KR20110025283A - 자기센서 어레이를 이용한 중공축의 결함 탐상 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기센서 어레이를 이용한 로터 중심공의 결함 탐상 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교류전류를 이용하여 생성된 자기장으로 중공축의 내벽을 자화시키는 자화부와, 일렬로 배열된 n개의 자기센서를 포함하며 자화된 중공축의 피측정 영역에서 누설되는 누설자속을 감지하여 그 누설자속에 상응하는 출력신호를 생성하는 자기센서부를 포함하는 스캔센서부; 상기 자기센서부로부터 상기 출력신호를 수신하고, 그 출력신호를 분석하여 상기 중공축 내부의 결함을 탐상하는 데이터 처리부; 및 상기 자화부로 교류전류를 공급하는 교류 전원 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공축의 결함 탐상 장치에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 교류 전류를 이용함으로써 결함의 길이방향에 따른 탐상 능력의 저하를 해결하고, 중력에 의한 탐상 능력의 불균일성을 해소하며, 높은 공간분해능을 가지며 비접촉식으로 중공축의 내벽 스캔을 가능하게 한다.

또한 본 발명에 의하면, 결함의 위치, 방향 및 길이를 추정할 수 있으며, 결함의 체적을 고정밀도로 추정할 수 있다.

Description

자기센서 어레이를 이용한 중공축의 결함 탐상 장치{Apparatus for detecting cracks on the inside wall of quill shaft using magnetic sensor array}

본 발명은 자기센서 어레이를 이용한 로터 중심공의 결함 탐상 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교류 전류를 이용하여 결함의 길이방향에 따른 탐상 능력의 저하를 해결하고, 중력에 의한 탐상 능력의 불균일성을 해소하며, 비접촉식으로 높은 공간분해능을 가지는 중공축 내벽의 결함 탐상 장치에 관한 것이다.

중공축(quill shaft)과 같은 좁고 긴 파이프(pipe) 내벽에 축 방향 또는 원주 방향의 균열이 복합적으로 발생하는 경우에는 검사 방법이 극히 제한적이다.

종래에는 중공축을 관통하는 1,000A 정도의 고전류에 의하여 중공축 내부를 자화시켜 자분을 분산시킨 후, 자분의 모양을 관찰하기 위하여 긴 공업용 내시경을 이용하여 중공축 내벽의 자분을 관찰하는 자분 탐상을 시행하였다. 그러나 이러한 자분 탐상은 중력에 의한 자분 분포의 불균일성, 전처리 및 후처리 공정의 필요성, 고전류 전원 사용에 의한 작업자의 위험 노출, 작업 시간의 장기화와 같은 문제점이 있다.

한편, 직경 50~300mm, 길이 10~30m 정도의 좁고 긴 중공축 내부를 자동으로 나선운동하는 로봇에 장착한 초음파 센서로 스캔하는 방법이 사용된 바 있으나, 초음파 탐상의 특성상 센서를 중공축 내벽에 밀착시켜야 하며, 1개의 초음파 센서에 의하여 얻을 수 있는 공간분해능이 약 5mm 정도로써 매우 커서 미소 균열을 탐상하기에 적합하지 않으며, 균열의 방향(축 또는 원주 방향)에 따라 결함의 탐상 능력이 현저히 저하되는 경우가 발생하며, 탐상 시간이 매우 길다는 문제점이 있다.

따라서 자분 탐상 또는 초음파 탐상에서 발생하는 문제점을 해결하여, 중력에 의한 탐상 능력의 불균일성 해소, 전처리 및 후처리 공정의 최소화, 고전류 사용의 지양, 작업시간 단축, 비접촉식 센서의 활용, 공간분해능의 고도화, 탐상능력의 균열 길이 방향 의존성의 최소화할 수 있는 탐상 장치의 필요성이 커지고 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 결함의 길이방향에 따른 탐상 능력의 저하를 해결하고, 중력에 의한 탐상 능력의 불균일성을 해소하며, 비접촉식으로 높은 공간분해능을 가지는 중공축 내벽의 결함 탐상 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 전류를 이용하여 생성된 자기장으로 중공축의 내벽을 자화시키는 자화부와, 일렬로 배열된 n개의 자기센서를 포함하며 자화된 중공축의 피측정 영역에서 누설되는 누설자속을 감지하여 그 누설자속에 상응하는 출력신호를 생성하는 자기센서부를 포함하는 스캔센서부; 자기센서부로부터 출력신호를 수신하고, 그 출력신호를 분석하여 중공축 내부의 결함을 탐상하는 데이터 처리부; 및 자화부로 전류를 공급하는 전원 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중공축의 결함 탐상 장치를 제공하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 결함 탐상 장치는, 중공축을 나선 회전시키는 중공축 회전부를 더 포함하며, 스캔센서부는 중공축의 내벽 표면에 이격되어 고정 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 자기센서부는, 일렬로 배열된 n개의 자기센서를 포함하는 자기센서 어레이; 자기센서 어레이의 출력신호를 필터링하는 필터링부; 필터링된 출력신호를 증폭하는 증폭부; 및 증폭된 출력신호를 AD(analog to dogital) 변환하는 AD 변환부를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 결함의 길이방향에 따른 탐상 능력의 저하를 해결하고, 중력에 의한 탐상 능력의 불균일성을 해소하며, 높은 공간분해능을 가지며 비접촉식으로 중공축의 내벽 스캔을 가능하게 한다.

또한 본 발명에 의하면, 결함의 위치, 방향 및 길이를 추정할 수 있으며, 결함의 체적을 고정밀도로 추정할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 자기센서 어레이를 이용한 중공축의 결함 탐상 장치를 설명한 도면이다.

도 1을 참조하면, 자기센서 어레이를 이용한 중공축의 결함 탐상 장치(100)는 스캔센서부(10), 데이터 처리부(20), 및 전원 공급기(30)를 포함하며, 추가로 중공축 회전부(40) 및/또는 센서 회전부(50)를 더 포함할 수 있다.

스캔센서부(10)는 자화부(15)와 자기센서부(11)를 포함하며, 중공축 내벽을 자화시키고 누설자속을 감지한다.

자화부(15)는 전류를 이용하여 자기장을 생성하고, 생성된 자기장으로 중공축(2) 내벽을 자화시키는 역할을 한다. 자화부(15)는 원통형 요크(17) 및 전류가 공급되는 상기 요크(17)에 감긴 코일(18)을 포함한다(코어, 코어에 감긴 코일, 및 도체판으로 구성될 수도 있음)

자기센서부(11)는 자화된 중공축(2)의 내벽을 스캔하여, 자화된 중공축(2)의 내벽에서 누서되는 누설자속에 상응하는 출력신호를 생성한다.

전원 공급기(30)는 전류를 발생시켜, 자화부(16)로 직류 또는 교류 전류를 공급한다. 전원 공급기(30)는 전력 증폭부(31)를 포함하며 추가로 주파수 발생부(35)를 더 포함할 수 있다. 주파수 발생부(35)는 소정의 주파수를 갖는 교류 전류를 발생시키는 역할을 한다. 주파수 발생부(35)는 동기 신호를 후술할 데이터 처리부(20)로 출력하여 데이터 처리부(20)의 동작을 제어할 수 있다.

전력 증폭부(31)는 직류 전류 또는 주파수 발생부(35)로부터 발생되는 교류 전류를 전력 증폭하는 역할을 수행한다. 전원 공급기(30)는 직류 전류를 포함하여 사인파, 반정류파 또는 펄스파 등과 같은 다양한 파형의 교류 전류를 공급할 수 있다.

한편, 전원 공급기(30)는 교류를 공급하는 경우 피측정체인 중공축(2)의 내벽 표면으로부터 어느 정도의 깊이까지 탐상하는가에 따라 교류 전류의 주파수를 가변시킬 수 있다. 예컨대, 표면 결함(601)을 탐상하고자 하는 경우에는 저주파수 또는 고주파수를 사용하고, 이면 결함 또는 내면 결함을 탐상하고자 하는 경우에는 저주파수를 사용할 수 있다. 저주파수의 신호일수록 피측정체(60)에 깊이 침투할 수 있기 때문이다.

중공축 회전부(40)는 중공축(2)을 회전시키거나 혹은 나선 회전시킨다. 본 발명에서 스캔센서부(10)에 포함된 자기센서부(11)는 정지한 채로 정속력으로 회전하고 있는 중공축(2) 내벽을 스캔하면서 중공축(2) 내벽의 결함을 검출한다. 이때 스캔센서부(10)는 고정된 채로 중공축 내벽의 표면 부근에 정지해 있고 중공축이 나선 회전을 하면, 중공축 내벽이 스캔센서부(10)에 의해 스캔된다.

한편 다른 실시예로서, 센서 회전부(50)가 스캔센서부(10)를 중공축(2)의 내벽 표면에서 소정 거리만큼 이격된 채로 중공축(2)의 내벽 표면을 따라 나선 회전시킨다.

이러한 실시예에서는, 중공축(2)이 회전하지 않고 정지해 있으며, 자기센서부(11)와 자화부(16)가 포함된 스캔센서부(10)는 센서 회전부(50)에 의해 중공축(2) 내벽을 정속력으로 회전하거나 또는 나선 회전함으로써 중공축 내벽을 스캔할 수도 있다. 이러한 실시예의 경우 회전으로 인하여 스캔센서부(10)에 연결된 배선이 꼬일 염려가 있으므로, 후술할 슬립링(slip ring)이 이용된다.

한편 또 다른 실시예로서는 중공축이 정속력으로 회전운동하는 동안 스캔센서부(10)가 서서히 직선운동하는 실시예가 있을 수 있다.

데이터 처리부(20)는 자기센서부(11)로부터 출력된 신호를 수신하고 분석하여 중공축 내부의 결함을 탐상한다.

도 2는 자기센서부(11)를 설명한 도면으로서, 자기센서부(11)는 자기센서 어레이(12), 필터링부(13), 증폭부(14), 및 AD(analog to digital) 변환부(15)를 포함하며, 추가로 RMS(root mean square) 회로를 더 포함할 수 있다.

상기 자기센서부(11)를 이루는 각 구성요소는 단일 PCB(printed circuit board) 상에 모두 실장된다. 즉, 필터/증폭/AD변환/통신회로를 최소화하여 중공축 내부에 삽입될 수 있도록 구현한다. 또한 전술했던 자화부(16)는 상기 PCB와 부착 되도록 결합되며, 자기센서부(11)와 자화부(16)는 하나의 유닛으로서 일체화된다.

자기센서 어레이(12)는 일렬로 배열된 n개의 자기센서를 포함하며, 중공축(2)의 내벽 표면에서 일정한 거리만큼 이격되어 있다(lift off). 자기센서 어레이(12)에 포함되는 각 자기센서는 서로 일정한 간격으로 이격되어 배열되는데, 각 자기센서는 자화된 중공축(2)의 피측정 영역에서 누설되는 누설자속을 감지하고, 그 누설자속에 상응하는 출력신호를 생성한다. 중공축(2)에 균열이나 결함이 존재하는 경우, 중공축(2)에서 누설되는 누설자속의 세기가 커지거나 불규칙적으로 변동하므로, 누설자속의 세기 분포가 분석되면 중공축(2)에 존재하는 결함이 탐상될 수 있다.

도 3은 자기센서 어레이를 설명하는 도면이다.

도 3을 참조하면, 자기센서 어레이(12)는 일렬로 배열된 n개의 자기센서(12_1~12_n)를 포함하는데, 각 자기센서(12_1~12_n)는 서로 일정한 간격(M)으로 이격되어 배열된다. 본 발명에서 자기센서 어레이(12)를 구성하는 자기센서(12_1~12_n)로는 홀센서 또는 자기저항센서가 이용될 수 있으며, 홀센서와 자기저항센서는 센서 면에 입사되는 자기장의 법선 또는 평면 방향 성분의 크기에 비례하여 전기신호가 출력된다. 각 자기센서(12_1~12_n)는 자화된 중공축(2)에서 누설되는 누설자속을 각각 감지하고, 감지된 누설자속에 상응하는 출력신호를 생성한다. 출력신호는 각 자기센서(12_1~12_n)의 출력신호의 집합이다.

자기센서 어레이(12)에서 각 자기센서(12_1~12_n) 간의 배열 간격(M), 및 자기센서 어레이와 중공축 내벽면 간의 이격(lift off) 거리는 자기센서의 민감도와 특성, 공간분해능, 냉연강판의 특성, 중공축의 회전속도나 자기센서 어레이의 스캔 속도에 따라 적절하게 조정될 수 있다.

본 발명에 의하면, 어레이 형태로 배치된 자기센서를 이용하여 중공축(2)을 스캔함으로써 중공축(2)의 결함 탐상 속도를 높일 수 있다.

자기센서 어레이(12)의 출력신호는 후술할 필터링부(13)로 전달된다.

이를 위해 자기센서 어레이(12)에서 각 자기센서(12_1~12_n)의 제1 전원단자(a)는 제1 전원라인(V_CC)에 연결되고, 제2 전원단자(b)는 접지라인(GND)에 연결되고, 제1 출력단자(c)와 제2 출력단자(d)는 필터링부(13)와 각각 연결된다.

자기센서 어레이(12)는 어레이 형태로 구성되므로 어레이를 이루는 자기센서의 개수가 많을수록 중공축(2)을 스캔하는 속도가 빨라지지만, 그 출력단자(c,d)가 증가하는 문제점이 있다. 따라서, 후술할 자기센서부(11)의 구성요소인 필터링부(13), 증폭부(14), 및 AD 변환부(15)가 하나의 PCB에 함께 실장되지 않으면, 제1 전원라인(V_CC),접지라인(GND), 및 자기센서 개수의 2배가 되는 출력 라인이 필요하다. 이처럼 라인이 많아지면 관리 및 이용하는데 불편하므로, 상술한 것처럼 필터링부(13), 증폭부(14), 및 AD 변환부(15)를 하나의 PCB로 통합함으로써 자기센서 어레이(12)와 데이터 처리부(20)와의 통신 라인을 감소시킬 수 있다.

다시 도 2로 되돌아가 설명하도록 한다.

자기센서부(11)의 필터링부(13)는 자기센서 어레이(12)의 출력신호를 고대역 필터링하고, 증폭부(14)는 필터링된 출력신호를 증폭한다. 증폭부(14)에 의해 증폭 된 신호는 RMS 회로(미도시)를 통과한 후, AD 변환기(15)에 의하여 디지털 변환된 후 데이터 처리부(20)로 전달된다.

자기센서부(11)와 데이터 처리부(20)는 슬립링(slip ring, 60)을 통하여 통신함으로써, 상기 자기센서부(11)가 시험편 내벽을 회전하더라도 배선이 꼬이지 않도록 한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중공축의 결함 탐상 장치를 설명하는 도면으로서, 상술한 것처럼 슬립링(60)은 배선이 꼬이지 않개 하는 역할을 수행하며, 전원 공급기(30)와 자화부(16)의 배선이 꼬이지 않게 연결하는 역할 또한 수행한다.

도 5는 자기센서를 이용하여 중공축의 결함을 탐상하는 원리를 설명한 도면이다.

도 5를 참조하면, 자화부(16)는 원통형 요크(17)와 그 요크(17)에 감긴 코일(18)을 포함하며, 자화부(16)에는 직류 또는 교류 전류가 입력된다. 이때, 자화부(16)의 자극 간의 중심을 잇는 방향을 x축, 자극의 폭 방향을 y축, 시험편(3) 평면의 법선 방향을 z축이라 한다. 도 5에 도시된 것처럼 x 방향으로 자기장이 발생하고, 시험편(3)에 결함이 존재하면 그 결함으로 인하여 누설자속이 발생한다.

도 6a 및 도 6b는 각각 누설자속 및 유도전류에 따른 다이폴 모델을 나타낸 도면이다.

도 6a를 참조하면, 결함의 길이방향이 y 방향일 때, 누설자속은 다음처럼 표현될 수 있으며, 결함의 길이방향이 자화방향과 수직인 경우에 결함을 탐상하는 능 력이 최대가 된다.

여기서, m_MFL은 누설자속에 의한 단위면적당 자기량, z₀는 자기센서(11)와 시험편(3) 간의 간격(lift-off), t는 시험편(3) 표면으로부터의 깊이, l_C는 결함의 길이, d_C는 결함의 깊이, w_C는 결함의 폭을 각각 의미한다.

단위면적당 자기량(m_MFL)은 상수가 아니며, 시험편의 투자율(μ), 결함의 형 태(shape) 및 크기(size)에 대한 함수이다. 그러나, 단위면적당 자기량(m_MFL)은 직류 자기장의 경우에는 일반적으로 상수로 취급된다.

한편, 자기장과 직각인 방향인 y 방향으로 시험편(3)에 유도전류가 발생하며, 결함의 존재로 인하여 전기장이 왜곡된다. 이때 왜곡되는 유도전류는 시험편(3)의 표면에서 전류밀도 J_{S ,} 깊이 t에서 전류밀도 J_t로 표현될 수 있으며, J_S와 J_t는 다음의 관계가 성립한다.

여기서, δ는 침투깊이, f는 유도전류의 유도주파수, μ는 시험편(3)의 투자율, σ는 시험편(3)의 전도도를 각각 의미한다.

침투깊이는 시험편(3) 자체의 고유값이며, 유도전류의 유도주파수(f) 및 시험편의 투자율(μ)과 전도도(σ)에 의하여 표현된다.

이러한 전기장의 왜곡은 도 6b에 도시된 것처럼 결함 선단에서 유도전류에 의한 단위면적당 자기량(m_IC)로 표현될 수 있다. 주의할 점은 결함의 길이방향이 상 기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]로 표현되는 누설자속에 의한 자기장의 분포를 고려한 경우와 90도 회전되어 있다는 점이다.

유도전류에 의한 단위면적당 자기량(m_IC)은 [수학식 4]의 누설자속에 의한 단위면적당 자기량(m_MFL)과 마찬가지로 시험편의 투자율, 형상, 크기는 물론 [수핫식 5] 및 [수학식 6]처럼 유도주파수 및 전도도와 밀접한 관계를 가지며, 다음처럼 표시될 수 있다.

유도전류가 벽면을 따라 발생한다고 가정할 때, 자기장의 분포는 유도전류에 의하여 발생하는 단위면적당 자기량(m_MFL)의 결함 깊이에 따른 적분값에 의하여 나타난다. 따라서, 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]에서 표현한 것처럼 유도전류에 의한 자기장의 세기 분포를 표현할 수 있으며, 결함의 길이방향이 전기장의 방향과 수직일 경우, 즉 결함의 길이방향이 자기장의 방향과 수평일 경우가 결함을 탐상하는 능력이 최대가 된다.

교류 전류로 자화된 중공축(2)에서는 [수학식 1] 과 [수학식 8]로 표현되는 누설자속과 유도전류의 흐트러짐이 복합적으로 나타난다. 따라서, 투자율(μ)과 전도도(σ)를 가지는 강자성체 금속의 경우에는 결함의 길이방향이 자화방향과 수직일 때에는 투자율(μ)을 주요 인자로 하는 [수학식 1]에 의해 결함을 검출하고, 결함의 길이방향이 자화방향과 수평일 때에는 전도도(σ)를 주요 인자로 하는 [수학식 8]에 의하여 결함을 검출한다. 즉, 본 발명에 따르면 자극 방향의 변화 없이도 결함의 탐상 능력이 길이방향에서 받는 영향을 최소화할 수 있다.

도 5의 누설자속 및 유도전류의 왜곡에 기인한 z축 방향의 자기장은 자기센서 어레이(12)를 이용하여 측정될 수 있다. 일 실시예로서 0.52mm 간격으로 배열된 자기센서(홀센서 이용 가능)를 이용하여 x 방향으로 스캔하면, 보다 높은 공간분해능으로, 센서 간 lift-off의 차이를 최소화한 상태에서, 빠른 속도로 z 축 방향의 자기장의 크기를 획득할 수 있다.

한편, 자기센서 중 홀센서의 홀전압은 다음처럼 표현된다.

여기서, k는 홀상수, H는 자기장의 세기, I는 입력전류, θ는 자기장의 입력방향을 의미한다. 즉, 홀센서 면에 수직하는 방향의 자기장의 성분만을 검출하므로, 상기 [수학식 1] 내지 [수학식4]는 각각 다음의 [수학식 12] 및 [수학식 13]으로 변환가능하다..

[수학식 12] 및 [수학식 13]은 결함의 길이방향이 동일하지 않으며, 주파수 f에 대한 함수로 표현된다. 따라서 용이한 AD 변환을 위하여 평활화하여 DC 전압으로 변환시켜 줄 필요가 있으므로, AD 변환부(15)의 전단에 전술한 RMS(root mean square) 회로가 이용될 수 있다. 따라서, [수학식 12] 및 [수학식 13]은 최종적으로 다음처럼 표현될 수 있다.

도 7 및 도 8은 요크의 형태에 따른 상이한 실시예를 설명한 도면이다.

도 5와 같은 형상의 전자석은 도 7에 도시된 것처럼 중공축 내벽에 존재하는 결함을 탐상하기 위하여 중공축(2)의 내벽에 밀착시킬 경우, 자기센서(12)와 중공축(2) 내벽의 간격(lift-off)이 커지게 되어 자기장의 크기를 고감도로 측정할 수 없다. 따라서, 본 발명에서는 도 8에 도시된 것처럼 원통형 요크(17)를 포함하는 자화부(16)에 자기센서 어레이(12)를 일체화한 스캔센서부(10)를 이용하여, 자기센서(12_1~12_n)와 중공축 내벽 간의 간격(lift-off)을 최소화하였다.

이를 위해 자화부(16)의 요크(17)는 원통형 모양의 요크가 이용되고, 자기센서부가 실장되는 PCB는 전체적으로 중공축(2)의 내벽과의 간격을 줄이기 위해 원기둥의 일부를 잘라낸 형태로 제작되며, 그 단면은 원호 형태를 가진다.

이러한 구성에서 센서 보호필름을 중공축 내벽에 위치시킴으로써, 자기센서(12_1~12_n)와 중공축 내벽 간의 간격(lift-off)을 아주 작게(약 0.5mm 정도로) 유지할 수 있다.

자기센서 어레이(12)에서 출력되는 자기장의 세기에 비례한 전기신호는 결함의 존재에 기인한 자기장 발생은 물론 중공축 내벽의 잔류 자화 영역의 존재에 의하여 DC 성분 및 AC 성분이 혼재된다. 따라서, 본 발명에서는 잔류자화에 의한 DC 신호 성분을 제거하고 결함의 존재에 기인한 AC 신호 성분만을 추출하기 위하여, 고주파(예를 들어 약 300Hz가 바람직함)의 고대역 통과필터(High Pass Filter, 13)를 포함한다.

도 9는 시험편인 중공축을 회전시키면서 취득한 자기장 분포(V_H)를 원호방향(θ)으로 미분한 영상(dV_H/dθ)을 나타낸다. 결함의 길이방향이 축 방향인 경우는 물론 원주방향인 경우도 감도가 좋게 결함을 검출할 수 있으며, 그 방향 및 길이도 추정할 수 있다. 한편 결함의 길이는 도 9로부터 획득할 수 있지만, 작업자에 따라 그 해석 결과가 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 후술할 도 10에 나타낸 바와 같이 1/4 Algorithm을 도입한다.

결함을 정량 평가하기 위해서 다음의 식이 이용될 수 있다.

여기서, L _C 는 결함의 길이, S는 공간분해능, Max(dV_H/dθ)는 최대값군, Min(dVH/dθ)은 최소값군을 각각 의미한다.

도 10은 1/4 알고리즘을 나타낸 도면이다.

본 발명에서는 도 10에서처럼 1/4 Algorithm을 도입한다. 즉, 전체 dVH/dθ 자기영상에서 최대치 및 최저치를 전체의 평균값으로부터 4 등분하고, 그 중심으로부터 각각 1/4에 해당하는 신호 이상을 결함정보로 취급한다.

도 11은 도 9에서 1/4 알고리즘을 이용하여 나타낸 영상으로서, 도 9에서 1/4 이상 또는 -1/4 이하의 dV_H/dθ 값을 표현하면, 도 11에서 보이는 것처럼 결함의 위치, 길이 및 방향이 지시된다. 도 11의 각 결함에서 +- 1/4 등고선 이상의 값을 [수학식 16] 의 L_C/2S 대신에 입력하여 얻어진 다음 식을 각 결함의 체적과 비교하여 도시한 것이 도 12a이다.

그래프에서 알 수 있듯이 결함의 체적은 다음의 [수학식 18] 식을 이용하여 정량적으로 추정할 수 있다.

한편, 도 9 또는 도 11에서 결함의 길이 방향을 추정할 수 있으므로, [수학식 16]과 다음의 [수학식 19]를 이용하면 도 12b와 같이 결함의 체적을 정량적으로 평가할 수 있다.

[수학식 18]과 [수학식 19]를 비교하면, [수학식 18]에 의하여 추정된 체적이 보다 정확함을 알 수 있다. 뿐만 아니라, [수학식 19]는 자기장 영상으로부터 L_C를 판단해야 하므로 작업자에 의한 오차가 발생할 수 있으나, [수학식 18]의 경우는 알고리즘에 따라 소프트웨어적으로 판별할 수 있다.

본 발명에 따르면, 중공축 내벽의 결함을 검출함에 있어서, 결함의 위치, 방향 및 길이를 추정할 수 있으며, 결함의 체적을 계산할 수 있다.

본 발명에 따른 중공축 결함 탐상 장치는, 결함의 길이방향에 따른 탐상 능력의 저하를 해결하고, 자분을 사용하지 않음으로써 중력에 의한 탐상 능력의 불균일성을 해소하고 전/후처리 공정을 최소화하고, 미세한 간격(520um이 바람직)으로 선형 배열되어 높은 공간분해능을 가지는 자기센서를 이용하여 비접촉식 고공간분해능의 자기영상을 취득하고, 소형 신호처리회로를 개발하여 최소 공간에서 자기장 신호를 취득/처리/전송할 수 있도록 하였으며, 슬립링(slip ring)을 이용하여 데이터를 전송함으로써 스캔센서부가 연속하여 중공축 내부에서 회전하면서 내벽 스캔이 가능하도록 구현되었다. 또한 본 발명의 구성 및 원리에 의하여 각각 중공축의 원주방향 및 원호방향의 결함을 모두 검출할 수 있으며, 결함의 체적을 고정밀도로 추정할 수 있다.

이상에서는 도면에 도시된 구체적인 실시예를 참고하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하므로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자라면 이로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등 및 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자기센서 어레이를 이용한 중공축의 결함 탐상 장치를 설명한 도면.

도 2는 자기센서부를 설명한 도면.

도 3은 자기센서 어레이를 설명한 도면.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중공축의 결함 탐상 장치를 설명한 도면.

도 5는 자기센서를 이용하여 중공축의 결함을 탐상하는 원리를 설명한 도면.

도 6a 및 도 6b는 각각 누설자속 및 유도전류에 따른 다이폴 모델을 나타낸 도면.

도 7 및 도 8은 요크의 형태에 따라 상이한 실시예를 설명한 도면.

도 9는 중공축을 회전시키면서 취득한 자기장 분포를 원호방향으로 미분한 영상을 나타낸 도면.

도 10은 1/4 알고리즘을 나타낸 도면.

도 11은 도 9에서 1/4 알고리즘을 이용하여 나타낸 영상.

도 12a 및 도 12b는 각각 결함의 체적을 추정한 그래프.

Claims (8)

1. 중공축의 결함을 탐상하기 위한 결함 탐상 장치로서,

   전류를 이용하여 생성된 자기장으로 중공축의 내벽을 자화시키는 자화부와, 일렬로 배열된 n개의 자기센서를 포함하며 자화된 중공축의 피측정 영역에서 누설되는 누설자속을 감지하여 그 누설자속에 상응하는 출력신호를 생성하는 자기센서부를 포함하는 스캔센서부;

   상기 자기센서부로부터 출력신호를 수신하고, 그 출력신호를 분석하여 상기 중공축 내부의 결함을 탐상하는 데이터 처리부; 및

   상기 자화부로 전류를 공급하는 전원 공급기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중공축의 결함 탐상 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 결함 탐상 장치는

   상기 중공축을 나선 회전시키는 중공축 회전부를 더 포함하며,

   상기 스캔센서부는 상기 중공축의 내벽 표면에 이격되어 고정 배치되는 것을 특징으로 하는, 중공축의 결함 탐상 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 결함 탐상 장치는

   상기 스캔센서부를 상기 중공축의 내벽 표면에서 소정 거리만큼 이격된 채로 상기 중공축의 내벽 표면을 따라 나선 회전시키는 센서 회전부를 더 포함하며,

   상기 중공축은 고정되어 회전하지 않는 것을 특징으로 하는,중공축의 결함 탐상 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 자기센서부는

   일렬로 배열된 n개의 자기센서를 포함하는 자기센서 어레이;

   자기센서 어레이의 출력신호를 필터링하는 필터링부;

   필터링된 출력신호를 증폭하는 증폭부; 및

   증폭된 출력신호를 AD(analog to dogital) 변환하는 AD 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 중공축의 결함 탐상 장치.
5. 제1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 자기센서부는 단일 PCB(printed circuit board)에 실장되며,

   상기 자화부는 상기 PCB(printed circuit board)에 결합된 것을 특징으로 하는, 중공축의 결함 탐상 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 PCB는

   중공축의 내벽과 자기센서 간의 간격을 줄이기 위해 중공축의 내벽면으로부터 일정하게 이격되는 곡면의 판상인 것을 특징으로 하는, 중공축의 결함 탐상 장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 스캔센서부와 상기 데이터 처리부는

   슬립링으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 중공축의 결함 탐상 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 전원 공급기는

   소정의 주파수를 갖는 교류 전류를 발생시키는 주파수 발생부;

   주파수 발생부로부터 발생되는 교류 전류를 전력 증폭하는 전력 증폭부를 포함하며,

   상기 소정의 주파수에 대한 정보는 상기 데이터 처리부로 제공되는 것을 특징으로 하는, 중공축의 결함 탐상 장치.

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