KR20120002535A - 초음파 검사 시스템 - Google Patents

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디트마르 오베르호프
귀도 플로르
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디트마르 오베르호프
귀도 플로르
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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 송광 유닛과 적어도 하나의 수광기 유닛을 포함하는, 검사체를 검사하기 위한 초음파 검사 시스템으로서, 송광 유닛이 불꽃 간극을 발생시키고, 상기 불꽃 간극은 검사체의 표면 및/또는 내부에 초음파 진동을 발생시키며, 수광기 유닛은 검사체의 표면의 진동을 광학적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 초음파 검사 시스템용 송광 장치와 수광 장치 및 초음파 검사 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

초음파 검사 시스템{ULTRASONIC TEST SYSTEM}
본 발명은 적어도 하나의 송광 유닛과 적어도 하나의 수광 유닛을 포함하는 초음파 검사 시스템; 적어도 하나의 송광 유닛을 포함하는, 검사 대상을 검사하기 위한 초음파 검사 시스템용 송광 장치; 검사 대상의 표면의 적어도 두 개의 측정 영역들을 비추기 위한 레이저를 포함하고 검사 대상의 표면의 진동을 광학적으로 측정하기 위한 적어도 두 개의 수광 유닛을 포함하는, 검사 대상을 검사하기 위한 초음파 검사 시스템용 수광 시스템; 그리고 초음파 검사 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
비파괴 초음파 검사 및 계측 공학의 여러 방법들은 강 제품 및 여타 금속 제품의 품질 관리 측면에서 품질 개선에 기여할 실질적인 잠재력을 보여주고 있다. 초음파 검사의 경우, 검사체에서 초음파가 발생되고, 스트립 두께와 검사체에나 혹은 검사체 표면에 있을 수 있는 결함은 음향 신호 지속 시간(run time) 및 결함부에서 특히 반향(echo)을 발생시킬 수 있는 간섭 신호들의 지속 시간을 가지고 확인할 수 있다. 내부 및 표면에 있을 수 있는 결함을 발견하기 위해서는 혹은 제조 공정 중의 벽 두께 측정을 위한 이러한 유형의 신뢰성 있는 라인 상의 검사(online testing)는 경제적인 장점이 크다. 제품의 상태에 관한 조기에 확인되는 정보에 의해서 완성품의 품질을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 생산 관리 대책을 세울 수 있으며, 그 결과 추가 가공 중에 생산성과 품질이 실제로 증가될 수 있고 제조 공정 중의 작업자의 안전성이 향상될 수 있다.
고온 제품 또는 고속으로 이동하는 제품의 경우, 압전식 초음파 탐촉자를 이용한 통상의 검사가 불가능하다. 레이저 초음파 또는 전자기 음향 탐촉자(electro-magnetic acoustic transducer)(EMAT 검사법)와 같은 대안적인 방법들은 매우 고가이거나, 혹은 자유 초음파(free ultrasonic waves)의 경우 감도가 충분치 않다.
냉간 소재를 검사하는 경우, 예를 들어 후판 검사에서, 이 검사는 통상적으로 탐촉자와 시료 간의 접촉이 물 간극을 개재시켜 이루어진 매우 많은 수의 압전 탐촉자들을 이용하여 행해진다. 이 경우 장치 또는 전자 장치의 가격은 매우 비싸다. 예를 들어 표면에 그리스 또는 오일의 얼룩이 있거나, 혹은 다른 불순물들 또는 비평탄한 표면으로 인해, 탐촉자와 시료 간의 접촉이 깨지거나 바뀔 수 있고, 이에 따라 허위 오류 표시(pseudo error indication)가 더 빈번하게 발생될 수 있다.
압연 후판의 일반적인 파라미터는 다음과 같다.
소재: 탄소 및 저합금 고강도 강
판 두께: 5mm - 80mm, 특히 최대 100mm 또는 150mm
판 폭: 1,000mm - 3,600mm
판 길이: 5,000mm - 36,000mm
판 온도: 대략 5℃ - 110℃
판 곡률: 대략 15mm/1m - 50mm/1m
검사 속도: 최대 1m/s
표면 특성: 생산 조건 하에서, 압전식 검사 방법을 이용한 초음파 검사 도중에 오류 표시를 발생시킬 수 있는, 예를 들면 거친 영역, 물결 모양 비평탄부, 오일 및 그리스의 얼룩, 녹 영역 등과 같은, 각기 다른 많은 표면 결함들을 특히 95%까지 알아낼 수 있다.
레이저-초음파 송수광 시스템(laser-optical ultrasonic transmitting and receiving system)이 금속 소재의 초음파 소재 검사 또는 초음파 벽 두께 측정에서의 특정 문제들을 위해 최근 사용되고 있다.
"레이저 초음파"라는 용어는 초음파 반사의 광학적 검출(보통 간섭식)과 관련된 짧은 레이저 펄스에 의한 초음파 여기를 특징으로 하는 비접촉식 초음파 측정 및 검사 방법을 의미하는 것으로 이해할 수 있다. 보통 지속 시간이 수 나노초인 레이저 펄스가 소재의 표면을 타격하면, 그 에너지 중 일부가 흡수되고 나머지는 투과되거나 반사된다. 흡수된 에너지의 대부분은 열로 변화되지만, 소량은 초음파의 형태로 밖으로 빠져나간다.
두 가지 서로 다른 여기 메커니즘, 즉 열탄성 여기와 펄스 전달에 의한 여기 사이에는 차이점이 있다. 열탄성 초음파 여기는 국부적인 흡수, 가열 및 열팽창으로 충분히 설명된다. 낮은 레이저 펄스 강도가 있으면 초음파원을 결정한다. 초음파 강도가 증가하면, 부착층들이 박리되고, 소재가 증발되어 플라즈마가 형성된다. 이는 강의 경우에 있어서 표면의 영향이 마이크로미터 범위의 층까지 제한적으로 유지되는 최대로 유용한 의의를 갖는 여기 메커니즘이다. 레이저 펄스에 의해 발생된 초음파 진동은 복잡한 공간적 및 시간적 구조를 특징으로 한다. 충격 전달에 의한 여기 중에, 구조물에 수직으로 퍼지고 피가공물에서 펄스-반향 시퀀스로 알려져 있는 방식으로 반사되는 높은 대역폭의 종방향 펄스가 주로 발생된다. 그러면 법선 방향의 표면 진동은 위상 변조 또는 주파수 변조로 도플러 효과를 이용함으로써 간섭식(interferometrically)으로 측정될 수 있다. 다시 설명하면, 법선 방향의 표면 진동은 도플러 효과로 인한 빛의 위상 변조 또는 주파수 변조를 야기하고, 광 검출기로 측정될 수 있는 진폭 변조 신호로 간섭식으로 변환될 수 있다.
다수의 서로 다른 유형의 간섭계들이 보통 수 옹스트롬 내지 나노미터 범위의 초음파 반사를 검출하기에 적합하다. 그러나 레이저 조사와 불가피하게 관련되는 스페클 효과(speckle effect) 때문에 공업 표면의 선택이 제한된다. 지금까지는 지연 시간 간섭계와 패브리 페로 간섭계(Fabry-Perot interferometers)가 고속 이동 표면에 대해 이용이 가능했다. 지연 시간 간섭계는 아주 크고 이에 따라 실제로는 사용하기는 어렵다.
이러한 유형의 초음파 변환은 널리 사용되는 압전식 초음파 탐촉자들에 비해 다음과 같은 중요한 장점들이 있다.
- 검사 또는 벽 두께 측정이 비접촉식으로 행할 수 있다.
- 결합 매체가 필요 없다.
- 고속 이동 소재를 검사할 수 있다.
- 고온 소재를 검사할 수 있다.
- 음향이 소재 자체의 표면에서 발생하고 표면의 진동이 검출되기 때문에, 통상의 압전식 초음파 탐촉자들을 사용할 때 발생되는 결합 문제들을 피할 수 있다.
압전식 초음파 탐촉자들과 비교할 때 기본적인 단점들은 다음과 같다.
- 전달 반복률이 예를 들면 100Hz 미만으로 낮다.
- 시스템의 감도가 압전식 초음파 탐촉자보다 낮다.
- 단일 채널 검사 시스템의 가격이 매우 높다.
광 에너지를 초음파 에너지로 변환하는 효율이 매우 좋지 않다. 따라서 공지된 시스템에서의 전달 레이저의 예를 들면 360mJ/전달 펄스의 파워는 매우 높아야 하는데, 이는 이용할 수 있는 레이저 파워가 발생된 전달 펄스들에 분산되기 때문에 펄스 반복률이 예를 들면 100Hz 미만으로 낮다는 것을 의미한다. 이에 따라 레이저-레이저 초음파 시스템이 사용되면, 낮은 펄스 반복률에서 좋지 않은 신호/잡음 비를 갖는 신호들이 수광된다.
본 발명의 목적은 한편으로는 공지의 방법들에서 발생되는 문제점들을 피할 수 있고 다른 한편으로는 비교적 경제적으로 생산할 수 있는 새로운 검사 및 측정 방법을 개발하는 데 있다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 본 발명의 목적은 특허청구범위 제1항의 요지에 의해 달성된다. 유리한 실시예들은 종속청구항들 및 이하의 설명에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 초음파 검사 시스템의 송광 유닛이 검사 대상물의 표면 및/또는 내부에 초음파 진동을 발생시키는 불꽃 간극을 발생시키는 것과 수광 유닛이 검사 대상물의 표면의 진동을 광학적으로 측정하는 것을 알았다.
전기 방전에 의해 생성된 불꽃 간극, 즉 플라즈마는 초음파를 생성하도록 발생된다. 불꽃 간극은 점화되고 송광 유닛과 검사 대상물의 표면 사이로 송광된다. 방전 중에 생성된 불꽃 간극의 플라즈마는 표면을 충격하고 표면의 초음파 측정에 필요한 압력 펄스를 발생시킨다.
이를 위해, 송광 유닛은 적어도 하나의 점화 코일과 미리 정해진 시간들에 점화 코일을 점화시키기 위한 전자 제어 시스템을 구비한다. 이러한 목적을 위해 필요한 전자 시스템, 특히 점화 코일 또는 점화 커패시터 및 전자 제어 시스템은 매우 경제적으로 생산될 수 있고, 이에 따라 여러 가지 방법으로 구성될 수 있다. 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환하는 효율은 광학 에너지를 초음파 에너지로 변환하는 것과 비교하여 훨씬 우수하다. 이러한 이유 때문에, 충분히 큰 검사 폭을 달성하기 위하여 다수의 송광 유닛들, 특히 100개 이상의 송광 유닛들이 사용될 수 있다.
변환 중에 발생되는 전자기 펄스는 수광기 유닛의 광학 시스템에 부작용을 일으키지 않고, 이에 따라 불꽃 간극과 효과적으로 조합될 수 있다. 불꽃 간극의 광은 바람직하게는 불꽃의 타격 구역과 광학 수광기의 측정 영역 사이의 적당한 스크린에 의해 가려져 측정에 영향을 주는 것이 감소된다.
초음파를 수광하기 위해, 특히 조사 레이저가 마련되고, 조사 레이저의 광은 측정 영역의 표면을 비추며, 수광기 유닛은 측정 영역에서부터 수광기 유닛에 입사되는 광을 수광하는 것을 특징으로 하는, 상업적으로 이용 가능한 레이저-초음파 수광 시스템이 사용될 수 있다. 특히, 다수의 수광기 유닛, 특히 100개 이상의 수광기 유닛이 마련될 수 있다. 이에 따라 큰 검사 폭을 또한 얻을 수 있고, 다수의 수광기 유닛들은 바람직하게는 다수의 송광 유닛들에 맞추어 구성된다.
바람직한 실시예는, 조사 레이저와 측정 영역들이 마련되고, 수광기 유닛이 측정 영역에서부터 수광기 유닛에 입사되는 광을 수광할 수 있게 측정 영역이 수광기 유닛들 각각과 연관되며, 광 안내 시스템이 레이저의 광을 광 안내 시스템의 제1 위치에서 제1 측정 영역으로 그리고 광 안내 시스템의 제2 위치에서 제2 측정 영역으로 방출하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 둘 이상, 특히 대략 100개의 측정 영역들이 조사 레이저와 수광기 유닛으로 이루어진 장치와 함께 사용될 수 있다.
예를 들어 두꺼운 판 검사에 있어서, 많은 수광 채널들이 사용될 경우, 광 안내 시스템은 레이저의 광을 분리시켜서 분리된 광을 한 측정 영역으로 그리고 다른 측정 영역으로 방출할 수 있다. 이와 관련하여, 레이저-초음파 수광 시스템은 광 섬유들을 구비한 광학 멀티플렉서(optical multiplexer) 또는 매트릭스 스위치(matrix switch)를 거쳐서 많은 수광 렌즈들에 연결될 수 있다.
다른 바람직한 방식에서는, 수광기 유닛이 간섭계를 포함하거나 또는 광 안내 시스템이 수광기 유닛에 입사되는 광을 간섭계로 전달한다.
예를 들어 불꽃 간극과 같은 비교적 효율이 높은 송광 시스템이 사용되면, 송광 시스템의 일차 파워는 훨씬 작을 수 있고, 펄스 반복률은 증가될 수 있고 시스템 가격은 크게 감소될 수 있다. 이에 따라, 많은 경제적인 가격의 병렬 송광 시스템들의 구성 중에 그리고 레이저-초음파 수광 시스템의 순차적인 사용 중에 전반적으로, 많은 병렬 검사 트랙들과 비교적 낮은 검사 채널 당 비용으로 매우 높은 샘플링률을 구현할 수 있다.
레이저-광학식 초음파 수광 시스템은 보통 엔디:야그(Nd: YAG) 레이저인 조사 레이저를 이용하여 파워가 대략 500mW - 2W로 비교적 낮은 연속파 모드로 작동한다.
수광 시스템은 하나의 검사 채널, 즉 하나의 측정 영역만을 고려하는 수광기 유닛에 대해서는 통상의 초음파 방법과 비교하여 비쌀 수 있다. 광학 멀티플렉서를 사용함으로써, 레이저-광학식 초음파 수광 시스템을 N개의 수광 장소 또는 수광기 유닛들에 대해 사용할 수 있게 된다. 이에 따라 초음파 시스템을 경제적인 가격으로 구성할 수 있게 되는데, 이는 수광 채널 또는 수광기 유닛 당 가격이 매우 저렴하기 때문이다.
후판 검사용 레이저-광학식 초음파 수광 시스템 당 수광 채널들의 수를 추정하면 다음의 결과를 얻는다.
음향 경로: 최대 2 X 100mm
음속: 5920m/s
검출 신호 창(signal window):33.8㎲
이에 따라 개개의 신호 창들이 시간적으로 올바르게 서로 연결되면 대략 30kHz의 최대 가능 신호 반복률이 발생된다. 검사 트랙 당 100Hz의 펄스 반복률을 가정하면, 즉 1m/s의 이동 속도에서 10mm의 분해능으로, 광학 멀티플렉서의 스위칭 시간을 무시하면 최대 300개의 병렬 검사 트랙들이 생긴다. 이러한 환경에서, 송광기들을 적절하게 활성화시키거나 또는 상응하는 광학 멀티플렉서 입력을 선택함으로써, 레이저-광학식 초음파 수광 시스템을 이용하여 각각이 100Hz 펄스 반복률을 갖는 300개의 검사 트랙을 처리할 수 있다.
비교: 통상의 압전식 검사 시스템들은 예를 들면 각각이 12.5mm와 16.6mm 트랙 폭을 갖는 288개(GE 검사 기술(GE Inspection technologies)) 또는 216개(NDT 시스템 및 서비스(NDT systems & services))의 수광 트랙들로 작동한다.
위에서 설명한 레이저 초음파용 패브리 페로 간섭계 수광 시스템의 감도는 다음과 같다.
Figure pct00001
SNR = 신호 대 잡음 비
S = 간섭계 감도( < 1)
U = 초음파 표면 굴절(송광기에 따라 좌우됨)
Pdet = 검출기에서의 조사 파워(집광 렌즈의 크기; 조사 레이저의 강도; 및 수광 렌즈와 표면 간의 거리에 따라 좌우됨)
η = 검출기에서의 양자 효율( > 50 % )
λ = 광 파장
Β = 굴절 대역폭
K = 상수
최대 SNR 신호는 또한 수광 조사 레이저의 잡음에 의해 제한된다. 수광 레이저의 진폭 잡음과 위상 잡음은 기본적인 잡음이다. 하나의 공진기를 구비한 패브리 페로 간섭계에서는 대략 26dB의 SNR이 얻을 수 있다. 두 개의 공진기를 구비한 패브리 페로 간섭계에서는 차동 측정법(differential measuring method)에 의해서 진폭 잡음이 제거되기 때문에 대략 45dB의 SNR을 얻을 수 있다.
두 개의 공진기를 구비한 시스템들은 평균적인 오류 감수성(error susceptibility)을 갖는 검사 방법용으로 사용될 수 있다. 하나의 공진기를 구비한 시스템들은 사실상 벽 두께를 측정하는 데에 적합할 뿐이다.
또한, 광학식 간섭계 대신 광굴절성 결정을 사용하는 레이저-초음파 수광 시스템이 공지되어 있다. 광굴절 효과란 광 도전성, 전자-광학적 결정(electro-optical crystal)에서의 광에 의해 유도되는 굴절율 변경을 말한다. 수광 시스템은 작동 조건 하에서 사용하기에 특히 적당하다.
이러한 유형의 간섭계를 이용하여, 대략 70dB의 SNR을 얻을 수 있다. 차동 검출기를 사용하면 진폭 잡음을 제거할 수 있다. 또한, 위상 잡음은 신호와 기준 광의 광 경로 길이가 동일할 때 제거될 수 있다.
이 간섭계는 매우 간소하게 구성될 수 있고, 주변 충격에 덜 민감하게 반응하고, 능동적인 안정화를 필요로 하지 않는다.
많은 수광 장소들에서 간섭식 수광 시스템을 작동시킬 수 있게 하기 위해, 적당한 광학 스위치들이 필요하다.
광학 스위치들은 각기 다른 방법들로 작동한다. 전자기계식 방법은 현미경으로만 볼 수 있을 정도로 작은 미러들, 즉 미소 전자기계식 미러(MEM: Micro Electromechanical Mirror)들을 이용하여 작동한다. 이 방법에서는, 미소 미러들의 축들이 경사져 있다.
다른 방법들은 광 결합기들 또는 광 스위칭 망들에 근거하여 순전히 광학적으로 작동하며, 또 다른 방법들은 액정 방식 또는 버블 젯(bubble jet) 방식에 근거하여 작동한다. 마지막으로 언급한 방법에서, 스위칭 과정 중에 소위 버블이라고 하는 챔버들이 액체로 채워지는데, 이 챔버들의 굴절률은 빈 챔버들의 굴절률과 다르다.
현재로서는, 이러한 방법들을 이용하게 되면, 대략 10ms 내지 20ps 범위의 스위칭 시간(switching time)이 얻어진다. 비파괴 검사를 제조 초기 단계에 포함시킴으로써, 에너지와 소재 측면에서 금전적으로 상당히 절약할 수 있게 되고 제품 품질도 향상시킬 수 있게 된다. 강 제품의 생산에서도 논리적 타당성을 갖게 되는 이와 같은 경향을 추구함에 있어서는 가능한 한 생산 공정 중에 제품 품질을 검사해야 하는 것이 수반된다.
위에서 설명한 검사 방법에 의해서 가혹한 산업 환경에서 고속으로 연속적이고 자동화된 품질 검사를 행할 수 있게 된다.
추가적인 공정 전에 실시하는 내부 및 표면 결함에 대한 신뢰성 있는 비파괴 검사는 품질 제어의 일부분으로서 상당한 장점이 있다.
생산 초기 단계에서의 제품 품질에 대한 신뢰성 있는 정보의 유용성은 최종 제품의 품질 향상에 기여할 뿐만 아니라 추가 공정에서 생산성과 품질을 크게 증가시킬 수 있는 최적화된 제조 파라미터들을 설정하는 기반을 형성한다.
가능한 용도들은,
- 예를 들면 파이프 생산과 같은 생산 도중의 많은 측정 트랙들에 대한 벽 두께 측정,
- 빌릿(billet) 또는 단조 부품 생산과 같은 생산 도중의, 검사하기 어려운, 후판 및 특히 고온 소재 또는 고속으로 이동하는 소재에 대한 초음파 오류 검사 및 벽 두께 측정, 그리고
- 많은 검사 업무들의 결합 조건을 개선시키고 및 그 결과로서, 예를 들어 후판 검사에서, 허위 오류 표시를 감소시키는 것이다.
비접촉식 검사의 결과로써 그리고 결합 매체 생략의 결과로써, 예를 들어 후판 검사에서의 기계적인 비용 지출을 크게 감소시킬 수 있고, 이에 따라 비용 절감의 가능성 또한 현저히 높아진다.
개선된 측정 및 검사 방법에 의하면, 생산 공정이 비교적 좁은 허용치(limit) 내에서 수행될 수 있게 되고, 이에 따라 품질이 증가되고 생산량이 더 커지게 된다. 후자는 공업 제품의 지속 가능성을 증가시키기 위한 가장 효과적인 방법 중 하나인데, 이는 후자의 결과로서 더 적은 소재가 생산되고 이에 따라 원료와 에너지가 절감되며 배출이 방지되기 때문이다. 이 개발예는 모든 강 제조 업체들과 비철 금속 생산 업체들에 의해 사용될 수 있다.
상술한 목적은 특허청구범위 제9항의 요지에 의해서 제2 양태에 따라 달성된다. 유리한 실시예들은 종속청구항들 및 이하의 설명에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 검사 대상물을 검사하기 위한 초음파 검사 시스템용 송광 장치는 적어도 하나의 송광 유닛으로 구성되며, 송광 유닛은 불꽃 간극을 발생시키는 수단을 포함하고, 불꽃 간극은 검사체의 표면 및/또는 내부에 초음파 진동을 발생시킨다.
불꽃 송광에 의해 검사 대상물에 초음파를 발생시키는 것은 더욱 효과적인데, 이는 송광 장치의 생산 및 작동이 종래 기술에서 공지된 레이저-초음파 발생 또는 압전-초음파 발생 방법과 비교하여 더 저렴하기 때문이다. 불꽃의 플라즈마의 강한 펄스는 매우 정밀하게 제어될 수 있고, 시간과 기간 둘 다 정확하게 설정될 수 있다. 이와 관련하여, 스위칭 시간과 스위칭 기간의 정확성은 넓은 허용치 내에서 조정될 수 있다. 송광 유닛은 바람직하게는 점화 코일과 미리 정해진 시간들에 점화 코일을 점화시키기 위한 제어 전자 장치를 포함한다. 송광 유닛의 이 실시예는 유리하게는 저전압측에 연결되고, 이에 따라 전자 시스템에 드는 비용이 낮다.
마찬가지로, 송광 유닛은 점화 커패시터와 미리 정해진 시간들에 점화 커패시터를 충전 및 방전시키기 위한 제어 전자 장치를 포함할 수도 있다. 비록 이 경우에 더 큰 비용이 필요한 고전압이 신속하게 스위칭되어야 하지만, 스위칭 정확도는 본 실시예의 구성에 의해서 더욱 증가된다.
상술한 목적은 특허청구범위 제12항의 요지에 의해서 제3 양태에 따라 달성된다. 유리한 실시예들은 종속청구항들 및 이하의 설명에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 검사체를 검사하기 위한 초음파 검사 시스템용 수광 시스템은 검사체의 표면의 적어도 두 개의 측정 영역들을 비추기 위한 레이저와, 검사체의 표면의 진동을 광학적으로 측정하기 위한 적어도 두 개의 수광기 유닛을 포함한다. 또한, 간섭계와 수광 광 안내 시스템이 마련되고, 수광 광 안내 시스템은 서로 다른 위치들에서 서로 다른 측정 영역들에서 나오는 광을 간섭계로 안내한다. 이와 관련하여, 간섭계와 수광 광 안내 시스템은 위치들 각각에서 각각 수광기 유닛을 형성한다.
수광 시스템의 이러한 구성에서는, 수광 광 안내 시스템의 일부가 한 위치에서 측정 영역들 각각과 연관됨으로써 다채널 장치가 구현된다. 이에 따라, 이 부품은, 수광 광 안내 시스템의 이 위치에서, 픽업된 광이 간섭계로 안내되도록 선택적으로 제어될 수 있다. 광 안내 시스템은 예를 들어 미러 장치와 같은 임의의 광학 부품들로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 각각이 측정 영역들 중 한 영역을 포착하는 두 개의 광 안내부가 마련되고, 광 안내부들 각각에서 나온 광을 간섭계로 안내하는 광학 스위치가 마련된다. 광학 스위치의 위치에 따라, 특정 측정 영역에서 픽업된 광이 광 안내부에 의해 간섭계로 안내된다. 광학 스위치를 스위칭함으로써, 검출되어야 할 각기 다른 측정 영역들을 연속적으로 검출할 수 있고, 각각의 경우에 동일한 간섭계가 사용된다. 이러한 유형의 멀티플렉싱에 의해서, 다수의 측정 영역들을 연속적으로 검사할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 이러한 조건들 하에서, 광학 멀티플렉서를 적절하게 제어함으로써, 레이저-광학식 초음파 수광 시스템을 이용하여 예를 들어 각각이 100Hz 펄스 반복률을 갖는 300개의 검사 트랙들을 처리할 수 있게 된다.
앞에서 설명한 수광 시스템의 바람직한 구성에서는, 광 안내 시스템은 레이저의 광을 각기 다른 위치들에서 각기 다른 측정 영역들로 방출한다. 수광 시스템의 검출 측에서의 상황과 유사하게, 레이저 광은 그 레이저 광이 수광 광 안내 시스템에 의해 광이 현재 수광되고 있는 측정 영역으로만 방출될 수 있게 광 안내 시스템에 의해서 검사체로 안내될 수 있다. 이에 따라 레이저 파워는 광이 사용되는 곳에서 의도적으로 사용될 수 있다. 결국, 전반적으로 낮은 레이저 파워가 사용되거나 또는 이용할 수 있는 레이저 파워가 더욱 효과적으로 사용될 수 있다. 이 경우에서도 역시, 광 안내 시스템은 예를 들어 미러 장치와 같은 임의의 광학 부품들로 이루어질 수 있다.
상술한 수광 시스템에서는, 바람직하게는 측정 영역들 각각과 연관되는 적어도 두 개의 광 안내부들이 사용되고, 광학 스위치는 레이저 광을 광 안내부들 각각으로 선택적으로 안내한다. 이와 같이 효과적으로 작동하는 조사 시스템은 예를 들어 상술한 각각이 100Hz 펄스 반복률을 갖는 300개의 검사 트랙을 처리할 수 있도록 신속한 스위칭 과정에 의해 레이저 광을 분배할 수 있다.
앞에서 설명한 본 발명의 제2 양태에 따른 송광 장치와 본 발명의 제3 양태에 따른 수광 시스템은 함께 위에서 설명한 유형의 초음파 검사 시스템에 사용될 수 있다. 특히 광학 다채널 시스템일 수 있는 두 개의 조정된 광학 시스템의 광학 스위치들에 의한 사용을 통해서, 신속한 실행 시간으로 큰 대역폭을 검사할 수 있다.
본 발명은 또한 앞에서 설명한 본 발명에 따른 초음파 검사 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 방법에서는 병렬로 작동되는 적어도 두 개의 송광 유닛들을 포함하는 송광 장치를 이용한 검사체의 불꽃 간극들에 의해 초음파가 발생되고, 초음파 신호는 적어도 두 개의 광학 수광기 유닛을 포함하는 수광 시스템에 의해 측정되고, 하나의 송광 유닛과 하나의 수광기 유닛이 서로 연관되고, 서로 연관된 송광 유닛과 수광기 유닛은 서로에 대한 시간 조정 하에서 활성화되고, 그리고 측정 지점들의 망은 검사체 상에서 송광 장치와 수광기 유닛이 순차적으로 활성화됨으로써 검사된다.
본 발명의 방법의 추가적인 특징과 장점들은 앞서의 그리고 이하의 설명에 기재되어 있다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 송광 장치와 본 발명에 따른 수광 시스템을 구비한 본 발명에 따른 초음파 검사 시스템의 예시적인 실시예를 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 측정 신호들을 도시한 그래프들이다.
도 1에는 본 발명에 따른 송광 장치와 본 발명에 따른 수광 시스템을 구비한 본 발명에 따른 초음파 검사 시스템이 도시되어 있다. 또한, 본 발명에 따른 방법을 이 초음파 검사 시스템을 이용하여 수행할 수 있다.
도 1에 도시된 측정 장치는 우선 초음파 검사 시스템의 부품들(이하에서 설명함)의 제어를 수행하고 조정하는 제어부(2)를 포함한다.
우선, 검사 대상물을 검사하기 위한 초음파 검사 시스템용 송광 장치(4)의 작동 모드를 설명한다. 송광 장치(4)는 송광 전자 장치(6), 점화 코일(8) 및 전극(10)을 포함하며, 이들이 함께 송광 장치를 형성한다. 점화 코일(8)은 전극(10)과 함께 불꽃 간극(spark gap)(12)을 발생시키기 위한 수단을 이루는데, 불꽃 간극(12)은 검사 대상물(14)의 표면 및/또는 내부에 초음파 진동을 발생시킨다.
제어부(2)는 제어 신호를 라인(6)을 거쳐 송광 전자 장치(6)에 송광하고, 그 결과 불꽃 간극(12)을 발생시키기 위하여 특히 점화 시간 및 점화 지속 기간에 대한 정확한 시간 시퀀스가 이루어진다. 송광 전자 장치(6)는 점화 코일에 배치된 변압기의 일차측에서 직류를 차단시키고, 그 결과 방전(breaking-down) 자기장에 의해 이차측에 불꽃 간극(12)을 발생시키기에 충분한 전압이 발생된다.
점화 코일 장치 대신, 점화 커패시터가 구비될 수도 있는데, 이 경우에는 커패시터를 불꽃 간극을 점화시킬 수 있을 정도로 충전시키기 위해서 제어 전자 장치(6)에 의해 발생되는 전압은 그 자체로 충분해야 한다.
도 1에서, 세 개의 개략적인 평면(18)은 다수의 송광 유닛들이 서로 옆에 평행하게 배열된 것을 나타낸다. 이와 관련하여, "평면"이라는 용어는 평면에 배열된 것들이 기하학적으로 한 평면에 배열되는 것으로 이해해서는 안 되고, 각 "평면"이 별도의 장치를 포함하며 서로 다른 장치들이 서로 평행하게 배열되는 것을 의미하는 것으로 이해야 한다.
각 평면(18)에는 라인(16)들 중 한 라인을 거쳐서 제어부(2)로 제어되는 송광 전자 장치(6), 점화 코일(8) 및 전극(10)이 구비된다. 이에 따라, 서로 평행하게 배열된 송광 유닛들은 불꽃 간극(12)들을 연속해서 발생시켜서 검사 대상물(14)의 표면의 서로 다른 지점들에 초음파 펄스들을 유도할 수 있다.
본 발명에 따르면, 송광 장치는 측정될 검사체에 가해진 요건에 따라 하나 이상의 송광 유닛들로 이루어질 수 있다.
또한 도 1에는 초음파 검사 시스템용 수광 시스템도 도시되어 있다. 레이저(20)는 광학 스위치(22)에 의해 광 안내부(24) 또는 광 도파부(OWG: optical wave guide)로 유도되는 레이저 빔을 발생시킨다. 광 안내부(24)는 적당한 광학 시스템(26, 28)들로 광을 제1 평면(18)의 측정 영역(30)으로 전달한다.
측정 영역(30)에서 반사된 광은 광 분리기(32)에 의해서 광 경로 밖에서 결합되어서, 적절한 렌즈(34)에 의해 광 안내부(36)로 유도된다. 그러면, 광학 스위치(38)는 광 안내부(36)에서 나온 광을 결합시키고 이 광을 간섭계(40)로 안내한다. 검출기(42)는 평가 유닛(44)으로 전달되는 출력 신호를 발생시킨다. 평가 유닛에서, 신호는 아날로그/디지털 변환 및 실시간 신호 처리에 의한 통상적인 방법으로 평가되고, 그 결과는 컴퓨터(46)로 전달된다.
예를 들어 검사체에서 퍼지는 초음파로 인한 표면 진동이 발생되면, 특히 법선 방향으로 반사광의 도플러 편이가 일어난다. 그러면 이들 위상 변조 또는 주파수 변조 광 진동은 광검출기로 측정될 수 있는 진폭 변조 신호로 간섭식으로 변환된다.
앞서 설명한 구성은 다수의 평면(16)들에 마련되며, 평면들 각각에는 다수의 측정 영역(30)을 포착(capture)하기 위하여 앞서 설명한 수광기 유닛이 배열된다. 그러면 제어부(2)는 두 개의 광학 스위치(22, 38)를 이들 광학 스위치들이 서로 다른 위치를 취하도록 라인(48)을 거쳐서 제어한다. 이에 따라 레이저 광은 광 안내부(36)에 의해서 픽업된 반사광이 간섭계(40)로 안내되는 것과 동시에 광 안내부(24)로 안내된다. 그러므로 두 광 안내부(22, 38)들 모두 동시에 "활성(active)"이 된다. 광 경로들의 스위칭 및 이에 따른 인접 배치된 수광기 유닛들의 스위칭을 변경함으로써, 수광 시스템의 멀티플렉싱(multiplexing)이 이루어진다.
또한 도 1에는 초음파 검사 시스템의 송광 장치와 수광 시스템의 협동이 도시되어 있다.
제어부(2)는 송광 장치와 수광 시스템의 동기화를 담당한다. 미리 정해진 시간에, 송광 전자 장치(6)는 점화 코일(8)과 전극(10)으로 시작 및 종료 시간이 정해진 불꽃 간극(12)을 발생시키기 위해 평면(18)들 중 한 평면에서 활성화된다. 불꽃 간극(12)은 검사체(14)에 초음파 펄스를 유도한다.
수광 시스템과 특히 광학 스위치(22, 23)들은, 바람직하게는 불꽃 간극(12)이 발생되는 특정 시점에서, 이런 경우가 아니더라도 불꽃 간극에 대해 특정 시간 간격이 정해졌으면 그 어떤 시간에라도, 수광 시스템이 동일한 평면(18)에서 활성이도록 활성화되고 초음파 신호에 근거하여 표면 진동을 측정한다. 각 평면(18)에 있는 수광 시스템의 부품들은 지속 시간을 측정하기에 충분히 긴 기간이 경과될 때까지 활성으로 스위칭된 상태로 있게 된다. 이 기간은 소재 파라미터들과 검사체의 두께에 좌우되며, 예를 들면 30 내지 50㎲이다.
이에 따라, 송광 장치 및 수광 시스템 둘 다 적시에 연속적으로 서로 다른 평면들에서 활성화될 수 있다. 평면의 활성화의 시간 시퀀스로 인해, 인접하게 위치된 측정 영역들이 포착될 수 있다.
이에 따라 측정 영역들의 망(grid)이 연속적으로 검출된다. 검사체가 평면들의 장치에 대해 횡으로 이동하면 혹은 송광 및 수광 시스템들이 검사체 위로 이동하고 평면의 장치의 폭 또는 송수광 시스템들의 이동 거리가 실질적으로 검사체의 폭에 상응하면, 전체 피검사체가 측정 영역들의 좁은 망에서 연속적으로 검사될 수 있다.
또한, 도 1에는 불꽃 간극(12)과 측정 영역(30) 사이에 불꽃 간극(12)이 발생되는 도중에 측정 영역(30)에서 발생되는 집중광(intensive light)을 차단하는 스크린(50)이 마련된 것이 도시되어 있다. 또한, 신호 대 잡음 비는 바람직하게는 레이저 광의 파장 범위만을 통과시키는 적당한 광학 대역 필터를 사용함으로써 더욱 개선될 수 있다. 예를 들면, 이와 같은 광학 필터는 광 분리기(32)와 렌즈(34) 사이에 배치될 수 있다.
도 2 내지 도 4에는 지속 시간 측정 중에 기록된 신호들의 예들이 도시되어 있다. 간섭계의 출력 신호는 각 경우의 상부에 도시되어 있고, 하부 곡선은 포락선(예를 들면 직교 복조 신호(quadrature-demodulated signal) 또는 상부 측정 곡선의 저주파 필터링된 코스(course))을 나타낸다. 도표의 x축에 표시된 것은 임의의 시간 단위에 대응하는 신호 샘플링 지점들이다. y축은 임의의 단위로 표시된 곡선의 강도를 나타낸다.
도 2에는 이상적인 무잡음(noise-free) 불교란(undisturbed) 신호가 도시되어 있다. 진동은 일정한 주기로 나타나며, 한 번 발생한 다음 다시 발생할 때에는 진폭이 점점 줄어든다. 이들 진동은 관측되는 표면과 대향하는 검사체의 표면에서 계속 반사되는 초음파 신호에 의해 발생된다. 검사체를 계속 통과하게 되는 결과, 신호의 진폭은 감소된다. 도 2에 도시된 신호 경로는 불교란되었는데, 이는 일정하게 발생하는 진동 신호들만 발생하기 때문이다. 검사체의 두께는 검사체 내부의 음향 속도를 알면 하부 곡선의 최대치의 간격으로부터 계산할 수 있다.
도 3에는 이번에는 교란된 이상적인 무잡음 신호가 도시되어 있다. 처음에는 도 2에서와 같이 일정한 주기로 진동이 나타나고, 한 번 발생한 다음 다시 발생할 때 진폭이 점점 줄어든다. 진동 사이클의 각 쌍 사이에, 검사체 내부의 초음파 신호 보다 짧은 지속 시간을 나타내는 작은 신호들이 있다. 이와 같은 추가 신호는 두 표면들 사이의 영역에서 초음파 반사를 발생시키는 검사체 내부에서의 교란의 결과일 수 있다. 이에 따라, 추가 신호 또는 이 추가 신호의 발생된 주파수와 진폭이 검사체의 품질 척도로서 사용될 수 있다.
마지막으로, 도 4에는 도 3에 도시된 신호가 측정 곡선이 실제의 경우를 나타내도록 중첩된 잡음이 있게 도시되어 있다. 잡음 때문에 최대치의 결정이 복잡하다는 것을 유념해야 한다. 이러한 이유로, 간섭계가 선택되면 이에 의해 얻어지는 신호 대 잡음 비에 항상 주의를 기울여야 한다.

Claims (17)

  1. 적어도 하나의 송광 유닛과 적어도 하나의 수광기 유닛을 포함하는, 검사체를 검사하기 위한 초음파 검사 시스템으로서,
    - 송광 유닛이 불꽃 간극을 발생시키고, 상기 불꽃 간극은 검사체의 표면 및/또는 내부에 초음파 진동을 발생시키며,
    - 수광기 유닛은 검사체의 표면의 진동을 광학적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    다수의 송광 장치들, 특히 100개 이상의 송광 장치들이 마련된 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    송광 유닛은 점화 코일과 미리 정해진 시간들에 점화 코일을 점화시키기 위한 제어 전자 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    조사 레이저가 마련되고, 조사 레이저의 광은 측정 영역의 표면을 비추며,
    수광기 유닛은 측정 영역에서부터 수광기 유닛에 입사되는 광을 수광하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    다수의 수광기 유닛, 특히 100개 이상의 수광기 유닛이 마련된 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    조사 레이저와 측정 영역들이 마련되고,
    수광기 유닛이 측정 영역에서부터 수광기 유닛에 입사되는 광을 수광할 수 있게 측정 영역이 수광기 유닛들 각각과 연관되며,
    광 안내 시스템이 레이저의 광을 광 안내 시스템의 제1 위치에서 제1 측정 영역으로 그리고 광 안내 시스템의 제2 위치에서 제2 측정 영역으로 방출하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    조사 레이저와 측정 영역들이 마련되고,
    수광기 유닛이 측정 영역에서부터 수광기 유닛으로 입사되는 광을 수광할 수 있게 측정 영역이 수광기 유닛들 각각과 연관되며,
    광 안내 시스템이 레이저의 광을 분리시켜서 분리된 광을 한 측정 영역과 다른 측정 영역으로 방출하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    수광기 유닛은 간섭계를 포함하거나, 또는 광 안내 시스템이 수광기 유닛에 입사되는 광을 간섭계로 전달하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  9. 적어도 하나의 송광 유닛을 포함하는, 검사체를 검사하기 위한 초음파 검사 시스템용 송광 장치로서,
    송광 유닛이 불꽃 간극을 발생시키는 수단을 포함하고, 불꽃 간극은 검사체의 표면 및/또는 내부에 초음파 진동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템용 송광 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    송광 유닛은 점화 코일과 미리 정해진 시간들에 점화 코일을 점화시키기 위한 제어 전자 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템용 송광 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    송광 유닛은 점화 커패시터와 미리 정해진 시간들에 점화 커패시터를 충전 및 방전시키기 위한 제어 전자 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템용 송광 장치.
  12. 검사체의 표면의 적어도 두 개의 측정 영역들을 비추기 위한 레이저와, 검사체의 표면의 진동을 광학적으로 측정하기 위한 적어도 두 개의 수광기 유닛을 포함하는, 검사체를 검사하기 위한 초음파 검사 시스템용 수광 시스템으로서,
    - 서로 다른 위치들에서 서로 다른 측정 영역들에서 나오는 광을 간섭계로 안내하는 수광 광 안내 시스템이 마련되고,
    - 상기 간섭계가 마련되고,
    - 간섭계와 상기 수광 광 안내 시스템이 위치들 각각에서 수광기 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템용 수광 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    - 적어도 두 개의 광 안내부들이 마련되며, 광 안내부들은 각각 측정 영역들 중 하나를 포착하고,
    - 광 안내부들 각각에서 나오는 광을 간섭계로 안내할 수 있는 광학 스위치가 마련된 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템용 수광 시스템.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    광 안내 시스템은 레이저의 광을 각기 다른 위치들에서 각기 다른 측정 영역들로 방출하는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템용 수광 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    - 적어도 두개의 광 안내부들이 마련되며, 광 안내부들은 각각 측정 영역들 중 하나와 연관되고,
    - 레이저에서 나오는 광을 광 안내부들 중 하나로 안내할 수 있는 광학 스위치가 마련된 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템용 수광 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    - 송광 장치는 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따라 마련되고,
    - 수광 시스템은 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따라 마련된 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템.
  17. 초음파 검사 시스템을 작동시키기 위한 방법으로서,
    - 병렬로 작동되는 적어도 두 개의 송광 유닛들을 포함하는 송광 장치를 이용한 검사체의 불꽃 간극들에 의해 초음파가 발생되고,
    - 초음파 신호는 적어도 두 개의 광학 수광기 유닛을 포함하는 수광 시스템에 의해 측정되고,
    - 송광 유닛들 각각과 수광 유닛이 서로 연관되고,
    - 서로 연관된 송광 유닛과 수광기 유닛은 서로에 대한 시간 조정 하에서 활성화되고, 그리고
    측정 지점들의 망은 송광 장치와 검사체 상의 수광기 유닛의 순차적인 활성화에 의해 검사되는 것을 특징으로 하는 초음파 검사 시스템 작동 방법.
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