KR20100128162A - 다중 나선형 코일과 이를 이용한 송신ｅｍａｔ 시스템과 수신ｅｍａｔ 시스템 및 송수신ｅｍａｔ 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 도선을 나선형으로 감아서 형성되고 상기 도선의 시작과 끝에 해당되는 양 터미널을 갖는 m개의 나선형 코일들을 서로 직렬 연결하여 형성되고, 상기 m개 중 제1나선형 코일의 일측 터미널과 제m나선형 코일의 타측 터미널을 최종적인 양측 터미널로 갖는 다중 나선형 코일을 제공한다.
개시된 다중 나선형 코일에 따르면, 기존의 미앤더라인 코일과는 달리 코일다리의 개수뿐만 아니라 그 감은수를 다양하게 변화시킬 수 있어 EMAT 응용을 위한 최적화된 코일의 설계 및 사용이 가능하며 초음파 송수신 효율을 개선할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 다중 나선형 코일을 이용함으로써, 초음파 송수신 효율이 우수한 송신EMAT 시스템, 수신EMAT 시스템 및 송수신EMAT 시스템의 구현이 가능하다.

Description

다중 나선형 코일과 이를 이용한 송신ＥＭＡＴ 시스템과 수신ＥＭＡＴ 시스템 및 송수신ＥＭＡＴ 시스템{Multi-spiral coil and EMAT transmitter and EMAT receiver and EMAT tranceiver using thereof}
본 발명은, 다중 나선형 코일 및 이를 이용한 송신EMAT 시스템과 수신EMAT 시스템 및 송수신EMAT 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각종 산업구조물의 초음파 비파괴 검사를 위한 전자기음향변환기(EMAT;Electro-Magnetic Acoustic Transducer)에 사용 가능한 다중 나선형 코일 및 이를 이용한 송신EMAT 시스템과 수신EMAT 시스템 및 송수신EMAT 시스템에 관한 것이다.
초음파 비파괴 검사분야에서 EMAT의 사용이 점점 증가하고 있다. 로렌츠 힘 (Lorentz force) EMAT는 도전성 물질 내에서 정자기장과 와전류(eddy current)의 간섭을 이용한 것이고, 자왜형(magnetostrictive) EMAT는 바이어스 정자기장과 동자기장의 중첩에 의한 강자성 물질의 변형을 이용한 것이다.
정자기장은 영구자석이나 전자석에 의해, 와전류와 동자기장은 라디오 주파수 대역의 교류전류펄스가 흐르는 코일, 소위 말하는 RF 코일에 의해 물질에 제공된다. 초음파는 이들 와전류와 동자기장의 스킨효과 때문에 물질의 표면 근처에서 발생되며, 그 모드는 정자기장과 와전류(혹은 동자기장)의 상대적인 방향에 의해 조정된다. 수신 과정에서 RF 코일은 초음파에 의해 물질 내에 야기되는 자속(magnetic flux) 변화를 탐지하는 역할을 담당한다.
시험물체가 도전성 물질이나 강자성 물질로 만들어진 경우, 시험물체를 EMAT의 한 요소로 사용함으로써, 다른 두 요소(코일과 자석)와 시험물체 사이의 직접적인 접촉 없이, 초음파를 시험물체 내에 발생시키고 탐지할 수 있다. 비도전성 시험물체나 비자성 시험물체의 경우에는 우수한 초음파 변환 특성을 갖는 얇은 금속 스트립을 시험물체에 일시적으로 혹은 영구적으로 접착함으로써 초음파 송수신이 가능해진다. 이 얇은 스트립 접근법은 보다 효율적인 초음파 송수신을 위해 도전성 물체와 강자성 물체에도 적용될 수 있다.
미앤더라인(meanderline) 코일은 EMAT를 위해 널리 사용되는 표면 RF 코일들 중 하나이다. 도 1은 상기 미앤더라인 코일의 한 예를 도식적으로 보여준다. 이 미앤더라인 코일은, 연속된 두 다리의 중심들 사이의 간격(b)이 일정하고 전류흐름 방향이 서로 반대인 m개의 다리 쌍으로 구성되며, 경사빔(angle beam) EMAT들에 특히 유용하다. 코일 아래에 놓이는 물체의 표면에 수직한 법선(normal line)과 빔의 주축이 이루는 예각으로 정의되는 경사각은 수학식 1에 의해 주어진다.
[수학식 1]
θ=sin-1(λ/2b)
여기서, λ는 진행하는 초음파의 파장이다. λ/2≤b≤λ 범위 내에서의 간격 b는 30°≤θ≤ 90°범위 내에서의 경사각을 얻게 한다. 특히, b=λ/2인 경우, 이 경사각은 90°가 된다. 따라서, 해당 코일은 표면파나 도파의 송수신을 위해 사용될 수 있다. 간격 b는 파장에 비례하므로 주파수의 증가와 함께 작아진다. 우수한 지향성을 갖는 빔을 얻기 위해, 코일다리의 길이(l)는 그 폭(wl) 보다 훨씬 커야 한다. 이 코일에서 다리의 폭은 도선의 폭(wc)과 같다. tc는 도선의 두께를 의미한다. 코일의 전체 폭(wmc)은 다음의 수학식 2로 표현 가능하다.
[수학식 2]
wmc=(2m-1)/b+wl
일반적으로, 미앤더라인 코일의 전기 임피던스(electrical impedance)는 매우 낮다. 오늘날 쉽게 얻을 수 있는 낮은 출력임피던스를 갖는 반도체 기반 전력증폭기의 사용에 의해, 이 같은 코일은 효율적으로 구동될 수 있다.
이 코일의 초음파 수신 감도는 그 다리들의 수에 비례한다. 이 코일의 작은 감은수 때문에, 각 코일다리에서의 초음파 수신 감도는 매우 낮다. 따라서, 대부분의 실제적 응용들에서는 많은 수의 다리들을 갖는 미앤더라인 코일들이 비교적 높은 주파수(보통 수백 kHz 이상)의 초음파를 송수신하기 위해 사용되어왔다. 보다 낮은 주파수에서 이 같은 코일들의 사용은 어려운데, 이는 코일의 치수가 너무 커지기 때문이다. 허용될 수 있는 폭을 갖는 코일은 그 다리들의 수가 작아 충분히 큰 초음파변환 효율을 제공하기 어렵다. 그래서 대형구조물의 원거리초음파검사를 위해 낮은 주파수(보통100 kHz 이하)의 도파를 송수신하는 EMAT들에서는, 늘어진- 나선형(elongated-spiral)코일이나 솔레노이드(solenoid)가 주로 사용되어왔다. 이들 코일의 초음파변환효율은 보통 감은수와 함께 증가한다. 주파수가 증가함에 따라 허용될 수 있는 코일다리의 폭이 좁아지기 때문에, 감은수가 큰 코일의 사용은 어려워지고 사용될 수 있는 코일의 초음파 변환 효율은 낮아진다.
본 발명은 초음파 변환 효율을 향상시키는 EMAT용 다중 나선형 코일과 이를 이용한 송신EMAT 시스템과 수신EMAT 시스템 및 송수신EMAT 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 도선을 나선형으로 감아서 형성되고 상기 도선의 시작과 끝에 해당되는 양 터미널을 갖는 m개의 나선형 코일들을 서로 직렬 연결하여 형성되고, 상기 m개 중 제1나선형 코일의 일측 터미널과 제m나선형 코일의 타측 터미널을 최종적인 양측 터미널로 갖는 다중 나선형 코일을 제공한다.
여기서, 상기 m개의 나선형 코일의 성능은, 상기 도선의 감은수(N), 상기 도선의 두께(tc)와 폭(wc), 상기 나선형 코일의 코일다리 길이(l)와 폭(wl), 인접한 두 코일다리 사이의 중심 간 거리(b), 나선형 코일의 전체폭(Wsc)에 의해 결정될 수 있다. 또한, 상기 다중 나선형 코일의 전체폭(Wmsc)은, Wmsc = (2m-1)b+wl 로 정의될 수 있다.
그리고, 본 발명은, 상기 다중 나선형 코일을 구비한 EMAT를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 다중 나선형 코일을 이용한 송신EMAT 시스템에 관한 것으로서, 초음파 송신 기능을 수행하는 상기 다중 나선형 코일과, 상기 송신을 위 한 초음파 주파수와 파형을 조절하는 전압신호를 발생시키는 함수발생기와, 상기 함수발생기에서 발생된 전압신호를 180°위상 변환하여 출력하는 위상변환기와, 상기 함수발생기에서 발생된 전압신호가 입력단에 입력되고 출력단이 상기 다중 나선형 코일의 일측 터미널과 연결된 제1전력증폭기, 및 상기 위상변환기에서 출력된 180°위상 변환된 전압신호가 입력단에 입력되고 출력단이 상기 다중 나선형 코일의 타측 터미널과 연결된 제2전력증폭기를 포함하는 다중 나선형 코일을 이용한 송신EMAT 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 다중 나선형 코일을 이용한 수신EMAT 시스템에 관한 것으로서, 초음파 수신 기능을 수행하는 상기 다중 나선형 코일과, 상기 다중 나선형 코일의 일측 터미널에 연결된 제1전압제한회로와, 상기 제1전압제한회로의 출력단에 연결된 제1전압폴로워와, 상기 다중 나선형 코일의 타측 터미널에 연결된 제2전압제한회로와, 상기 제2전압제한회로의 출력단에 연결된 제2전압폴로워와, 상기 제1전압폴로워와 제2전압폴로워의 각 출력신호를 입력으로 하는 차동증폭기, 및 상기 차동증폭기의 출력신호를 수신하여 처리하는 신호처리부를 포함하고, 상기 다중 나선형 코일에서의 전압강하를 감소시키도록, 상기 제1전압폴로워와 제2전압폴로워의 입력임피던스가 상기 다중 나선형 코일의 임피던스보다 월등히 큰 다중 나선형 코일을 이용한 수신EMAT 시스템을 제공한다.
또한, 상기 다중 나선형 코일을 이용한 송신EMAT 시스템과 수신EMAT 시스템을 조합함에 따라, 다중 나선형 코일을 이용한 송수신EMAT 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 다중 나선형 코일에 따르면, 기존의 미앤더라인 코일과는 달리 코일다리의 개수뿐만 아니라 그 감은수를 다양하게 변화시킬 수 있어 EMAT 응용을 위한 최적화된 코일의 설계 및 사용이 가능하며 초음파 송수신 효율을 개선할 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 다중 나선형 코일을 이용함으로써, 초음파 송수신 효율이 우수한 송신EMAT 시스템, 수신EMAT 시스템 및 송수신EMAT 시스템의 구현이 가능하다.
도 1은 종래의 미앤더라인 코일의 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 나선형 코일의 평면도이다. 도 2를 참조하면, 상기 다중 나선형 코일(100)은, m개의 나선형 코일들(C1,C2,C3, ..., Cm)을 서로 직렬 연결하여 형성된 것이다. 여기서, 상기 다중 나선형 코일(100)을 구성하는 개별 나선형 코일들(C1,C2,C3, ..., Cm)은 도선을 나선형으로 감아서 형성된 것으로서, 상기 도선의 시작과 끝에 해당되는 양 터미널(a,b)을 갖는다. 이러한 다중 나선형 코일(100)은, 상기 나선형 코일들(C1,C2,C3, ..., Cm)의 터미널 간을 서로 전선(10) 등을 통해 직렬 연결하는 것에 의해, 상기 m개의 나선형 코일들 중 제1나선형 코일(C1)의 일측 터미널(a)과 제m나선형 코일(Cm)의 타측 터미널(b)을 최종적인 양측 터미널로 갖게 된다.
이상과 같이, 상기 다중 나선형 코일(100)은 도파(guided wave) EMAT 혹은 경사빔(angle beam) 체적파 (bulk wave) EMAT 등을 위한 새로운 형태의 표면 RF 코일로서, 서로 직렬 연결된 늘어진-나선형(elongated-spiral)코일들(C1,C2,C3, ..., Cm)로 형성된 다중 나선형(multi-spiral) 코일이다. 또한, 상기 다중 나선형 코일(100)은 서로 인접한 두 코일다리들 사이의 간격(b)이 일정하도록 배열된 m개의 동일한 나선형 코일들(C1,C2,C3, ..., Cm)로 구성된 것이다.
여기서, 상기 m개의 나선형 코일(C1,C2,C3, ..., Cm)의 성능은, 상기 도선의 감은수(N), 상기 도선의 두께(tc)와 폭(wc), 나선형 코일(C1,C2,C3, ..., Cm)의 코일다리 길이(l)와 폭(wl), 인접한 두 코일다리 사이의 중심 간 거리(b), 나선형 코일(C1,C2,C3, ..., Cm)의 전체폭(Wsc)에 의해 결정되고 특성화 가능하다. 도 2는 N=4인 경우의 예를 나타낸다.
상기 다중 나선형 코일(100)에 대한 전체폭(Wmsc)은, Wmsc = (2m-1)b+wl 로 정의된다. 여기서, m=1인 경우 Wmsc는 단일 나선형 코일의 폭과 같음을 알 수 있다(Wmsc=b+wl=Wsc). 감은수(N)에 기인한 차이들을 제외한다면, 이 다중 나선형 코일(100)은 도 1의 미앤더라인 코일과 본질적으로 동일함을 알 수 있다.
대부분의 EMAT 응용에서 사용되는 늘어진-나선형코일의 다리길이는 코일의 폭보다 훨씬 크다(l≫Wsc). 따라서, 이 코일의 전기적 특성에 대한 어떠한 고려에서도 코일의 두 다리를 제외한 부분들의 기여는 무시될 수 있다. 이는 다중 나선형 코일의 전기적 특성에 대한 해석적 표현을 쉽게 얻을 수 있게 하는데, 그 예로서 이 코일의 직류저항(R)은 수학식 3에 의해 예측 가능하다.
[수학식 3]
R=2ρNlm/A
여기서, ρ와 A는 상기 코일을 이루는 도선의 비저항과 단면적을 각각 나타낸다. 미앤더라인 코일의 경우와 비슷한 접근법을 따르면, 공기 중에 있는 다중나선형코일의 인덕턴스(L)는 수학식 4에 의해 근사적으로 주어짐을 알 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112009032056278-PAT00001
여기서,
Figure 112009032056278-PAT00002
는 공기의 유전율이다.
도 1에 나타내었던 미앤더라인 코일의 직류저항과 인덕턴스에 대한 근사표현은 수학식 3과 수학식 4에서 N=1을 대입하여 얻어진다. 다중 나선형 코일의 직류저항(R)은 감은수(N)와 함께 선형적으로 증가하고, 그 인덕턴스는 감은수(N)의 제곱에 비례한다. 또한, 이들 전기특성은 코일다리의 수에 비례한다.
이러한 도 2의 다중 나선형 코일(100) 또한, 도 1의 미앤더라인 코일의 경우와 같이 경사빔(angle beam) EMAT들에 유용하다. 코일 아래에 놓이는 물체의 표면에 수직한 법선(normal line)과 빔의 주축이 이루는 예각으로 정의되는 경사각은 배경기술에 설명한 바와 같이, 수학식 5에 의해 주어진다.
[수학식 5]
θ=sin-1(λ/2b)
λ는 진행하는 초음파의 파장이다. λ/2≤b≤λ 범위 내에서의 간격 b는 30°≤θ≤ 90°범위 내에서의 경사각을 얻게 한다. 특히, b=λ/2인 경우, 이 경사각은 90°가 된다. 따라서, 이러한 다중 나선형 코일(100)은 표면파나 도파의 송수신을 위해 사용될 수 있다. 간격 b는 파장에 비례하므로 주파수의 증가와 함께 작아진다.
이상과 같은 상기 다중 나선형 코일(100)은 기존의 미앤더라인 코일과는 달리, 코일다리의 개수뿐만 아니라 그 감은수도 다양하게 변화시킬 수 있는 구조를 갖는 이점이 있다. 이는 곧 각각의 EMAT 응용을 위해 최적화된 코일의 사용을 가능하게 할 것으로 기대된다. 또한, 코일다리들 사이의 간격이 일정하고 다리의 길이가 폭보다 훨씬 클 때, 다중나선형코일의 임피던스는 수학식 3 및 수학식 4로부터 쉽게 예측될 수 있다. 이 같은 예측은 최적화된 코일의 설계를 위해 매우 유용할 것이다. 또한, 이러한 다중 나선형 코일(100)을 이용한다면, 파이프라인, 저장용기, 선박 등의 대형 구조물에 대한 원거리 초음파 검사(long-range ultrasonic testing: LRUT)에 적용 가능한 시스템의 구축이 가능함은 물론이다.
도 3은 도 2의 다중 나선형 코일(100)을 이용한 송신EMAT 시스템(200)의 구성도이다. 상기 송신EMAT 시스템(200)은, 상기 다중 나선형 코일(100), 함수발생기(210), 위상변환기(220), 제1전력증폭기(230), 제2전력증폭기(240)를 포함한다.
상기 다중 나선형 코일(100)은, 상기 송신EMAT 시스템(200)에서 초음파 송신 기능을 수행한다. 상기 함수발생기(210)는, 상기 송신을 위한 초음파 주파수와 파형을 조절하는 전압신호를 발생시킨다. 상기 위상변환기(220)는, 상기 함수발생기(210)에서 발생된 전압신호를 180°위상 변환하여 출력한다.
상기 함수발생기(210)의 발생된 전압신호와, 위상변환기(220)의 발생된 180°위상 변환된 전압신호는, 동일 형태의 두 전력증폭기(230,240)로 입력된다. 이에 따라, 상기 제1전력증폭기(230)의 입력단에는 상기 함수발생기(210)에서 발생된 전압신호가 입력되고, 출력단은 동축케이블(Coaxial cable)을 통해 상기 다중 나선형 코일(100)의 일측 터미널과 연결된다. 또한, 상기 제2전력증폭기(240)의 입력단에는 상기 위상변환기(220)에서 출력된 180o 위상 변환된 전압신호가 입력되고, 출력단은 동축케이블(Coaxial cable)을 통해 상기 다중 나선형 코일(100)의 타측 터미널과 연결된다. 이상과 같이, 180o 뒤바뀐 위상을 갖는 두 전압신호에 의한 코일(100)의 구동은, 단일 전압신호에 의한 구동 시 구동신호에 이어져 나타나는 서지(surge)신호에 기인한 잡음신호의 발생을 방지할 수 있다. 그리고, 주어진 진폭의 구동신호(전압신호)에 의해 코일(100)에 흐르는 전류를 극대화하기 위하여, 직렬 동조(tuning) 축전기(235)가 코일(100)과 인접된 곳에 직렬로 위치된다. 상술한 다중 나선형 코일(100)은 각종 산업구조물의 초음파 비파괴 검사를 위한 EMAT(전자기음향변환기)에 구비되어 사용 가능하다.
오늘날 쉽게 구해질 수 있는 반도체 기반 전력증폭기는 매우 낮은 출력 임피 던스를 갖는다. 그래서, 도 3의 코일(100)의 양측 터미널에서 전력증폭기(230,240)를 바라볼 때의 임피던스는, 코일(100)과 전력증폭기(230,240)를 각각 연결하는 동축케이블에 주로 의존한다. 매우 낮은 임피던스를 갖는 동축케이블을 사용하는 경우, 전력증폭기(230,240)의 주어진 출력전압에서 코일(100)에 흐르는 전류는 코일 임피던스에 주로 의존한다. 따라서, 구동주파수가 높아, 요구되는 코일 다리의 수가 많은 경우, 미앤더라인 코일처럼 감은수(N)가 1인, 낮은 임피던스를 갖는 코일의 사용이 초음파 송신의 효율을 위해 보다 유리하다.
또한, 구동주파수가 낮아지거나 코일 다리의 수가 작아짐에 따라, 코일의 감은수 증가가 고려될 수 있다. 코일 다리에서의 균일한 전류분포를 확신할 수 없을 정도로 다리 폭이 클 경우, 이러한 감은수 증가는 더욱 바람직한데, 이는 균일한 동자기장의 발생을 도울 뿐만 아니라 코일 자체에서의 와전류 발생을 억제하기 때문이다. 큰 임피던스를 갖는 케이블을 사용하는 경우, 이 케이블 임피던스와 비슷한 정도까지의 코일 임피던스를 증가시키는 것은 주어진 전압 진폭에서 코일에 흐르는 전류를 크게 감소시키지 않는다. 따라서, 코일 감은수의 적절한 증가는 보다 효과적인 초음파 송신을 가능하게 한다.
도 4는 도 2의 다중 나선형 코일(100)을 이용한 수신EMAT 시스템(300)의 구성도이다. 이때, 높은 초음파 수신 감도를 위해, 감은수(N)가 크고 따라서 높은 임피던스를 갖는 코일의 사용이 선호된다.
상기 수신EMAT 시스템(300)은, 상기 다중 나선형 코일(100), 제1전압제한회로(310), 제1전압폴로워(320), 제2전압제한회로(330), 제2전압폴로워(340), 차동증 폭기(350), 신호처리부(360)를 포함한다. 상기 다중 나선형 코일(100)은 초음파 수신 기능을 수행한다.
상기 제1전압제한회로(310)와 제2전압제한회로(330)는 상기 다중 나선형 코일(100)의 일측 터미널과 타측 터미널에 각각 연결된다. 이러한 각 전압제한회로(310,330)는, 코일(100)에 유도될 수도 있는 높은 전압에 기인한 증폭기 회로들의 손상을 방지하기 위해, 저항(R)과 병렬 다이오드들로 구성된다. 상기 저항(R)은 제한전압보다 큰 전압이 유도될 때 접지로 과도한 전류가 흐르는 것을 방지한다.
상기 제1전압폴로워(320)와 제2전압폴로워(340)는, 상기 제1전압제한회로(310)의 출력단과, 상기 제2전압제한회로(330)의 출력단에 각각 연결된다. 상기 차동증폭기(350)는, 상기 제1전압폴로워(320)와 제2전압폴로워(340)의 각 출력신호를 입력받는다. 이러한 차동증폭기(350)는 잡음에 대한 낮은 민감도를 얻기 위하여 전치증폭기로 사용된다.
일반적으로, 반도체 기반 소신호 증폭기의 입력임피던스는 상당히 높다(보통 1MΩ 이상). 이 임피던스는 신호의 입력상태에 따라 달라진다. 차동 입력(differential input)에 대한 임피던스는 단일종단입력(single ended input)의 경우에 비해 훨씬 낮다(보통 1/100 정도). 감은수나 주파수가 증가함에 따라, 코일(100)의 임피던스는 차동증폭기(350)의 입력임피던스보다 클 수 있다. 수신 코일(100) 자체에서 전압강하를 방지하기 위해, 지극히 높은(보통 1 TΩ이상) 입력 임피던스를 갖는 전압폴로워(voltage follower;320,340)가 상기 차동증폭기(350)의 입력단자들에 연결된다. 즉, 상기 다중 나선형 코일(100)에서의 전압강하를 감소시 키도록, 상기 제1전압폴로워(320)와 제2전압폴로워(340)의 입력임피던스는 상기 다중 나선형 코일(100)의 임피던스보다 월등히 큰 것을 이용한다. 상기에서 언급된 회로들(310,320,330,340,350)은 코일(100) 가까이에 위치된다.
상기 신호처리부(360)는, 상기 전치증폭기인 차동증폭기(350)의 출력신호를 수신하여 처리하는 부분으로서, 동축케이블을 통해 차동증폭기(350)와 연결 가능하다. 이러한 신호처리부(360)는 오실로스코프(oscilloscope) 등의 일반적인 신호수집장치나 신호처리장치에 해당된다.
도 5는 도 2의 다중 나선형 코일(100)을 이용한 송수신EMAT 시스템(400)의 구성도로서, 펄스-에코모드 다중 나선형 코일 송수신EMAT 시스템을 나타낸다. 상기 송수신EMAT 시스템(400)은, 상기 다중 나선형 코일(100), 함수발생기(410), 위상변환기(420), 제1전력증폭기(430), 제2전력증폭기(440), 송수신스위치(450), 제1전압제한회로(460), 제1전압폴로워(465), 제2전압제한회로(470), 제2전압폴로워(475), 차동증폭기(480), 신호처리부(485)를 포함한다. 여기서, 410,420,430,440는 송신 측 회로이고, 460,465,470,475,480,485는 수신 측 회로를 나타낸다.
이러한 송수신EMAT 시스템(400)에서, 상기 송수신스위치(450)를 제외한 나머지 구성회로들은 도 3 및 도 4의 송신 및 수신 시스템에서의 구성과 동일하므로, 나머지 구성요소에 관한 상세한 설명은 생략하고자 한다. 다만, 이 송수신EMAT 시스템(400)에서 상기 다중 나선형 코일(100)은, 초음파 송신 및 수신 기능을 동시 수행 가능하다는 점에서 차이점이 있다. 상기 다중 나선형 코일(100)의 임피던스는, 송신 효율과 수신 감도 사이의 타협을 고려하여 선택되어야 함은 물론이다.
한편, 상기 송수신EMAT 시스템(400)에서 상기 제1전력증폭기(430)와 제2전력증폭기(440)는 그 출력단이 코일(100)이 아닌 상기 송수신스위치(450)에 연결된다. 따라서, 상기 송수신스위치(450)는, 제1전력증폭기(430)의 출력단과 상기 다중 나선형 코일(100)의 일측 터미널 사이, 및 상기 제2전력증폭기(440)의 출력단과 상기 다중 나선형 코일(100)의 타측 터미널 사이에 배치되어, 상기 다중 나선형 코일(100) 하나만으로 초음파 송수신 기능이 동시 구현되게 한다.
도 5를 참조하면, 이러한 송수신스위치(450)는, 송신할 때는 전력의 대부분이 코일(100)로 가도록 하고, 수신할 때는 코일(100)에 유도된 신호전압의 대부분이 수신 측 회로로 입력되도록 하는 방식으로서, 상기 코일(100)을 송신 측 회로(410,420,430,440)와 수신 측 회로(460,465,470,475,480,485)에 연결시키는 기능을 갖는 전자회로이다. 다양한 송수신스위치 회로들이 라디오 통신 전자장치들에서 광범위하게 사용되어 왔다. 예로써, 도 5의 경우는, 상기 송수신스위치(450)로서 가장 단순한 스위치의 하나인 직렬 축전기들(C)을 이용함으로써 코일(100)과 송/수신 측 회로들을 결합하고 있다.
이러한 송수신스위치(450)는, 코일(100)의 임피던스보다 훨씬 낮은 임피던스를 갖는, 즉, 높은 전기용량을 갖는 커패시터(C)를 사용함으로써 송수신스위치 기능을 얻을 수 있다. 코일(100)의 인덕턴스 보다 훨씬 작은 교류저항(리액턴스)을 갖는 캐패시터(C)를 사용하는 경우, 송신 과정에서는 전력증폭기(430,440) 출력의 거의 모든 전압이 코일(100)에 걸리게 된다. 물론, 이 전압은 수신 측 회로에도 걸리게 되지만, 전압제한회로(460,470)가 이 큰 전압에 의한 전압폴로워(465,475)와 차동증폭기(480)의 손상을 방지할 수 있다. 다음으로, 수신 과정에서는, 초음파에 의해 코일(100)에 유도된 전압은 서로 병렬 연결된 송신 측 회로(410,420,430,440)와 수신 측 회로(460,465,470,475,480,485)에 모두 걸리지만, 이 수신 전압은 전력증폭기(430,440)의 출력에 비하면 매우 작으므로, 송신 측 회로(410,420,430,440)에 큰 부담이나 영향을 주지 않는다.
이상과 같은 도 5의 펄스-에코 방식은 하나의 RF 코일(100)을 사용하여 같은 위치에서 초음파의 송수신을 가능하게 한다. 그러나 이 방법은 송수신스위치(450)의 사용으로 인한 잡음 발생을 피하기 어렵고 메인뱅(main bang) 회복시간과 불감대(dead zone)가 길다는 단점을 갖는다.
이러한 단점을 극복하기 위하여, 상기 도 5의 경우와는 달리, 송수신스위치(450) 없이, 도 3의 송신 시스템 회로(200)와 도 4의 수신 시스템 회로(300)를 모두 사용하고, 각 시스템의 코일을 송신용 코일(110a)과 수신용 코일(110b)로 각각 사용하는 것에 의해, 동일 위치에서 송신과 수신을 가능하게 하도록 구현 가능하다. 즉, 이를 위해, 도 3의 코일은 초음파 송신 기능을 수행하는 송신용 코일(100a)로 사용하고, 도 4의 코일은 초음파 수신 기능을 수행하는 수신용 코일(100b)로 사용하되 상기 송신용 코일(100a)의 상부 또는 하부에 나란히 배치함에 따라 상기 동일 위치에서의 송신과 수신의 동시 구현을 수행 가능하다. 이에 따라, 도 5의 송수신스위치(450)가 필요 없고, 각 코일(100a,100b)을 서로 겹쳐 놓음에 따라 같은 위치에서 송신과 수신 기능이 가능하며, 또한 서로 분리된 송신 회로와 수신 회로를 사용함으로써, 도 5의 시스템이 갖는 단점들을 제거할 수 있는 이점이 있다. 또한, 송신용 코일(100a)에 비해 큰 감은수를 갖는 수신용 코일(100b)을 사용하는 경우, 미앤더라인 코일 EMAT 시스템에 비해 크게 향상된 수신감도를 갖는 다중나선형코일 EMAT 시스템을 구현할 수 있다.
이상과 같이, 기존의 미앤더라인 코일 EMAT시스템과 동등한 다중 나선형 코일 EMAT 시스템의 설계는 항상 가능하다. 이는 동일 치수를 갖고 감은 수가 1인 다중 나선형 코일과 미앤더라인 코일이 본질적으로 동일하기 때문이다. 각각의 응용을 위해 최적화된 코일을 사용함으로써, 다중나선형코일 EMAT 시스템의 초음파송수신효율은 개선될 수 있다. 코일과 전자장치를 연결하기 위해 긴 동축케이블을 사용해야 하는 환경(예를 들면, 원거리초음파검사 분야)에서, 이 같은 개선은 더 중요하게 요구될 것이다.
감은수가 큰 코일이 사용될 수 있는 주파수 영역에서, 주어진 초음파감도를 얻기 위해 다중나선형코일 EMAT 시스템에서 요구되는 수신증폭기의 이득은, 대응하는 미앤더라인 코일 EMAT 시스템에서의 그것에 비해 월등히 작을 것이다. 보다 작은 이득을 갖는 수신증폭기를 사용하면서도 미앤더라인 코일 시스템의 경우와 동등한 효과를 낼 수 있는 것이다. 따라서, 이 주파수 영역의 대부분 응용들에서 요구되는 초음파감도는, 다중 나선형 코일(100)와 인접된 위치에 구비된 하나의 차동증폭기(350 또는 475)의 사용에 의해 충분히 달성될 수 있을 것이며, 이에 따라 소형의 경제적인 수신시스템의 구현을 허용할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균 등한 다른 실시예가 가능한 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
도 1은 종래의 미앤더라인 코일의 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 나선형 코일의 평면도,
도 3은 도 2를 이용한 송신EMAT 시스템의 구성도,
도 4는 도 2를 이용한 수신EMAT 시스템의 구성도,
도 5는 도 2를 이용한 송수신EMAT 시스템의 구성도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >
100: 다중 나선형 코일
200: 송신EMAT 시스템 210,410: 함수발생기
220,420: 위상변환기 230,430: 제1전력증폭기
240,440: 제2전력증폭기 300: 수신EMAT 시스템
310,460: 제1전압제한회로 320,465: 제1전압폴로워
330,470: 제2전압제한회로 340,475: 제2전압폴로워
350,480: 차동증폭기 360,485: 신호처리부
400: 송수신EMAT 시스템 450: 송수신스위치

Claims (8)

  1. 도선을 나선형으로 감아서 형성되고 상기 도선의 시작과 끝에 해당되는 양 터미널을 갖는 m개의 나선형 코일들을 서로 직렬 연결하여 형성되고, 상기 m개 중 제1나선형 코일의 일측 터미널과 제m나선형 코일의 타측 터미널을 최종적인 양측 터미널로 갖는 다중 나선형 코일.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 m개의 나선형 코일의 성능은,
    상기 도선의 감은수(N), 상기 도선의 두께(tc)와 폭(wc), 상기 나선형 코일의 코일다리 길이(l)와 폭(wl), 인접한 두 코일다리 사이의 중심 간 거리(b), 나선형 코일의 전체폭(Wsc)에 의해 결정되는 다중 나선형 코일.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 다중 나선형 코일의 전체폭(Wmsc)은,
    Wmsc = (2m-1)b+wl 로 정의되는 다중 나선형 코일.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 상기 다중 나선형 코일을 구비한 EMAT.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 상기 다중 나선형 코일을 이용한 송신EMAT 시스템에 관한 것으로서,
    초음파 송신 기능을 수행하는 상기 다중 나선형 코일;
    상기 송신을 위한 초음파 주파수와 파형을 조절하는 전압신호를 발생시키는 함수발생기;
    상기 함수발생기에서 발생된 전압신호를 180°위상 변환하여 출력하는 위상변환기;
    상기 함수발생기에서 발생된 전압신호가 입력단에 입력되고, 출력단이 상기 다중 나선형 코일의 일측 터미널과 연결된 제1전력증폭기; 및
    상기 위상변환기에서 출력된 180°위상 변환된 전압신호가 입력단에 입력되고, 출력단이 상기 다중 나선형 코일의 타측 터미널과 연결된 제2전력증폭기를 포함하는 다중 나선형 코일을 이용한 송신EMAT 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 상기 다중 나선형 코일을 이용한 수신EMAT 시스템에 관한 것으로서,
    초음파 수신 기능을 수행하는 상기 다중 나선형 코일;
    상기 다중 나선형 코일의 일측 터미널에 연결된 제1전압제한회로;
    상기 제1전압제한회로의 출력단에 연결된 제1전압폴로워;
    상기 다중 나선형 코일의 타측 터미널에 연결된 제2전압제한회로;
    상기 제2전압제한회로의 출력단에 연결된 제2전압폴로워;
    상기 제1전압폴로워와 제2전압폴로워의 각 출력신호를 입력으로 하는 차동증폭기; 및
    상기 차동증폭기의 출력신호를 수신하여 처리하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 다중 나선형 코일에서의 전압강하를 감소시키도록, 상기 제1전압폴로워와 제2전압폴로워의 입력임피던스가 상기 다중 나선형 코일의 임피던스보다 월등히 큰 다중 나선형 코일을 이용한 수신EMAT 시스템.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 상기 다중 나선형 코일을 이용한 송수신EMAT 시스템에 관한 것으로서,
    초음파 송신 및 수신 기능을 수행하는 상기 다중 나선형 코일;
    상기 송신을 위한 초음파 주파수와 파형을 조절하는 전압신호를 발생시키는 함수발생기;
    상기 함수발생기에서 발생된 전압신호를 180°위상 변환하여 출력하는 위상변환기;
    상기 함수발생기에서 발생된 전압신호가 입력단에 입력되는 제1전력증폭기;
    상기 위상변환기에서 출력된 180°위상 변환된 전압신호가 입력단에 입력되는 제2전력증폭기;
    제1전력증폭기의 출력단과 상기 다중 나선형 코일의 일측 터미널 사이, 및 상기 제2전력증폭기의 출력단과 상기 다중 나선형 코일의 타측 터미널 사이에 배치되어, 상기 다중 나선형 코일 하나만으로 초음파 송수신 기능이 동시 구현되게 하 는 송수신스위치;
    상기 다중 나선형 코일의 일측 터미널에 연결되는 제1전압제한회로;
    상기 제1전압제한회로의 출력단에 연결된 제1전압폴로워;
    상기 다중 나선형 코일의 타측 터미널에 연결되는 제2전압제한회로;
    상기 제2전압제한회로의 출력단에 연결된 제2전압폴로워;
    상기 제1전압폴로워와 제2전압폴로워의 각 출력신호를 입력으로 하는 차동증폭기;
    상기 차동증폭기의 출력신호를 수신하여 처리하는 신호처리부를 포함하는 다중 나선형 코일을 이용한 송수신EMAT 시스템.
  8. 도선을 나선형으로 감아서 형성되고 상기 도선의 시작과 끝에 해당되는 양 터미널을 갖는 m개의 나선형 코일들을 서로 직렬 연결하여 형성되고, 상기 m개 중 제1나선형 코일의 일측 터미널과 제m나선형 코일의 타측 터미널을 최종적인 양측 터미널로 가지며, 초음파 송신 기능을 수행하는 송신용 코일;
    상기 송신을 위한 초음파 주파수와 파형을 조절하는 전압신호를 발생시키는 함수발생기;
    상기 함수발생기에서 발생된 전압신호를 180°위상 변환하여 출력하는 위상변환기;
    상기 함수발생기에서 발생된 전압신호가 입력단에 입력되고, 출력단이 상기 송신용 코일의 일측 터미널과 연결된 제1전력증폭기;
    상기 위상변환기에서 출력된 180°위상 변환된 전압신호가 입력단에 입력되고, 출력단이 상기 송신용 코일의 타측 터미널과 연결된 제2전력증폭기;
    도선을 나선형으로 감아서 형성되고 상기 도선의 시작과 끝에 해당되는 양 터미널을 갖는 m개의 나선형 코일들을 서로 직렬 연결하여 형성되고, 상기 m개 중 제1나선형 코일의 일측 터미널과 제m나선형 코일의 타측 터미널을 최종적인 양측 터미널로 가지며, 초음파 수신 기능을 수행하고, 상기 송신용 코일의 상부 또는 하부에 나란히 배치되는 수신용 코일;
    상기 수신용 코일의 일측 터미널에 연결된 제1전압제한회로;
    상기 제1전압제한회로의 출력단에 연결된 제1전압폴로워;
    상기 수신용 코일의 타측 터미널에 연결된 제2전압제한회로;
    상기 제2전압제한회로의 출력단에 연결된 제2전압폴로워;
    상기 제1전압폴로워와 제2전압폴로워의 각 출력신호를 입력으로 하는 차동증폭기; 및
    상기 차동증폭기의 출력신호를 수신하여 처리하는 신호처리부를 포함하는 다중 나선형 코일을 이용한 송수신EMAT 시스템.
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