KR20180128053A - 초음파 프로브 및 초음파 검사 시스템 - Google Patents

Abstract

검사 방향에 따른 프로브에 대한 검사 물체의 상대적 움직임 동안 비파괴 소재 검사를 하기 위한 초음파 검사 시스템용 프로브(100)는, 검사 방향으로의 길이 방향(L)과, 검사 방향에 수직인 횡방향(Q)을 규정하는 프로브 하우징(110)과, 다수의 송수신부(150-1, 150-2, 150-3)를 포함한다. 각각의 송수신부는 송신기 요소(T1, T2, T3)와, 할당된 수신기 요소(R1, R2, R3)를 가지며, 유효 검사 폭(PB1, PB2, PB3)을 갖는 검사 트랙이, 검사 방향에 따른 프로브에 대한 검사 물체의 상대적인 움직임 동안 송수신기에 의해 검사될 수 있도록, 횡방향(Q)으로 유효 검사 폭을 규정한다. 송수신부들은, 길이 방향(L)으로 서로 앞뒤에 놓이며 횡방향(Q)으로 진행하는 적어도 2개의 행(155-1, 155-2)에 배치된다. 상이한 행들로부터의 송수신부들은, 서로에 대해 오프셋되는 송수신부들의 수신기 요소들(R1, R2, R3)이 중첩 영역(U1-2, U2-3)에서 서로 중첩하여, 송수신부들이 함께 임의의 갭 없이 유효 프로브 검사 폭(PKPB)을 덮도록, 횡방향(Q)으로 서로에 대해 오프셋된다. 송수신부들 모두는 프로브 하우징(110)에 배치된다. 송신기 요소(T1, T2, T3) 모두는 프로브의 공통 송신기 단자 요소(AT)에 전기적으로 연결된다.

Description

초음파 프로브 및 초음파 검사 시스템

본 발명은, 검사 방향에 따른 프로브에 대한 검사 물체의 상대적 움직임 동안 비파괴 소재 검사를 위한 초음파 검사 시스템용 프로브에 관한 것이다.

초음파 검사는, 단절(discontinuities)로 알려진 소재 결함을 찾으며 초음파에 의해 소자 치수를 판정하기 위한 음향 공정이다. 이것은 비파괴 검사 방법으로 분류된다. 초음파(US)에 의한 비파괴 소재 검사에서, 소리가, 결합 매체, 예컨대 액체 필름을 통해 프로브로부터 검사 물체에 송신된다. 검사되는 소재의 상태에 대한 정보를 반송하는 초음파의 검사 물체로부터 수신 프로브로의 송신은 일반적으로 동일한 결합 매체를 통해 발생한다. 별도의 송신 및 수신 프로브가 초음파 또는 초음파 펄스를 방출하며 수신하는데 사용될 수 도 있다. 프로브는 여기서, 하나 이상의 초음파 트랜스듀서가 설치된 조작장치(handling unit)를 의미하는 것으로 이해된다. 초음파 트랜스듀서 자체는, 전기 신호를 소리 신호(음향 신호)로 변환하거나, 소리 신호를 전기 신호로 변환하는 요소이다. 보통, 방음(sound-emitting) 및 수음(sound-receiving) 초음파 트랜스듀서가 하나의 프로브로 결합된다. 이들이 별도의 송신기와 수신기라면, 이들은 송수신 프로브 또는 트랜시버 프로브로도 지칭한다. 이들은 예컨대 큰 근거리 리졸빙 파워(resolving power)가 요구되는 경우이면 언제라도 바람직하다. 동일한 초음파 트랜스듀서가 송수신에 사용된다면, 이들 트랜스듀서는 펄스-에코 프로브로 지칭한다.

송수신 프로브(트랜시버 프로브)가 예컨대 금속판의 초음파 검사에 사용된다. 이들 프로브는 일반적으로 1m 내지 5m의 통상 폭, 3m 내지 30m의 통상 길이 및 5mm 내지 150mm의 통상 두께를 갖는다. 논문, "새로운 전체-판 초음파 검사 시스템의 동작 경험(operational experience with a new whole-plate ultrasonic testing system)"(A. Weber 등, DGZfP 연례 회의 2013 - Di.2.B.2, 1 내지 8페이지)은, 전단 단면(shearing section)으로의 입구에서 냉각 배드(cooling bed)의 바로 하류에 압연기(rolling mill)에 배치되는 전체-판 초음파 검사 시스템을 기재하고 있다. 모두 합쳐 76개의 개별적으로 공압식으로 작동하는 프로브 홀더가 기재한 초음파 검사 시스템에 끼워진다. 5MHz의 공칭 주파수를 갖는 트랜시버 프로브가 사용된다. 사용된 다중 오실레이터는 50mm의 폭을 가지며 4개로 나눠지고, 이것이 의미하는 점은, 개별적으로 처리되어야 할 304개의 검사 채널이 있다는 점이다. 프로브 홀더는, 검사 방향으로 서로 압뒤에 배치되며 서로에 대해 횡방향으로 프로브 폭만큼 오프셋된 2개의 표면 검사 캐리지에 설치된다. 결국, 이 논문에 따르면, 전체 표면적 검사(100% 검사)가 달성된다.

4개로 나눠진 알려진 트랜시버 프로브는, 횡단면이 직사각형인 프로브 하우징 내에, 서로 바로 옆에 배치되는 4개의 수신기 요소의 행과 단일 송신기 요소를 가지며, 이 단일 송신기 요소는, 수신기 요소가 덮는 전체 폭에 걸쳐 연장한다. 결국, 예컨대, FBH-3(Flat Bottom Hole-3: 3mm 직경의 편평한 바닥 구멍) 등급의 기준 결함이 높은 신뢰도로 검출될 수 있다. 그러나, 예컨대 금속판 검사의 경우에, 예컨대 FBH-2 또는 FBH-1.2와 같은 더 작은 결함을 높은 신뢰도로 검출할 필요성도 점점 증가하고 있다.

공개된 특허 출원 DE 195 33 466 A1은, 한 행에서 초음파 트랜스듀서 사이의 각각의 갭이 다른 행의 초음파 트랜스듀서에 의해 덮이도록, 이 갭만큼 서로에 대해 각각 오프셋되는 적어도 2개의 평행 행으로 제1 평면에서 그 송신/수신 표면을 갖고 배치되는 다수의 펄스-에코 초음파 트랜스듀서를 포함하는, 비파괴 소재 검사용 초음파 프로브를 개시한다. 이것은 큰 검사 폭을 갖는 프로브를 야기하며, 이러한 프로브는 전체 검사 폭에 걸쳐서 매우 일정한 감도를 갖는다.

공개된 특허 출원 DE 34 42 751 A1은, 초음파로 동작하는 금속 시트용이며, 금속 시트에 세팅될 수 있으며 금속 시트의 전달 방향에 대해 횡방향으로 행으로 그리고 전달 방향으로 다수의 행에서 중첩되어 서로 앞뒤로 제공되는 다수의 프로브를 포함하는 검사 시스템을 개시한다. 각각의 프로브는 송신기와 수신기를 갖는다.

공개된 특허 출원 DE 196 42 072 A1은, 공통 송신 오실레이터의 양 측 상에서 엇갈리는 형태로 배치되는 다수의 수신 오실레이터를 갖는 결합된 프로브 디바이스를 개시한다. 송신 및 수신 오실레이터는 공통 압전 판을 갖고 구성되며, 이들 오실레이터의 전극 중 하나는 분리된다. 상이한 행의 수신 오실레이터는 측방향으로 부분적으로 중첩되어, 임의의 갭 없이 송신 오실레이터에 의해 덮이는 전체 길이에 걸쳐서 검사가 가능하다.

공개 특허 출원 DE 10 2008 002 859 A1은 초음파에 의한 시트 형 물품의 비파괴 검사용 디바이스를 개시하며, 이 디바이스는 매트릭스-페이즈드-어레이(matrix-phased-array) 프로브를 사용한다.

본 발명은, 예컨대 초음파 금속판 검사 시스템에 사용하기에 적절하며, 취급 및 검사 시스템에 설치가 용이하면서도, 심지어 검사 물체의 작은 결함에 대해서도 높은 신뢰도로 임의의 갭 없이 큰 검사 폭의 검사를 허용하는 프로브를 제공하는 문제를 해결한다.

이 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 청구항 1의 특성을 갖는 프로브를 제공한다. 유리한 개선이 종속항에 명시되어 있다. 모든 청구항의 기재는 참조로서 상세한 설명의 내용으로 되어 있다.

프로브는, 길이 방향과, 그에 직각인 횡방향을 규정하는 프로브 하우징을 갖는다. 길이 방향은, 동작 동안 검사 방향에 가능한 평행하게 정렬되는 방향이다. 횡방향은 길이 방향에 수직으로 진행하며 결국 검사 동작 동안 검사 방향에 가능한 수직이다. 프로브는 다수의 송수신부를 가져서, 초음파 멀티프로브가 된다. 송수신부 각각은 송신기 요소와, 할당된 수신기 요소를 갖는다. 결국, 유효 검사 폭은, 유효 검사 폭을 갖는 검사 트랙이 검사 방향을 따른 프로브에 대한 검사 물체의 상대적인 움직임 동안 송수신부에 의해 검사될 수 있도록, 횡방향으로 규정된다. 유효 검사 폭은 일반적으로 횡방향으로의 송수신부의 물리적인 범위보다 다소 작으며, 이는 송수신부의 감도가 보통 측방향 단부 근처에서 급격하게 하락하기 때이며, 그에 따라, 사실상 약간만 더 작은 검사 폭이 유용하다. 송수신부는, 길이 방향으로 서로 앞뒤에 놓이며 횡방향으로 각각 진행하는 적어도 2개의 행으로 배치된다. 상이한 행으로부터의 송수신부는, 서로 오프셋되는 송수신부의 수신기 요소들이 송수신부가 합쳐서 임의의 갭 없이 유효 프로브 검사 폭을 덮도록 중첩 영역에서 서로 중첩하도록, 횡방향으로 서로 오프셋된다. 송수신부 모두는 프로브 하우징에 배치된다.

송신기 요소 모두는 프로브의 공통 송신기 단자 요소에 전기적으로 연결되도록 또한 제공된다 송신기 요소는 결국 서로에게 전기적으로 연결되며 공통 신호에 의해 동기적으로 쉽게 활성화될 수 있다. 송신 신호의 동기성은 결국 프로브의 구성에 의해 이미 제공되며 복잡한 전자장치에 의해 보장될 필요가 없다.

하나 이상의 송수신부를 각각 갖는 2개보다 많은 행이 제공될 수 도 있을지라도, 송수신부는 바람직하게는 길이 방향으로 서로 앞뒤에 놓이는 정확히 2개의 행으로 배치된다.

송수신부 모두가 프로브 하우징에 함께 배치되기 때문에, 송수신부를, 프로브 제조 동안 프로브 하우징 내에서 이들 송수신부를 위해 의도한 위치 내에 정확히 가져갈 수 있으며, 또한 송수신부의 서로에 대한 상대적인 위치지정을 정확히 구축할 수 있다. 프로브 하우징 내에서 송수신부의 기하학적 배치는 일반적으로 캐리어 요소에 의해 구축되며, 예컨대 에폭시 수지와 같은 적절한 포팅 화합물(potting compound)을 도입함으로써, 영구적으로 공간적으로 고정되며 결합 매체의 침입으로부터 보호된다.

개별 송수신부의 유효 검사 폭의 상호 중첩은, 송수신부가 그 자신의 프로브 하우징에 각각 설치며, 그에 따라 얻은 개별 프로브가 프로브 홀더 내에서 2개 이상의 행에서 서로에 대해 오프셋되게 배치됨으로써 사실상 달성될 수 있다. 그러나 다수의 개별 프로브의 이러한 결합으로, 프로브 홀더 내에서 별도로 각 프로브에 대한 원하는 결합 갭을 정밀하게 충분히 세팅하는 것이 어려울 수 있음을 대응하는 검사가 보여줬다. 다른 한편으로, 송수신부 모두가 동일한 프로브 하우징 내에 위치한다면, 송수신부의 서로에 대한 상대적인 배치는 프로브 제조 동안 정밀하게 이미 고정될 수 있어서, 프로브가 프로브 홀더 내에 설치될 때, 결합 갭의 세팅은 신속하고 정밀하게 실행될 수 있다. 결국, 프로브의 송수신부 모두의 기준 결함의 신호 진폭의 직접 비교 가능성이 보장된다.

충분히 높은 감도가 있는 이론적으로 이용 가능한 검사 폭의 그 영역만이 각 송수신부에 의해 사용됨은, 중첩 영역에서 서로에 대해 오프셋되는 송수신부의 횡방향으로의 상호 중첩에 의해 보장될 수 있다. 상호 중첩의 폭은, 송수신부의 측면 가장자리의 바로 근처에서의 감도 강하를 갖는 영역이 서로와 중첩되어, 횡방향으로 인접한 송수신부 사이의 감도의 결정적인 강하가 회피되거나 단 하나의 행에 배치된 종래의 다중 오실레이터와 비교하여 상당히 감소되도록, 이 경우 편의상 선택된다. 일부 예시적인 실시예에서, 중첩 영역은 개별 송수신부의 유효 검사 폭의 적어도 10%의 폭을 가지며, 중첩 영역의 이 폭은 바람직하게는 유효 검사 폭의 20% 내지 30%의 범위에 있다. 이들 한계가 유지된다면, 한편으로, 중첩은 중첩 영역에서 감도의 상당한 강하를 방지하기에 충분함이 보장될 수 있다. 다른 한편으로, 중첩 영역이 너무 넓도록 선택되지 않음으로써, 프로브의 필요한 전체 검사 폭(유효 프로브 검사 폭)이 상대적으로 소수의 개별 송수신부로 달성될 수 있다는 효과를 달성할 수 있다.

일부 실시예의 경우에, 하나의 행에서 인접한 송수신부 사이에는, 송수신부의 유효 검사 폭의 30%를 초과하거나 50%를 초과하는 간격이 있도록 배치가 선택된다. 이런 식으로, 원칙적으로, 유용한 어떠한 검사 폭도 "포기"되지 않거나 소수의 적은 검사폭만 "포기"됨이 보장될 수 있다.

송신기 요소와 수신기 요소는, 압전 소재의 플레이트렛(platelet), 예컨대 직사각형 플레이트렛을 각 경우에 바람직하게는 가지며, 이러한 플레이트렛은, 송신기 요소의 경우에, 발음 초음파 트랜스듀서로서 동작하며, 수신기 요소의 경우에, 수음 초음파 트랜스듀서로서 동작한다. 이들 플레이트렛은, 서로로부터 분리되며 전기 접촉이 각각 제공되는 요소이다. 바람직한 실시예에서, 이들 플레이트렛 또는 판은 서로에 대해 상대적으로 경사지게 배열되어서, 분리 평면(dividing plane)에 대해 거울-대칭으로 형성되는 지붕형상을 얻게 된다. 분리 평면은 횡방향으로 연장한다. 지붕 각도는 예컨대 6°이지만, 그 이상 또는 이하도 가능할 수 있다.

초음파 트랜스듀서 사이의 분리 평면(지붕 배치의 대칭 평면)에서, 초음파 댐핑 소재의 분리 벽이 바람직하게는 있다. 그 목적 중 하나는, 송수신부의 송신기 요소와 수신기 요소의 음향 분리이며, 그에 따라 소리 송신은 검사 동안 그에 결합되는 검사 물체의 소재를 통해서 간접적으로 단지 발생할 수 있다. 분리 벽은 송신 측과 수신 측 상에서 초음파 트랜스듀서의 전기적 분리 역할을 또한할 수 도 있다.

이 새로운 개념의 장점은, 오직 2개의 송수신부가 프로브 하우징 내에서 길이 방향으로 2개의 상이한 행으로 및 횡방향으로 서로에 대해 오프셋되어 배치될 때, 이미 사용될 수 있다. 예컨대 5 내지 10개의 송수신부와 같은 상당히 더 많은 송수신부가 또한 통합될 수 도 있다. 바람직한 실시예의 경우에, 다른 한편으로, 정확히 3개, 정확히 4개 또는 정확히 5개의 송수신부가 프로브 하우징에 배치되며, 제1 및 제3 송수신부는 제1 행에서 서로 옆에 배치되며, 제2 송수신부는 제2 행에서 제1 및 제2 송수신부에 대해 갭을 두고 대칭적으로 오프셋되게 배치된다고 제공된다. 4개의 송수신부가 제공된다면, 제4 송수신부는 바람직하게는 제2 송수신부로부터 횡방향 거리를 두고 제2 행에 배치된다. 가능하게도 존재하는 제5 송수신부는 제1 행에 배치될 수 도 있다.

송수신부의 개수, 치수 및 분포를 최적화할 때, 한편으로, 주어진 크기의 결함의 경우에 수신기의 개별 신호 진폭 모두가 클수록 유효 검사 폭은 더 작아지거나, 결함 크기와 유효 검사 폭 사이의 비는 더 커짐을 고려해야 한다. 이런 정도까지, 예컨대 6 내지 10개 이상와 같은 더 많은 수의 송수신부가 큰 신호 진폭에 대해 유리할 수 있다. 다른 한편으로, 송수신부의 개수가 증가함에 따라 이들 송수신부를 위치적으로 정확히 수용하기 위해 그리고 대응하는 검사 전자장치 및 평가를 위해 필요한 기술적인 노력이 또한 증가한다. 대조적으로, 오직 2개의 송수신부가 2개의 행에서 서로 앞뒤로 오프셋되어 배치된다면, 개별 유효 검사 폭은 상대적으로 커야함할 수 도 있으며, 그 결과, 신호 진폭은 아마도 특히 작은 결함인 경우에 충분히 크지 않다. 그러므로, 현재로서, 프로브에서 정확히 3개 또는 정확히 4개 또는 정확히 5개의 송수신부의 개수가 유리한 것으로 간주된다.

상이한 행에 배치되는 송수신부는 모두, 길이 방향 또는 검사 방향에 대해 그 송신기 요소와 수신기 요소의 동일한 배향을 가질 수 도 있다. 그에 따라, 예컨대, 송신기부 모두는 (각 경우에 검사 방향으로 봐서) 전방으로 경사지게 또는 후방으로 경사지게 동일한 방향으로 방사할 수 도 있다. 대조적으로, 일부 실시예의 경우에, 프로브의 송수신부가 제1 행과 제2 행에 분포되게 배치되며, 상이한 행에 배치된 송수신부의 송신기 요소가 (길이 방향으로 고려하여) 프로브의 중간 영역에서 서로 마주보게 배치되며, 루프 형상으로 인해, 송신기 요소의 판이, 송신기 요소가 지붕 각도로 인해 반대 경사 방향으로 내부로부터 외부로 각각 방사하도록 서로에 대해 경사지게 상대적으로 배열되게 제공된다. 결과적으로, 상이한 행에 놓인 송수신부의 더 양호한 음향 분리는 순전히 서로로부터 멀리 가리키는 주 방사 방향을 기초로 달성될 수 있다. 상호 오프셋된 송수신부가, 이들이 끼워질 수 있는 프로브 하우징의 각각 적응된 하위 부분을 갖도록 프로브 하우징을 설계할 수 있다. 이점은 코너와 내부각을 갖는 프로브 하우징의 복잡한 외부 윤곽을 초래할 수 있다. 바람직하게도, 프로브 하우징은 직사각형 횡단면 형상을 갖는다. 특히, 프로브 하우징은, 횡단면 형상과 크기 면에서 종래의 다수회 분리되는 다중 오실레이터의 프로브 하우징에 대응하도록 크기 조정되어 설계될 수 도 있어서, 청구 발명에 따른 프로브는 종래의 다수회 분리된 다중 오실레이터 용으로 교환 시의 변환 과정에서 쉽게 변경할 수 있다.

일부 수신기 요소 또는 모든 수신기 요소를 전기적으로 연결하며 이들을 공통 수신기 단자 요소에 연결하는 것도 가능할 것이다. 바람직하게는, 그러나, 수신기 요소 각각은 프로브의 별도의 수신기 단자 요소에 전기적으로 연결되도록 제공된다. 결국, 개별 겸함 신호의 위치 또는 횡방향으로의 좁은 검사 트랙에의 정확한 할당이 가능하여, 횡방향으로의 결함의 로케이터빌러티(locability)는 더 개선될 수 있다.

송신기 단자 요소와 수신기 단자 요소는 공통 연결기 하우징에 수용될 수 도 있어서, 프로브 홀더에의 장칙 후 프로브의 전기 연결은 매우 용이하게 가능하며, 더욱이, 기존 검사 시스템에서의 사용은 아마도 케이블링(cabling)의 임의의 적응을 필요치 않을 것이다.

바람직하게도, 음향 분리를 위해 송신기 요소와 수신기 요소 사이에, 예컨대 코르크, 폼(foam) 등과 같은 초음파-댐핑 소재의 분리 벽(음향 배플(sound baffle))이 있다. 일부 실시예의 경우에, 이러한 목적을 위해서, 예컨대 코르크인 초음파-댐핑 소재의 적어도 하나의 분리 벽이 하나의 행에서 인접한 송수신부 사이에 배치됨이 대안적으로 또는 추가로 제공된다. 결국, 횡방향으로의 혼신은 감소되거나 회피될 수 있다. 2개 이상의 송수신부가 하나의 행에서 서로 옆에 배치된다면, 이들 송수신부는 공통 분리 벽을 가질 수 도 있으며, 이러한 분리 벽은 송수신부의 송신기 요소와 수신기 요소를 서로로부터 음향적으로 분리한다. 이런 식으로, 음향 분리에 필요한 제조 노력은 감소할 수 있다.

프로브의 음향 최적화를 위해, 각각의 송수신부에는 댐핑체(damping body)가 할당될 수 도 있으며, 이러한 댐핑체는, 검사 물체의 표면과 음향 전도 접촉하게 되는 프로브의 측으로부터 반대편에 위치한다. 각각의 송수신부에 그 자신의 댐핑체가 제공될 수 도 있지만, 프로브 하우징은 바람직하게는 단일 댐핑체를 가지며, 이 단일 댐핑체는 송수신부 모두에 댐핑체로서 동작한다. 이러한 구성의 하나의 효과는 제조가 간략화된다는 점이다.

본 발명은 또한, 검사 방향을 따른 프로브에 대한 검사 물체의 상대적 움직임 동안 이 검사 물체의 비파괴 검사를 위한 초음파 검사 시스템에 관한 것이며, 이 초음파 검사 시스템은 본 발명에 따른 프로브 중 하나 이상을 갖는다. 이 초음파 검사 시스템은 특히 초음파 금속판 검사 시스템일 수 도 있다.

본 발명의 추가 장점 및 양상은 청구항들로부터 그리고 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 대한 다음의 설명으로부터 드러나며, 이러한 설명은 도면을 기초로 이하에서 설명될 것이다.
도 1은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 초음파 프로브를 프로브의 능동 측에서의 평면도로 도시한다.
도 2는, 프로브 홀더 내에 설치된 상태에서의 도 1로부터의 프로브의 단면도를 도시한다.
도 3은, 음향 댐핑 분리 벽의 다른 배치를 갖는 실시예의 개략적 평면도를 도시한다.
도 4는 음향 댐핑 분리 벽의 다른 배치를 갖는 다른 실시예의 개략적 평면도를 도시한다.
도 5는, 송신기 요소와 수신기 요소의 다른 시퀀스를 갖는 도 2에 도시한 실시예의 변형의 단면도를 도시한다.

개략적인 도 1은, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 프로브(100)를, 이 프로브의 능동 측, 즉 검사될 검사 물체의 표면 근처로 프로브를 가져가게 하는 측으로부터의 평면도로, 도시한다. 도 2는 단면도를 도시한다. 이 프로브는 완전 자동 초음파 금속판 검사 시스템에 사용하기 위한 것이며, 이 시스템에서는, 다수의 공칭적으로 동일한 프로브가 사용된다. 프로브는 대략 4 또는 5MHz의 공칭 주파수에서 바람직하게는 동작하며, 이 예의 경우, 3개의 발음 및 3개의 수음 초음파 트랜스듀서를 결합하여, 송수신 프로브(트랜시버 프로브)가 된다.

프로브는, 도 1의 도면 평면에서 실질적으로 직사각형 횡단면 형상을 갖는 바람직하게 밀링된(milled) 금속 프로브 하우징(110)을 가지며, 횡방향(Q)에서의 폭은 길이 방향(L)에서의 길이의 두 배보다 크다. 이 예의 경우에, 횡방향의 폭은 대략 65mm인 반면, 그에 수직으로 측정한 길이는 대략 24mm 내지 25mm이다. 능동 표면(120) 측 상에서, 프로브 하우징은 개방된다(도 2와 비교). 능동 표면으로부터 반대편의 후면 층 상에서, 프로브 하우징은 전기 라인용 통로로부터 떨어져서 폐쇄된다.

개략적인 도 2가 도시하는 바와 같이, 검사 시스템의 셋업 동안, 프로브(100)는 프로브 홀더(200)에 삽입되며, 이 프로브 홀더는, 공칭적으로 동일한 다수의 프로브 홀더와 함께, 검사 시스템의 표면 검사 캐리지 상에 체결된다. 프로브 홀더(200)는, 검사 물체(290)에 면하는 그 하면 상에, 예컨대 경금속 인클루젼(inclusions)을 갖는 고급 강 및/또는 경화된 강 소재와 같은 내마모 소재의 고체 판 형태의 소위 웨어 솔(wear sole)(210)을 갖는다. 검사를 위해, 프로브 홀더는 검사 물체(290)의 방향으로 인피드되어, 웨어 솔은 검사 물체의 표면(292)과 접촉하며, 검사 물체가 검사 방향(295)으로 프로브 홀더에 대해 움직일 때 이 표면 상에서 미끄러진다. 프로브는 이 경우에, 프로브의 길이 방향(L)이 검사 방향(295)에 가능한 평행하게 진행하도록 프로브 홀더에 설치된다. 길이 방향 및 횡방향에 대해 직각으로 진행하는 높이 방향(H)은 이때 검사 물체의 표면으로부터 가능한 수직으로 위로 연장한다. 프로브 홀더 모두의 인피딩 후 검사 동작 동안의 통상 검사 속도는 일반적으로 예컨대 0.5m/s와 1m/s 사이에 있다.

웨어 솔(210)은 직사각형 컷아웃 또는 직사각형 유격 또는 개구(215)를 가지며, 직사각형 컷아웃 또는 직사각형 유격 또는 개구(215)는 접촉 표면(212)으로부터 내측으로 통과하며, 프로브(100)가 프로브 홀더의 내부로부터 적은 측면 플레이를 갖고 유격 내에 삽입될 수 있도록 길이 방향(L) 및 횡방향(Q)으로 크기 조정된다. 프로브의 후방 단부에서, 즉 능동 표면(120)으로부터 멀리 면하는 측 상에서, 캐리어 판(220)이 있으며, 이러한 캐리어 판은 프로브 홀더(200)에서 프로브의 체결 및 수직 정렬 역할을 한다. 프로브가 프로브 홀더에 설치될 때, 프로브는, 프로브의 평면 능동 표면(210)과 웨어 솔(210)의 접촉 표면(212)에 의해 형성되는 평면 사이에서, 프로브의 폭에 걸쳐 가능한 일정한 두께의 소위 결합 갭(SP)이 남도록, 위치지정된다. 두께(D)는 종종 대략 0.25mm 내지 0.35mm의 크기 정도이다. 검사 동작 동안, 이 갭은 결합 액체, 일반적으로 물로 채워진다. 특히 길이 방향에서, 정확히 웨지 형상이 아닌 결합 갭의 세팅이 신뢰할 만한 초음파 검사를 위한 핵심 전제조건이다.

프로브(100)는, 그 전체 유효 프로브 검사 폭(PKPB)에 걸쳐서 감도가 어떠한 주요한 국부적 강하 없이 상대적으로 균일한 큰 감도를 갖도록 설계된다. 이를 위해, 이 예의 경우에, 3개의 공칭적으로 동일한 송수신부가 내부 하우징 공간에 배치되며, 이 공간은 프로브 하우징, 구체적으로는 제1 송수신부(150-1), 제2 송수신부(150-2) 및 제3 송수신부(150-3)에 의해 에워싸인다. 송수신부 각각은 단일 송신기 요소(T1, T2 또는 T3)와, 송신기 요소에 할당되는 단일 수신기 요소(R1, R2, R3)를 포함한다. 송신기 요소와 수신기 요소는 각 경우에 압전 소재의 얇은 직사각형 플레이트렛을 가지며, 이러한 플레이트렛은, 송신기 요소의 경우에, 발음 초음파 트랜스듀서로 동작하며, 수신기 요소의 경우에, 수음 초음파 트랜스듀서로 동작한다. 전방 측과 후방 측 상에 접촉이 있지만, 이들은 도시하지 않는다. 직사각형 판은 횡방향(Q)으로 서로에게 평행하게 연장하며, 서로에 대해 상대적으로 경사지게 배열되어서, 분리 평면에 대해 거울-대칭적으로 형성되는 지붕 형상이 예컨대 6°의 지붕 각도를 갖고 예컨대 얻어진다(도 2). 분리 평면(지붕 배치의 대칭 평면)에서, 초음파-댐핑 소재의 분리 벽(152-1)은 초음파 트랜스듀서 사이를 진행한다. 바람직하게는 코르크 소재로 제조된 분리 벽은 송수신부의 송신기 요소와 수신기 요소의 음향 분리 역할을 하여, 소리 송신은, 검사 동안 그에 결합되는 검사 물체의 소재를 통해 간접적으로만 발생할 수 있다. 분리 벽은 또한 송신 측과 수신 측 상에서 초음파 트랜스듀서의 전기적 분리 역할을 할 것이다.

검사 방향으로 송수신부의 송신기 요소와 수신기 요소의 순서는 도시한 순서와 또한 역전이 될 수 도 있다. 예는 도 5와 연계하여 설명할 것이다.

후방 측 상에서 폐쇄되는 프로브 하우징(110)의 내부에서 송수신 요소 위에 설치되는 것은 단일 댐핑체(260)이며, 이 단일 댐핑체(260)는 송수신부 모두에 대한 후방 음 댐핑으로서 역할을 한다. 송신기 요소, 수신기 요소 및 분리 벽 사이의 하우징 내부 공간의 자유 체적은 능동 표면(120)의 평면까지 플라스틱의 포팅 화합물로 채워져, 프로브의 전기적으로 동작하는 요소는 방수되게 밀폐된다.

송수신부 각각은 횡방향으로 측정되는 유효 검사 폭(PB1) 등을 가지며, 이러한 유효 검사 폭 등은 횡방향으로 송신기 요소(T1)와 수신기 요소(R1)의 물리적 범위보다 다소(대략 10% 내지 20%) 작다. 제1 송수신부(150-1)의 유효 검사 폭을 설명하기 위해, 도 1은, 기준 결함(FBH-2)에 대해, 횡방향(Q)으로 측정되는 요소 길이에 걸친 통상 신호 진폭 프로파일을 나타내는 곡선(E1)을 도시한다. 이 신호 진폭은 감도의 측정치이다. 이 감도 프로파일의 특징은, 요소의 중간에 감도의 얕은 국부적 강하, 요소의 외부 가장자리에 더 가까이에서 2개의 국부적 최대치(M1, M2), 및 또한 횡방향으로 단부의 바로 인근에 감도의 급격한 강하를 갖는, 상대적으로 높은 달성 가능한 신호 진폭의, 송수신부의 중간에 대해 대칭인 상대적으로 넓은 평탄부(plateau)이다. 유효 검사 폭(PB1)은 예컨대, 신호 진폭이 예컨대 국부적 최대치에서보다 최고 4dB만큼 더 낮은 영역을 지칭하도록 규정될 수 도 있다. 다른 송수신부는 대응하는 유효 검사 폭(PB2, PB3)을 갖는다. 유효 검사 폭은 예컨대 20mm 이상일 수 도 있다. 검사 방향(295)을 따른 프로브에 대한 검사 물체(290)의 상대적 움직임 동안, 송수신부 각각은, 각 송수신부의 유효 검사 폭에 대응하는 (횡방향으로의) 폭의 검사 트랙을 스캔한다.

송수신부는, 그 유효 검사 폭과, 송수신부에 의해 스캔된 3개의 검사 트랙이 횡방향으로 부분적으로 중첩하도록 서로에 대해 상대적으로 배치되어, 스캐닝은 전체 프로브 검사 폭에 걸쳐 높은 감도로 실행될 수 있다. 이를 위해, 송수신부는 2개의 직선 행(155-1, 155-2)으로 배치되며, 이들 직선 행은 길이 방향(L)으로 서로 앞뒤에 배치되며 횡방향(Q)으로 각각 진행한다. 제1 송수신부(152-1) 및 제3 송수신부(152-3)는 이 경우에 횡방향(Q)으로 상호 간격(DQ)으로 제1 행(155-1)에 제공되어, 각각의 송신기 요소(T1, T3)와 수신기 요소(R1, R3) 사이의 분리 평면은 서로 일치하거나 일렬로 되어 있다(in line with one another). 동일 행의 2개의 송수신부 사이에서, 횡방향(Q)으로 측정된 간격(DQ)은 이 방향으로 송수신부의 각각의 폭의 40%와 60% 사이이다.

제2 송수신부(150-2)는 제2 행(155-2)에, 즉 제1 및 제3 송수신부에 대해 길이 방향으로 오프셋되어 배치된다. 제2 송수신부는 다른 송수신부들과 대칭이어서, 제1 행의 송수신부들 사이의 갭은 완전히 덮인다. 제2 송수신부(152-2)는, 길이 방향으로 볼 때, 외측 부분이 제1 행에 놓인 송수신부들의 외측 부분 뒤에 놓이는 정도까지 횡방향으로 양 측으로 연장한다. 이러한 구성은, 상이한 행(제1 행, 제2 행)으로부터의 송수신부들이, 서로에 대해 오프셋되는 송수신부의 수신기 요소와, 또한 이들 송수신부에 의해 스캔된 검사 트랙이 중첩 영역(U1-2 또는 U2-3)에서 중첩하도록 횡방향(Q)으로 서로에 대해 오프셋되어, 송수신부가 함께 임의 갭 없이 그리고 감도의 임의의 상당한 강하 없이 유효 프로브 검사 폭(PKPB)을 덮는다는 효과를 달성한다. 횡방향(Q)으로 측정한 중첩 영역(U1-2 및 U2-3)의 폭은 개별 송수신부의 유효 검사 폭(PB1, PB2, PB3)의 대략 15% 내지 20%이다. 이러한 구성은 한편으론, 검사가 검사 물체의 중첩 영역에서도 높은 감도로 실행될 수 있다는 점과, 다른 한편으론 전체 유효 프로브 검사 폭이 단지 3개의 송수신부라는 상대적으로 작은 수로 덮일 수 있음을 보장한다.

도 1에서, 프로브(100)의 송신기 요소(T1, T2 및 T3) 모두가 이 프로브의 공통 송신기 단자 요소(AT)에 연결됨을 알 수 있다. 각 수신기 요소(R1, R2 및 R3)로부터, 별도의 전기선이 별도의 수신기 단자 요소(AR1, AR2, AR3)에 이어진다. 송신기 단자 요소(AT)와 수신기 단자 요소(AR1, AR2 및 AR3)는 공통 연결기 하우징(다중 연결기)에서 수용되어, 프로브는, 대응하는 소켓에 연결함으로써 초음파 검사 시스템의 초음파 전자장치에 편리하게 연결할 수 있다.

송신기 요소와 수신기 요소의 음향 및 전기 분리의 여러 가능성이 있다. 도 1 및 도 2의 예시적인 실시예의 경우에, 각 송수신부는 송신기 요소와 수신기 요소 사이에 그 자신의 분리 벽(152-1)을 갖는다. 분리 벽은 서로 연결되지는 않는다. 도 3의 프로브(300)의 예시적인 실시예의 경우에, 동일한 행(제1 행)에 배치된 2개의 송수신부에 대해 공통 분리 벽(352)이 있다. 결과적으로, 제조가 간략화될 수 있다. 도 4의 프로브(400)의 예시적인 실시예의 경우에, 제1 행의 송수신부와 제2 행의 송수신부 사이에는, 횡방향으로 진행하는 분리 벽(452)이 있다. 송수신부의 좁은 측 상에는, 길이 방향으로 진행하는 추가 분리 벽이 또한 있다. 특히, 분리 벽은 제1 행의 송수신부의 상호 면하는 측 상에 배치되어, 프로브 내의 가능한 혼신은 그러한 분리 벽이 없는 예시적인 실시예에서보다 더 양호하게 억제된다.

도 1 내지 도 4의 실시예의 경우에, 여러 송수신부의 송신기 요소(T1, T2, 등)는 L-Q 평면에 대해 경사지게 서로에 평행하게 진행하는 평면에 놓여서, 길이 방향(L)으로 서로 앞뒤에 놓이는 행의 송신기 요소 모두는 경사 위치로 인해 동일한 방향으로 방사한다. 도 1로부터의 실시예의 3개의 송신기 요소(T1, T2 및 T3)의 방사 방향은 (도 1에서 상방인) 길이 방향(L)으로의 프로브의 움직임 동안 이 방향으로 전방으로 경사지게 방사할 것이다.

도 5에서, 도 1 및 도 2에 도시한 실시예의 변형이 도 2와 유사한 단면도로 도시된다. 전체적인 명료성을 이유로, 동일한 참조번호를 사용한다. 도 2로부터의 변형과 비교한 유일한 차이점은, 서로에 평행한 행에서 서로 앞뒤에 놓이는 송수신부의 송신기 요소(T1 및 T2)가 서로 평행한 평면에 놓이기 보다는, 서로에 대해 경사지게 배열된다는 점이다. 동일한 구성이 수신기 요소(R1, R2)에도 대응하여 또한 적용된다. 이러한 구성이 달성하는 효과 중 하나는, 길이 방향으로 서로 바로 뒤따르는 송수신부의 송신기 요소(T1, T2)가 음-방사 표면을 갖고 서로로부터 멀리 면하고 있으며 중첩 영역에서 서로 인접한다는 점이다. 반대되는 경사 위치의 결과로서, 주 방사 방향(이중 화살표)은, 송신기 요소가 각각 내부에서 외부로 초음파를 송신하도록 배향된다. 그러므로, 길이 방향에서 볼 때, 주 방사 방향은 반대되는 구성요소를 갖는다. 결국, 예컨대 도 1에 도시한 배향과 비교하여, 상이한 행에 놓인 송신기 요소의 추가로 개선된 음향 분리가 달성될 수 있다. 그러므로, 2-행 배치의 경우에, 송신기 요소는, 길이 방향에서 볼 때, 프로브의 중간 영역에 각각 배치될 수 있으며, 그 경사 위치로 인해, 소리를 지붕 각도로 인해 (길이 방향으로) 양 측으로 외부로 방출한다.

대응하는 변경이 도 3 및 도 4의 예시적인 실시예의 경우에도 가능하다. 그에 따라, 예컨대, 도 3으로부터 유도한 변형의 경우에, 송신기 요소(T2) 및 수신기 요소(R2)의 배치는 교환될 수 도 있어서, 송신기 요소(T2)는 다른 행의 2개의 송수신부의 송신기 요소(T1 및 T3)와 바로 인접한다. 또한 도 4로부터의 배치의 경우에, 대응하는 변경이 제공될 수 도 있어서, 송신기 요소(T2)는 분리 벽(442)에 바로 인접한 반면, 수신기 요소(R2)는 외부 상에, 즉 프로브 하우징의 인근에 놓인다.

알려진 바와 같이, 초음파 검사는, 상이한 매체에서 상이한 속도로 전파하는 음파를 기초로 한다. 이들 음파는 상이한 파 임피던스의 경계에서 부분적으로 반사된다. 파 임피던스의 증가하는 차이로 인해, 반사된 구성요소는 또한 증가한다. 검사될 검사 물체의 내부에서의 결함 또는 단절의 영역의 경계에서의 음향 특성의 변화는 송신기 요소에 의해 방출되는 음 펄스를 반사하며, 이들 음 펄스를 프로브의 수신기 요소에 송신한다. 미세구조에서의 보이드(공동), 인클루젼, 크랙 또는 기타 분리는 예컨대 결함(또는 단절)으로서 고려된다. 펄스-에코 방법의 경우에, 송신과 수신 사이에 경과한 시간을 측정한다. 측정된 시간차를 기초로 하여, 신호를 생성할 수 있다. 이 신호를 기초로 하여, 단절의 위치와 결함 또는 단절의 크기가 등가의 반사기(예컨대, 편평한 바닥 구멍(FBH), 홈 또는 횡방향 보어)와 비교하여, 결정될 수 있다. 자동 검사 시스템의 경우에, 정보는 저장되고, 검사 물체에 관하여 설정되며 여러 방식으로 즉시 또는 추후에 문서화된다.

4개로 분리된 종래의 송수신 프로브에 의한 검사에 의하면, 이들 프로브는 FBH-3(3mm 직경의 편평한 바닥 구멍) 등급까지 아래로 등가의 반사기에 대해 전체 유효 프로브 검사 폭에 걸쳐서 충분한 감도를 가질 수 있다. 그러나, FB-2 이하를 갖는 기준 결함의 검출은 충분한 재현 가능성으로 종종 가능하지 않음을 알게 되었다. 이러한 감도 한계의 원인이 되는 이유 중 하나로는 하나의 행에서 인접한 수신기 요소 사이의 인접부에서의 더 낮은 감도의 영역이다. 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 중첩 검사 트랙 또는 유효 검사 폭을 갖는 프로브 내에서의 송수신부의 새로운 배치는 그에 따라 FBH-2 이하(예컨대, FBH-1.2 또는 FBH-1 이하까지 아래로)의 기준 결함이 우수한 재현 가능성으로 검출될 수 있게 한다.

Claims (12)

1. 검사 방향(295)에 따른 프로브에 대한 검사 물체(290)의 상대적 움직임 동안 비파괴 소재 검사를 하기 위한 초음파 검사 시스템용 프로브(100)로서,
   상기 검사 방향으로의 길이 방향(L)과, 상기 검사 방향에 수직인 횡방향(Q)을 규정하는 프로브 하우징(110); 및
   다수의 송수신부(150-1, 150-2, 150-3)로서, 각각의 송수신부는 송신기 요소(T1, T2, T3)와, 할당된 별도의 수신기 요소(R1, R2, R3)를 가지며, 유효 검사 폭(PB1, PB2, PB3)을 갖는 검사 트랙이, 상기 검사 방향에 따른 상기 프로브에 대한 상기 검사 물체의 상대적인 움직임 동안 상기 송수신부에 의해 검사될 수 있도록, 상기 횡방향(Q)으로 상기 유효 검사 폭을 규정하는, 상기 다수의 송수신부를 가지며,
   상기 송수신부들은, 상기 길이 방향(L)으로 서로 앞뒤에 놓이며 상기 횡방향(Q)으로 진행하는 적어도 2개의 행(155-1, 155-2)에 배치되고;
   상이한 행들로부터의 송수신부들은, 서로에 대해 오프셋되는 송수신부들의 수신기 요소들(R1, R2, R3)이 중첩 영역(U1-2, U2-3)에서 서로 중첩하여, 상기 송수신부들이 함께 임의의 갭 없이 유효 프로브 검사 폭(PKPB)을 덮도록, 상기 횡방향(Q)으로 서로에 대해 오프셋되며;
   상기 송수신부들 모두는 상기 프로브 하우징(110)에 배치되고,
   상기 송신기 요소들(T1, T2, T3) 모두는 상기 프로브의 공통 송신기 단자 요소(AT)에 전기적으로 연결되는, 프로브.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 중첩 영역들(U1-2, U2-3)은, 상기 유효 검사 폭(PB1, PB2, PB3)의 적어도 10%의 폭을 상기 횡방향으로 가지며, 상기 중첩 영역들의 폭은 상기 유효 검사 폭의 20% 내지 30%의 범위에 바람직하게는 있는 것을 특징으로 하는, 프로브.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 행(155-1)에서 인접한 송수신부들(150-1, 150-2) 사이에는, 송수신부의 유효 검사 폭(PB1, PB2, PB3)의 30%보다 큰 간격(DQ)이 있는 것을 특징으로 하는, 프로브.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 요소들(T1, T2, T3)과 상기 수신기 요소들(R1, R2, R3)은 각 경우에 압전 소재의 판을 가지며, 송수신부의 판들은 서로에 대해 경사지게 상대적으로 배열되어, 분리 평면에 대해 거울-대칭적으로 형성되는 지붕 형상이 얻어지며, 초음파-댐핑 소재의 분리 벽(152-1)이 상기 판들 사이에서 상기 분리 평면에서 바람직하게는 진행하는 것을 특징으로 하는, 프로브.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 정확히 3개 또는 정확히 4개의 송수신부들(150-1, 150-2, 150-3)이 상기 프로브 하우징(110)에 배치되고, 제1 및 제3 송수신부가 제1 행(155-1)에서 서로 옆에 배치되며, 제2 송수신부(150-2)가 제2 행(155-2)에서 상기 제1 및 제3 송수신부에 관해 대칭적으로 오프셋되게 배치되는 것을 특징으로 하는, 프로브.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서, 송수신부들(150-1, 150-2, 150-3)은 제1 행(155-1)에서 및 제2 행(155-2)에서 분포되어 배치되며, 상이한 행들에 배치되는 송수신부들의 상기 송신기 요소들은 상기 프로브의 중간 영역에서 서로에게 면하게 배치되며, 상기 지붕 형상으로 인해, 상기 송신기 요소들의 판들은, 상기 송신기 요소들이 지붕 각도로 인해 동작 동안 반대 경사 방향으로 외부로 각각 방사하도록, 서로에 대해 경사지게 상대적으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 프로브.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브 하우징(110)이 직사각형 횡단면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 프로브.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수신기 요소들(R1, R2, R3) 각각은 상기 프로브의 별도의 수신기 단자 요소(AR1, AR2, AR3)에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는, 프로브.
9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송신기 단자 요소(AT)와 상기 수신기 단자 요소들(AR1, AR2, AR3)은 공통 연결기 하우징에 수용되는 것을 특징으로 하는, 프로브.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 송수신부들 모두에 대해 댐핑체로서 동작하는 단일 댐핑체(260)가 상기 프로브 하우징(110)에 배치되는 것을 특징으로 하는, 프로브.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로브가 초음파-댐핑 소재의 적어도 하나의 분리 벽을 가지며, 상기 분리 벽은 행에서 인접한 송수신부들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는, 프로브.
12. 검사 방향에 따른 프로브에 대한 검사 물체의 상대적 움직임 동안 상기 검사 물체의 비파괴 검사를 위한 초음파 검사 시스템으로서,
    청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 기재된 프로브들 중 하나 이상을 갖는, 초음파 검사 시스템.

Images