KR20110002200A - 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈 - Google Patents

유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유도초음파 기반 비파괴 검사시 강자성 물질을 전단 커플런트로 착탈 가능하게 함으로써, 설치가 용이하고 검사지점을 자유롭게 이동할 수 있으며, 재활용이 어려운 강자성 물질의 소모를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 전체 구성요소를 하나로 모듈(module)화 하여 강자성 박판과 코일 및 바이어스 자석 사이의 상대적인 위치가 일정하게 유지되게 함으로써 트랜스듀서의 민감도가 검사시 마다 변동되는 것을 방지할 수 있는 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈은 일측이 개방되고, 개부의 반대측에는 도선 커넥터 연결부가 형성된 통체 형상의 케이스와 ; 상기 케이스 내부에 설치되고 유도초음파 송신시 가진 자기장을 발생시키거나 유도초음파 수신시 유도되는 자기장을 측정하는 코일과 ; 상기 코일의 양측에 설치되어 강자성 물질에 정자기장이 인가되도록 바이어스 자기장을 발생시키는 바이어스자석들과 ; 상기 바이어스자석들과 맞닫는 양측 단부가 일측으로 돌출되고, 중앙에 지지대 삽입홈 부가 형성된 요크와 ; 상기 요크가 끼워지는 요크 삽임홈이 형성되고, 상기 요크를 케이스의 내부에 안정적으로 고정되게 지지하는 내부 지지대와 ; 강한 자기변형성(magnetostriction)을 지닌 강자성 박판을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
유도초음파, 트랜스듀서, 모듈, 자기변형, 박판, 자석, 코일

Description

유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈 {magnetostrictive transducer module for generating and measuring guided waves}
본 발명은 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈에 관한 것으로써, 상세하게는 유도초음파 이용 비파괴 검사시 강자성 물질의 부착을 위해 접착제를 사용하지 않음으로써 검사 지점에 보다 용이하게 설치할 수 있을 뿐만 아니라 검사지점의 이동이 용이하고, 한번 부착 후에는 재활용이 어려운 강자성 물질을 소모를 줄일 수 있는 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈에 관한 것이다.
더욱이, 트랜스듀서를 하나로 모듈(module)화하여 강자성 박판과 코일 및 바이어스 자석 사이의 상대적인 위치가 일정하게 유지되게 함으로써 트랜스듀서의 민감도가 검사시 마다 변동되는 것을 방지할 수 있는 유도초음파 자기변형 트랜스듀서 모듈에 관한 것이다.
대형 구조물의 비파괴검사에 많이 사용되는 유도초음파(guided ultrasonic wave)는 구조물의 경계를 따라서 전파하는 탄성초음파로서 먼 거리까지 전파가 가능하여 최근 다양한 대상의 비파괴검사를 위한 방법으로 많은 주목을 받고 있다.
이러한 원거리 전파특성으로 인해, 유도초음파를 이용하면 넓은 영역을 고속으로 탐상할 수 있을 뿐만 아니라, 검사 부위에 직접 접근이 어려운 때도 원거리에 서 탐상이 가능하다는 장점이 있다. 반면, 유도초음파는 구조물의 형상에 따라 그 종류와 모드가 다양하고 각 모드의 전파 양상이 복잡하므로 신호의 측정 및 해석이 어렵다. 특히, 사용하고자 하는 유도초음파의 모드와 주파수 대역, 구조물의 형상 및 재질에 따라 파의 가진 및 측정을 위한 트랜스듀서, 측정 기기 및 신호 해석 방법이 차이가 날 뿐만 아니라, 탐지하고자하는 결함(defect)에 대한 민감도 역시 많은 영향을 받는다.
따라서, 유도초음파를 이용한 검사에서는 검사대상과 결함의 특성을 고려하여 사용하고자 하는 모드를 적절히 선택하고 이에 적합한 트랜스듀서를 선정하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 종파(longitudinal wave)와 횡파(shear wave)로 나뉘는 체적초음파(bulk ultrasonic wave)와는 달리 유도초음파는 도파구조물(waveguide structure)의 형상에 따라 다양한 종류와 모드가 존재한다.
판(plate)형 구조물의 경우, 매질 변위의 방향에 따라 램파(Lamb wave)와 SH(shear horizontal wave, 전단수평파) 두 종류의 유도초음파가 사용될 수 있고, 각각 무한대의 모드가 존재한다.
원통(cylinder)형 구조물의 경우, 종파(longitudinal wave), 굽힘파(flexural wave), 비틀림파(torsional wave)가 존재한다.
대게 유도초음파 변환을 위해서 쐐기(wedge)를 이용한 압전(piezoelectric) 트랜스듀서, 빗(comb)형 배열을 가지는 압전 트랜스듀서, EMAT(electromagnetic acoustic transducer, 전자기음향트랜스듀서), 자기변형 트랜스듀서(magnetostrictive transducer) 등이 이용된다. 이들 중 자기변형 트랜스듀서는 강자성(ferromagnetic) 물질이 자기장에 의해 변형하는 현상인 자기변형(magnetostriction) 원리를 이용한 것으로, 판에서 램파나 SH파 뿐만 아니라 배관이나 축에서 비틀림파를 가진 및 측정하는데 매우 효율적이므로 최근 널리 응용되고 있다.
자기변형 트랜스듀서는 100 kHz 이하의 낮은 주파수 대역에서도 운용이 가능하고, 퀴리온도가 높은 강자성 물질을 이용한 경우 높은 온도에서도 사용할 수 있으므로, 원칙적으로 검사대상이 고온일 경우에도 적용이 가능하다는 장점이 있으며, 특히, 구조가 간단하고 내구성이 우수하다는 점과 저렴한 단가로 제작이 가능하다는 점은 실제 산업적 응용성을 고려할 때 매우 주목할 만 하다.
도 14는 일반적인 강자성 물질을 이용한 자기변형 트랜스듀서를 도시한 것으로 종래의 자기변형 트랜스듀서는 주로 강한 자기변형성을 갖는 강자성 물질(110)과 가진 자기장을 인가하고 동시에 이를 측정하는 코일(130), 바이어스 자기장을 발생시키는 바이어스자석(120) 등으로 구성된다. 특히, 도 14에 도시한 트랜스듀서는 코일로 미앤더(meander) 코일로 구성되고, 강자성 물질로 강자성 박판을 이용한 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서의 한 예이다.
이렇게 구성된 자기변형 트랜스듀서의 경우, 효율적인 유도초음파 전달을 위해서 강자성 박판과 구조물 사이에서는 전단력이 전달되어야 하므로, 보통 강자성 박판은 에폭시 등의 접착제를 이용하여 검사 대상이 되는 구조물에 단단히 부착되어야 한다.
그러나 이렇게 접착제를 이용하여 강자성 박판을 구조물에 부착시키는 경우 접착제가 경화되는데 수 분에서 수 시간 정도가 소 요되므로 강자성 박판을 검사 지점에 부착시킨 후부터 파를 측정하기까지의 검사시간이 많이 소모되며, 한 번 부착된 강자성 박판은 재활용이 어려우므로 재료의 소모가 많고, 검사하고자하는 지점 마다 강자성 박판을 부착시켜야 하는 번거로운 문제가 있었다.
또한, 강자성 박판과 코일 및 바이어스 자석 사이의 상대적인 위치가 일정하지 않음으로 인해서 검사시 마다 트랜스듀서의 민감도가 달라지는 문제도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로써, 하나의 케이스의 내부에 자기변형 트랜스듀서의 구성요소를 집적하여 모듈화된 소형 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서를 제공함을 목적으로 한다.
즉, 강자성 물질, 코일, 바이어스자석을 포함하는 구성 요소를 케이스의 내부에 집적하여 단일 모듈로 구성을 하고, 강자성물질과 검사대상 사이의 매개물로서 젤(gel)상의 전단커플런트(shear couplant)를 사용함으로써, 강자성 물질을 검사대상에 부착시키는 시간을 소모하지 않으므로 검사시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 강자성 물질을 구조물에 고착시키지 않으므로 다양한 지점을 측정하는데 있어 별도의 강자성 물질을 소모하지 않을 뿐만 아니라, 측정 지점을 자유롭게 변경할 수 있는 유도초음파 자기변형 트랜스듀서를 제공함을 목적으로 한다.
이러한 본 발명의 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈은 일측이 개 방되고, 개방부의 반대측에는 도선 커넥터 연결부가 형성된 통체 형상의 케이스와 ; 상기 케이스 내부에 설치되고 유도초음파 송신시 가진 자기장을 발생시키거나 유도초음파 수신시 유도되는 자기장을 측정하는 코일과 ; 상기 코일의 양측에 설치되어 강자성물질에 정자기장이 인가되도록 바이어스 자기장을 발생시키는 바이어스자석들과 ; 상기 바이어스자석들과 맞닫는 양측 단부가 일측으로 돌출되고, 중앙에 지지대 삽입홈 부가 형성된 요크와 ; 상기 요크가 끼워지는 요크 삽임홈이 형성되고, 상기 요크를 케이스의 내부에 안정적으로 고정되게 지지하는 내부지지대와 ; 강한자기변형성을 지닌 강자성 박판을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명은 하나의 케이스의 내부에 자기변형 트랜스듀서의 구성요소를 집적하여 모듈화하여 강자성 박판과 코일 및 바이어스 자석 사이의 상대적인 위치가 일정하게 유지되게 함으로써 검사시 마다 트랜스듀서의 민감도가 변동되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 강자성 물질과 검사대상 사이의 매개물로서 젤(gel) 상의 전단커플런트(shear couplant)를 사용함으로써 강자성 물질을 검사대상에 부착시키는 시간을 소모하지 않으므로 검사시간을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 강자성 물질이 구조물에 고착되지 않으므로 다양한 지점을 측정하는데 있어 별도의 강자성 물질을 소모하지 않을 뿐만 아니라, 측정 지점을 자유롭게 변경할 수 있는 효과도 있다.
이하, 본 발명에 따른 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈을 첨부 된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 자기변형 트랜스듀서는 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 제2009-0027102호에 이미 알려진 기술이고, 이러한 구성을 갖는 트랜스듀서를 상기한 바와 같은 목적을 위해 모듈화 한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 전체적인 구성을 설명한다.
본 발명의 자기변형 트랜스듀서 모듈은 일측이 개방되고, 개방부의 반대측에는 도선 커넥터 연결부(11)가 형성된 통체 형상의 케이스(1)와 ; 상기 케이스(1) 내부에 설치되고 유도초음파 송신시 가진 자기장을 발생시키거나 유도초음파 수신시 유도되는 자기장을 측정하는 코일(2)과 ; 상기 코일(2)의 양측에 설치되어 강자성물질에 정자기장이 인가되도록 바이어스 자기장을 발생시키는 바이어스자석(3)들과 ; 상기 바이어스자석들과 맞닫는 양측 단부가 일측으로 돌출되어 중앙에 지지대 삽입홈 부(3a)가 형성된 요크(4)와 ; 상기 요크(4)가 끼워지는 요크 삽임홈(5a)이 형성되고, 상기 요크(4)를 케이스의 내부에 안정적으로 고정되게 지지하는 내부 지지대(5)와 ; 강한 자기변형성을 지닌 강자성 박판(6)을 포함하여 구성된다.
상기 케이스(1)는 구성요소를 지지하여 구성요소들이 안정적으로 지지되게 하기 위한 수단으로 내부에 공간이 형성되어 있으며, 일측은 개방되어 있고, 상기 개방부의 반대측에는 원통형으로 도선 커넥터 연결부(11)가 형성되어 있다.
상기 케이스(1)은 육면체 형상으로 구성된 것을 일예로 도시하였으나 원기둥형상 또는 다각 기둥의 형상으로 구성할 수도 있다.
상기 도선 커넥터 연결부(11)는 상기한 바와 같이 도선 커넥터가 연결되는 부분으로 통상의 자기변형 트랜스듀서에 설치되는 BNC 커넥터가 연결된다.
물론 상기 도선 커넥터 연결부(11)는 도 1내지 도 5에 도시한 바와 같이 중앙에 배선홀(11a)이 형성되어 있어 내부에 설치된 코일을 구성하는 코일과 연결된 도선이 통과할 수 있다.
상기 케이스(1)의 내부에 상기한 코일(2), 바이어스자석(3), 요크(4), 내부지지대(5)가 설치되어 있다.
상기 코일(2)은 신호 즉, 유도초음파를 송신하는 수단으로 사용할 경우에는 가진 자기장을 공급하는 역할을 하고, 유도초음파를 수신하는 수단으로 사용될 경우에는 강자성 물질로부터 유도된 자기장을 측정하는 역할을 한다.
상기 코일(2)은 도 1에 도시한 바와 같이, 보빈(21)에 도선(22)을 감아서 구성될 수 있고, 보빈에는 코일이 감기는 부분에 홈을 형성하여 감겨진 코일이 보빈의 표면으로 돌출되지 않게 하였다.
상기 코일(2)은 보빈(21)에 감긴 도선(22)의 간격을 조절함에 의해 주파수를 조절할 수 있다.
상기 보빈(21)은 도 7내지 도 9에 도시한 바와 같이 다양한 수의 홈을 형성하여 코일의 권취 간격을 조절할 수 있다.
상기 코일(2)의 다른 일예는 도 2에 도시한 바와 같이, PCB 제작 기법을 이용한 미앤더(meander) 구조를 갖는 코일로 구성될 수도 있다.
상기 바이어스자석(3)은 바이어스 자기장을 발생시키는 수단으로 자기장이 자기 변형체인 강자성 박판(6)에 잘 통과해서 인가되도록 배치되어야 하므로 영구 자석으로 구성되고, 서로 반대의 극방향을 가지도록 배열되었있다.
이렇게 배열된 바이어스자석(4)은 자기장의 손실을 줄이기 위해 요크(4)가 설치되어 있다.
따라서, 강자성 박판(6)-바이어스 자석(4)-요크(4)가 하나의 폐자기회로(closed magnetic circuit)를 형성하게 된다.
상기 바이어스자석(4)은 도 4에 도시한 바와 같이, 요크(4)의 양단에 각각 설치되어 있다.
상기 바이어스자석(3)은 영구자석, 전자석 또는 예자화(premagnetization) 자석 중 어느 하나로 구성할 수 있다. 예자화는 트랜스듀서를 사용하기 전, 강자성 물질을 강한 영구자석에 한 방향으로 문지른 후에, 강자성 물질에 남아있는 잔류자기장을 바이어스 자기장으로 이용하는 방법을 말한다.
상기 요크(4)는 상기한 바와 같이 폐자로를 형성하기 위한 수단의 하나로 상기 내부지지대(5)에 의해 케이스(1)의 내부에 지지된다.
이렇게 요크(4)를 케이스(1)의 내부에 고정시키기 위해서는 내부지지대(5)와 요크(4)가 긴밀하게 결합되어야 하고, 내부지지대(5)는 케이스(1)에 견고하게 고정될 수 있어야 한다.
이에 따라 상기 요크(4)의 저면에는 상기 내부지지대(5)와 결합시키기 위한 지지대 삽입홈(4a)이 형성되고, 내부지지대(5)에는 상기 요크(4)에 형성된 지지대삽입홈(4a)과 맞물리는 요크 삽입홈(5a)가 형성되어 있다.
즉, 요크(4)는 지지대 삽입홈(4a)을 중심으로 양측에 고정날개(41)가 형성되 어 있어 고정날개(41)들 사이에 상기 내부지지대(5)의 양 측단부가 끼인 상태가 되고, 내부지지대(5)의 요크 삽입홈(5a)의 양단에는 고정날개(51)가 형성되어 있어 고정날개(51)들 사이에 요크(4)의 양 단부가 끼인 상태로 서로 결합된다.
상기 요크(4)의 내부지지대의 고정날개(51)와 대향되는 단부는 날개 삽입홈(4b)가 형성되어 있어 상기 고정날개(51)가 끼인 상태로 결합된다. 상기 날개 삽입홈(4b)의 깊이는 고정날개(51)의 두께와 같고, 폭은 고정날개의 폭과 같다.
상기 내부지지대(5)에 형성된 고정날개(51)는 요크의 두께보다 길게 형성되어 있어 그 일부가 케이스(1)에 형성된 지지대 고정홈(1a)에 끼워져 지지된다.
즉, 상기 케이스(1)에는 상기 내부지지대(5)에 형성된 고정날개(51)가 관통하여 끼워져 고정되는 지지대 고정홀(1a)이 형성되어 있다.
상기 내부지지대(5)에 의해 케이스(1)의 내부에 설치된 요크(4)는 양측에 형성된 고정날개(41)가 상기 내부지지대(5)의 저면과 동일평면상에 놓이게 되고, 고정날개(41)들에는 각각 바이어스자석(3)이 설치된다.
상기 바이어스자석(3)들 사이에 상기한 코일(2)이 설치되며, 바이어스자석(3)의 두께와 코일(2)의 두께는 동일하여 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이 두 자석(2, 3)의 저면은 동일평면이 된다.
이렇게 설치된 두 자석(2, 3)의 저면에 상기 강자성 박판(6)이 설치된다.
상기 강자성 박판(6)에 강자성 박판을 따라 흐르는 정자기장을 걸어주기 위해서 상기 바이어스자석(3)이 적절히 배치되어야 한다. 이때, 코일의 자기장 방향과 바이어스 자기장과 수직이 되도록 배치되면 SH파 변환용 자기변형 트랜스듀서가 구성되고 코일의 자기장 방향이 바이어스 자기장과 평행하도록 배치되면 램파 변환용 자기변형 트랜스듀서가 구성된다.
상기와 같이 구성된 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스 모듈은 상기 강자성 박판(6)을 검사 대상 구조물에 밀착시킨 상태가 되어야 강자성 박판(6)의 변형이 구조물에 잘 전달될 수 있고, 접착제를 이용하여 한 번 대상에 부착된 강자성 박판은 재사용이 어려워 강자성 박판의 소모가 크므로, 접착제의 사용 없이 검사대상 구조물과 강자성 박판(6)을 밀착시킬 수 있어야 한다.
따라서, 상기 강자성 박판(6)은 젤(gel)상의 전단커플런트(shear couplant)에 의해 실험대상 구조물에 밀착시키는 것이 바람직하다.
상기 전달 커플런트는 이미 개발되어 제공되는 것 중 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
상기와 같이 구성된 트랜스듀서 모듈은 코일 및 바이어스 자기장 배치에 따라 램파, SH파 모두 변환 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈의 일예를 도시한 분해사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서모듈의 다른 일예를 도시한 분해사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈의 사시도이고,
도 4는 도 3의 A-A 단면도이고,
도 5는 도 3의 B-B 단면도이고,
도 6은 케이스를 제외한 상태의 사시도이고,
도 7내지 9는 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈을 구성하는 코일보빈의 서로 다른 예를 도시한 사시도이고,
도 10는 통상의 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서의 구성도이고,
도 11는 램파의 주파수와 군속도의 관계를 도시한 그래프이고,
도 12은 SH파의 주파수와 군속도의 관계를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
1 : 케이스 1a : 지지대고정홈 11 : 도선 커넥터 연결부
11a : 관통홀
2 : 코일 2a : 코일권취홈
3 : 바이어스자석
4 : 요크 4a : 지지대삽임홈 4b : 날개삽입홈
41 : 고정날개
5 : 내부지지대 5a : 요크삽입홈 51 : 고정날개
6 : 강자성 박판

Claims (6)

  1. 일측이 개방되고, 개방부의 반대측에는 도선 커넥터 연결부(11)가 형성된 통체 형상의 케이스(1)와 ;
    상기 케이스(1) 내부에 설치되고 유도초음파 송신시 가진 자기장을 발생시키거나 유도초음파 수신시 유도되는 자기장을 측정하는 코일(2)과 ;
    상기 코일(2)의 양측에 설치되어 강자성 물질에 정자기장이 인가되도록 바이어스 자기장을 발생시키는 바이어스자석(3)들과 ;
    상기 바이어스자석들과 맞닫는 양측에 고정날개(41)들이 형성되어 중앙에 지지대삽입홈(4a)이 형성된 요크(4)와 ;
    상기 요크(4)가 삽입되는 요크삽임홈(5a)이 형성되고, 상기 요크(4)를 케이스의 내부에 안정적으로 고정되게 지지하는 내부지지대(5)와 ;
    강한 자기변형성을 지닌 강자성 박판(6)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이스(1)에는 상기 내부지지대(5)에 형성된 고정날개(51)가 관통하여 끼워져 고정되는 지지대고정홀(1a)이 형성됨을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 요크(3)의 내부지지대에 형성된 고정날개(51)와 대향되는 부분에는 고정날개(51)가 끼워지는 날개삽입홈(4b)이 형성됨을 특징으로 하는 자기변형 트랜스듀서 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 바이어스자석(3)은 영구자석, 전자석 또는 예자화(premagnetization) 자석 중 어느 하나 임을 특징으로 하는 유도초음파 자기변형 트랜스듀서 모듈.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 코일(2)은 주기성을 갖는 솔레노이드(periodic solenoid) 또는 미앤더(meander) 구조를 갖는 PCB 코일 중 하나임을 특징으로 하는 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 강자석 박판(6)은 젤(gel)상의 전단커플런트(shear couplant)에 의해 실험대상 구조물에 밀착됨을 특징으로 하는 유도초음파 변환용 자기변형 트랜스듀서 모듈.
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