기 영구 자석, 상기 댐핑재, 및 상기 매칭요소가 상기 회전축과 함께 회전하고 상기 송수신 코일은 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 회전축의 결함 탐상을 위한 자기변형 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기 장치는
    사용자가 원하는 파형을 생성하는 함수 발생기;
    상기 생성된 파형을 사용자에게 디스플레이함으로써 사용자가 파형을 확인할 수 있도록 하는 오실로스코프;
    상기 송수신 코일과 연결되어 상기 송수신 코일에 톤 버스트 타입의 가변 전류를 인가하여 유도 초음파를 발생시키고, 상기 톤 버스트 타입의 가변 전류신호를 인가할 때마다 트리거 신호를 상기 함수 발생기와 상기 오실로스코프에 전달하여 신호를 동기화하며, 상기 유도 전류를 수신하여 이를 증폭하는 초음파 장치; 및
    사용자의 명령에 따라 상기 함수 발생기와, 상기 오실로스코프와, 상기 초음파 장치를 제어하고, 상기 오실로스코프로부터 저장된 신호 파형을 전송 받아 이를 분석하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전축의 결함 탐상을 위한 자기 변형 트랜스듀서.
  3. 내부에 자기장이 가해지면 길이의 변화를 나타내는 자기변형 부재;
    상기 자기변형 부재의 일측에 접착되며, 가변 전류에 의한 가진을 중단한 후에도 잔존하는 상기 자기변형 부재의 진동을 감쇄시키는 댐핑재;
    상기 자기변형 부재의 변위 진동을 검사 대상인 회전축에 전달하고, 상기 회전축에서 반향되는 진동을 상기 자기변형 부재에 전달하는 매개체 역할을 하며, 상기 자기변형 부재를 보호하고, 음향 임피던스 매칭이 이루어지도록 하는 접촉 부재와, 상기 자기변형 부재를 수용할 수 있도록 자기변형 부재와 동일한 단면의 내경을 갖는 수용 부재를 포함하는 접합 요소;
    가변 전류가 흐르게 하여 상기 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장이 발생하도록 하고, 상기 반향되는 진동으로 인하여 자기변형 부재가 변형을 일으키는 경우에는 유도 전류가 흐르게 되며, 상기 수용 부재의 외경 보다 소정의 간격만큼 이격을 두고 동심원으로 형성되는 송수신 코일;
    상기 송수신 코일의 외측에 동심원 형태로 구비되고, 직류 전류를 흐르게 하여 상기 자기변형 부재에 바이어스 자기장을 형성시키는 바이어스 코일;
    내경이 상기 접촉 부재의 외경 및 상기 회전축의 외경과 실질적으로 같도록 형성되며, 상기 접촉 부재와 상기 회전축이 접촉하여 고정될 수 있도록 체결하여 상기 회전축이 회전할 때 상기 접합 요소도 함께 회전하도록 하는 결합 수단; 및
    상기 송수신 코일에 가변 전류를 흘림으로써 상기 자기변형 부재의 내부에 가변 자기장을 발생시키고, 상기 유도 전류를 감지하여 상기 회전축의 결함을 찾아내는 전기 장치를 포함하며,
    상기 자기변형 부재의 재질로는 터페놀-D 소자를 사용하고, 회전축의 결함 탐상시에는 상기 자기변형 부재, 및 상기 매칭요소가 상기 회전축과 함께 회전하고 상기 송수신 코일 및 바이어스 코일은 고정되어 있는 것을 특징으로 하는, 회전축의 결함 탐상을 위한 자기변형 트랜스듀서.
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