KR20200134586A - Narrow-band probe with case - Google Patents

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KR20200134586A
KR20200134586A KR1020190060231A KR20190060231A KR20200134586A KR 20200134586 A KR20200134586 A KR 20200134586A KR 1020190060231 A KR1020190060231 A KR 1020190060231A KR 20190060231 A KR20190060231 A KR 20190060231A KR 20200134586 A KR20200134586 A KR 20200134586A
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probe
piezoelectric element
case
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transducer
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KR1020190060231A
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정용무
오세범
김경모
이봉상
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한국원자력연구원
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Abstract

The present invention relates to a narrow band probe with a case. According to one embodiment of the present invention, the probe comprises: a piezoelectric element having a piezoelectric material where an electric signal and an ultrasonic signal are converted to each other; and a case protecting the piezoelectric element and having a backing material containing epoxy and substance containing carbon powder.

Description

케이스를 갖는 협대역 탐촉자{NARROW-BAND PROBE WITH CASE}NARROW-BAND PROBE WITH CASE}

본 발명은 초음파 비파괴 검사에서 비선형 파라미터 측정에 사용하기 위해 주파수 밴드폭을 조절할 수 있는 케이스를 갖는 탐촉자에 관한 것으로서, 특히, LiNbO3 협대역 탐촉자를 사용한 고전압 시스템에서 금속 재료 용접부의 비선형 특성을 평가하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a transducer having a case capable of adjusting a frequency bandwidth for use in measuring nonlinear parameters in ultrasonic non-destructive testing.In particular, evaluating the nonlinear characteristics of a metal material weld in a high voltage system using a LiNbO 3 narrowband transducer. It's about technology.

초음파 비파괴 검사를 수행하는 경우 시험체가 고온, 고압의 환경에 노출되면 파열의 위험이 있기 때문에 mm 단위 이하의 균열을 검출할 수 있는 방법의 개발이 중요하다. 현재 초음파 비파괴 검사 방법에서는 탄소강과 같은 시험체의 mm 단위의 균열을 찾기 위하여 주로 선형 초음파 기술을 이용하고 있다. 이러한 선형 초음파 기술은 신호의 반사, 회절에 유용한 광대역 밴드폭을 갖는 PZT 탐촉자를 이용하는 방법이 주로 사용된다. In the case of performing ultrasonic non-destructive testing, it is important to develop a method capable of detecting cracks in the unit of mm or less because there is a risk of rupture when the test object is exposed to a high temperature and high pressure environment. In the current ultrasonic non-destructive testing method, linear ultrasonic technology is mainly used to find cracks in mm units of a specimen such as carbon steel. This linear ultrasound technique is mainly used to use a PZT transducer having a wide bandwidth useful for signal reflection and diffraction.

그러나, mm 단위 이하의 균열이 경우 조기에 발견하는 것이 시험체 구조의 건전성을 확보할 수 있기 때문에, 기존의 선형 초음파 기술이 아닌 미세 결함의 측정에 유리한 비선형 초음파 기술이 활용되고 있다. However, since early detection of cracks of less than a mm unit can secure the integrity of the structure of the test body, nonlinear ultrasonic technology, which is advantageous for measuring micro-defects, is used instead of the conventional linear ultrasonic technology.

이러한 비선형 초음파 파라미터 측정 기술은 미세 균열에서 발생되는 작은 결함으로 인한 신호를 측정해야 하기 때문에 초기에 큰 에너지를 시험체에 전달해야 한다. 그 방법 중 하나로서 고전압을 가하는 방법이 있는데, 이러한 방법에서는 높은 전압을 견디며 안정적으로 에너지를 전달시킬 수 있는 탐촉자가 필요하다. Such a nonlinear ultrasonic parameter measurement technique needs to initially transmit a large amount of energy to the specimen because it is necessary to measure the signal due to small defects generated in the microcracks. As one of the methods, there is a method of applying a high voltage. In this method, a transducer capable of withstanding a high voltage and stably transmitting energy is required.

그러나, 통상적으로 사용하는 PZT 탐촉자 소자는 상용 전압의 범위(~220V)에서만 안정적으로 측정이 가능하며, 고전압(>1000V)의 높은 에너지를 가하게 되면 압전 소자의 손상으로 인해 탐촉자 자체의 비선형성이 커지면서 시험체의 정확한 파라미터 측정이 어렵다.However, the commonly used PZT transducer element can be stably measured only in the range of commercial voltage (~220V), and if high energy of high voltage (>1000V) is applied, the nonlinearity of the transducer itself increases due to damage to the piezoelectric element. It is difficult to measure the exact parameters of the specimen.

또한, 미세 결함은 재료의 모재보다 용접부처럼 열처리가 다르게 된 영역에서 자주 발생하는 것으로 알려져 있는데, 용접부를 PZT 탐촉자로 비선형 측정을 하게 되면 신호의 왜곡이 발생하며, 2차 고조파 신호가 측정되지 않는 문제가 있다. In addition, it is known that micro-defects often occur in regions where heat treatment is different, such as in the welding part, than in the base material of the material.When the welding part is measured nonlinearly with a PZT transducer, signal distortion occurs, and the second harmonic signal is not measured. There is.

이러한 이유로 인해, LiNbO3 압전 소자를 이용한 방법이 종종 거론된다. LiNbO3 압전 소자는 고전압에서 안정적으로 초음파 에너지를 가진할 수 있기 때문에 일반적으로 사용되지만, 소자 자체를 직접 시험체에 접촉하는 방식으로 이용하기 때문에 외부 표면 보호가 어렵고, 비선형 특성 분석에 필요한 주파수 밴드폭 조절을 할 수 없어 비선형 특성 분석에 이용하기에는 어려움이 있다.For this reason, a method using a LiNbO 3 piezoelectric element is often discussed. LiNbO 3 piezoelectric elements are generally used because they can stably excite ultrasonic energy at high voltages, but since the element itself is used in a way that directly contacts the test object, it is difficult to protect the external surface and adjust the frequency bandwidth required for nonlinear characteristic analysis. It is difficult to use for nonlinear characterization because it cannot be performed.

본 발명은 초음파를 이용한 비선형 특성 평가에 있어서, 압전 소자의 손상 없이 안정적으로 초음파 에너지를 발생시킬 수 있고, 재료의 모재 뿐 아니라 용접부 영역에서도 높은 신뢰도로 재료 특성 분석이 가능하며, 주파수 특성 분석에 유리한 협대역 밴드폭을 갖는 탐촉자를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is capable of stably generating ultrasonic energy without damaging the piezoelectric element in the evaluation of nonlinear characteristics using ultrasonic waves, enabling material characteristic analysis with high reliability not only in the base material of the material, but also in the weld area, and is advantageous for frequency characteristic analysis. The purpose of this is to provide a transducer having a narrow bandwidth.

본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자는 전기 신호와 초음파 신호가 상호간 변환되는 압전 재료를 포함하는 압전 소자, 및 상기 압전 소자를 보호하는 케이스를 포함하며, 상기 케이스는 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시(epoxy)를 포함하는 배킹(backing) 재료를 포함할 수 있다.The transducer according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric element including a piezoelectric material in which electrical signals and ultrasonic signals are converted to each other, and a case for protecting the piezoelectric element, wherein the case includes a material containing carbon powder and an epoxy It may include a backing material including (epoxy).

본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자 장치는 전기 신호를 초음파 신호로 변환하여 송신하는 압전 재료를 포함하는 압전 소자 및 상기 압전 소자를 보호하며, 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시를 포함하는 배킹 재료를 포함하는 케이스를 포함하는 송신용 탐촉자, 및 수신된 초음파 신호를 초음파 신호로 변환하는 압전 재료를 포함하는 압전 소자 및 상기 압전 소자를 보호하며, 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시를 포함하는 배킹 재료를 포함하는 케이스를 포함하는 수신용 탐촉자를 포함할 수 있다.The transducer device according to an embodiment of the present invention comprises a piezoelectric element including a piezoelectric material that converts and transmits an electric signal into an ultrasonic signal, and protects the piezoelectric element, and includes a material including carbon powder and a backing material including epoxy. A transmission probe including a case including a piezoelectric element including a piezoelectric material for converting a received ultrasonic signal into an ultrasonic signal, and a backing material including a material including carbon powder and an epoxy protecting the piezoelectric element It may include a receiving transducer including a case containing.

본 발명에 따른 탐촉자에 의하면, 초음파를 이용한 비선형 특성 평가에 있어서, 압전 소자의 손상 없이 안정적으로 초음파 에너지를 발생시킬 수 있고, 재료의 모재 뿐 아니라 용접부 영역에서도 높은 신뢰도로 재료 특성 분석이 가능하며, 주파수 특성 분석에 유리한 협대역 밴드폭을 가질 수 있다.According to the transducer according to the present invention, in the evaluation of nonlinear characteristics using ultrasonic waves, ultrasonic energy can be stably generated without damage to the piezoelectric element, and material properties can be analyzed with high reliability not only in the base material of the material but also in the weld area, It can have a narrow bandwidth which is advantageous for frequency characteristic analysis.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3a는 종래의 상용 PZT 탐촉자의 밴드폭을 나타내며, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자의 밴드폭을 나타낸다.
도 4a는 종래의 상용 PZT 탐촉자로 측정한 모재(상단)와 용접부(하단)의 RF 신호를 나타내며, 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자로 측정한 모재(상단)와 용접부(하단)의 RF 신호를 나타낸다.
도 5a는 시험체의 모재와 용접부를 종래의 상용 PZT 탐촉자로 1000V 가진한 결과를 나타내며, 도 5b는 시험체의 모재와 용접부를 본 발명의 일 실시에예 따른 탐촉자로 1000V 가진한 결과를 나타낸다.1 is a schematic diagram of a nonlinear parameter measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing the configuration of a probe according to an embodiment of the present invention.
3A shows the bandwidth of a conventional commercial PZT probe, and FIGS. 3B and 3C show the bandwidth of the probe according to an embodiment of the present invention.
Figure 4a shows the RF signals of the base material (top) and the welding part (bottom) measured with a conventional commercial PZT probe, and Figure 4b is the base material (top) and the welding part (bottom) measured with a probe according to an embodiment of the present invention. Represents the RF signal.
FIG. 5A shows the result of excitation of the base metal and the welding part of the test body by 1000V with a conventional commercial PZT transducer, and FIG. 5B shows the result of excitation of the base metal and the welding part of the test body by 1000V by the transducer according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해 상세히 설명하고자 한다. 본 문서에서 도면상의 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this document, the same reference numerals are used for the same components in the drawings, and duplicate descriptions of the same components are omitted.

본 문서에 개시되어 있는 본 발명의 다양한 실시 예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예들은 여러 가지 형태로 실시될 수 있으며 본 문서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.With respect to various embodiments of the present invention disclosed in this document, specific structural or functional descriptions have been exemplified for the purpose of describing the embodiments of the present invention only, and various embodiments of the present invention may be implemented in various forms. It may be, and should not be construed as being limited to the embodiments described in this document.

다양한 실시 예에서 사용된 "제1", "제2", "첫째", 또는 "둘째" 등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 예를 들면, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성 요소로 바꾸어 명명될 수 있다.Expressions such as "first", "second", "first", or "second" used in various embodiments may modify various elements regardless of order and/or importance, and the corresponding elements Not limited. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be renamed to a first component.

본 문서에서 사용된 용어들은 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 다른 실시 예의 범위를 한정하려는 의도가 아닐 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.Terms used in this document are only used to describe a specific embodiment, and may not be intended to limit the scope of other embodiments. Singular expressions may include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 동일 또는 유사한 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 문서에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 경우에 따라서, 본 문서에서 정의된 용어일지라도 본 발명의 실시 예들을 배제하도록 해석될 수 없다.All terms used herein, including technical or scientific terms, may have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art. Terms defined in a commonly used dictionary may be interpreted as having the same or similar meaning as the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this document. . In some cases, even terms defined in this document cannot be interpreted to exclude embodiments of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치의 모식도이다.1 is a schematic diagram of a nonlinear parameter measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치(1)는 신호 생성기(10), 게이트 증폭기(20), 옴 부하(30), 복수의 탐촉자(40a, 40b), 광대역 수신기(50), 및 오실로스코프(60)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a nonlinear parameter measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention includes a signal generator 10, a gate amplifier 20, an ohmic load 30, a plurality of transducers 40a, 40b, and a broadband It may include a receiver 50, and an oscilloscope 60.

신호 생성기(10)는 시험체의 비선형 특성을 측정하기 위한 신호를 생성할 수 있다. 예를 들면, 신호 생성기(10)는 전기 펄스 신호를 생성할 수 있으며, 또는 가진(excitation)된 주파수 신호를 생성할 수 있다.The signal generator 10 may generate a signal for measuring nonlinear characteristics of the test object. For example, the signal generator 10 may generate an electric pulse signal, or may generate an excitation frequency signal.

게이트 증폭기(20)는 게이트 펄스 신호가 인가되면 신호 생성기(10)로부터 입력된 신호를 증폭시킬 수 있다.The gate amplifier 20 may amplify a signal input from the signal generator 10 when the gate pulse signal is applied.

옴 부하(30)는 전류가 역류하지 않도록 하고 과부하를 방지할 수 있다. 예를 들면, 옴 부하(30)는 50 Ohm LOAD를 포함할 수 있다.The ohmic load 30 can prevent the current from flowing back and prevent overload. For example, the ohmic load 30 may include 50 Ohm LOAD.

복수의 탐촉자(40a, 40b)는 시험체의 비선형 특성을 측정하기 위해 송신용 탐촉자(40a)와 수신용 탐촉자(40b)를 포함할 수 있다. 즉, 도 1에 나타낸 바와 같이, 송신용 탐촉자(40a)와 수신용 탐촉자(40b)를 시험체의 양측에 배치하여 신호를 송수신하도록 구성될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치(1)는 하나의 탐촉자만을 이용하여 시험체에 초음파 신호를 송신하고 시험체로부터 반사되는 신호를 측정하는 방식을 사용할 수도 있을 것이다.The plurality of transducers 40a and 40b may include a transmitting transducer 40a and a receiving transducer 40b in order to measure the nonlinear characteristics of the test object. That is, as shown in Fig. 1, it may be configured to transmit and receive a signal by arranging the transmission probe (40a) and the reception probe (40b) on both sides of the test object. However, the present invention is not limited thereto, and the nonlinear parameter measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention may use a method of transmitting an ultrasonic signal to the test object using only one probe and measuring a signal reflected from the test object. will be.

송신용 탐촉자(40a)에서는 신호 생성기(10)에서 생성된 전기 신호를 압전 소자를 통해 초음파 신호로 변환할 수 있다. 송신용 탐촉자(40a)에서 변환되어 송신된 초음파 신호는 시험체를 통과하여 수신용 탐촉자(40b)에서 수신될 수 있다.The transmission transducer 40a may convert an electric signal generated by the signal generator 10 into an ultrasonic signal through a piezoelectric element. The ultrasonic signal converted and transmitted by the transmitting transducer 40a may pass through the test body and be received by the receiving transducer 40b.

수신용 탐촉자(40b)에서는 송신용 탐촉자(40a)에서 송신되어 시험체를 통과한 초음파 신호를 수신할 수 있다. 또한, 수신용 탐촉자(40b)는 압전 소자를 통해 초음파 신호를 다시 전기 신호로 변환할 수 있다.The receiving transducer 40b may receive an ultrasonic signal transmitted from the transmitting transducer 40a and passing through the test object. In addition, the receiving probe 40b may convert the ultrasonic signal back into an electric signal through the piezoelectric element.

이 때, 복수의 탐촉자(40a, 40b)는 시험체의 미세 결함을 검출하기 위해 1000V 이상의 고전압을 가한 경우에도 안정적으로 초음파 가진이 가능한 LiNbO3를 포함하는 탐촉자를 이용하여 측정하고자 하는 재료에 에너지를 보내고, 시험체로부터 수신되는 신호들을 수신 필터를 이용하여 수신하도록 할 수 있다.At this time, the plurality of probes (40a, 40b) sends energy to the material to be measured using a probe containing LiNbO 3 capable of stably ultrasonic excitation even when a high voltage of 1000 V or higher is applied to detect microscopic defects in the test object. , It is possible to receive signals received from the test object using a receiving filter.

또한, 복수의 탐촉자(40a, 40b)는 후술하는 바와 같이, 탄소 분말을 포함하는 물질(예를 들면, 텅스텐 카바이드(WC))과 에폭시를 포함하는 케이스를 포함할 수 있다. 이 때, 케이스에 포함된 탄소 분말의 비율을 조절함으로써, 탐촉자의 밴드폭을 조절할 수 있다. 따라서, 필요에 따라 주파수 특성 분석에 유리한 협대역의 주파수 신호를 갖도록 할 수 있다.In addition, as will be described later, the plurality of transducers 40a and 40b may include a material including carbon powder (eg, tungsten carbide (WC)) and a case including epoxy. At this time, by adjusting the ratio of the carbon powder contained in the case, it is possible to adjust the bandwidth of the probe. Therefore, if necessary, it is possible to have a narrow-band frequency signal which is advantageous for frequency characteristic analysis.

광대역 수신기(50)는 수신용 탐촉자(40b)로부터 입력된 신호를 필터링하여 오실로스코프(60)로 전달할 수 있다.The broadband receiver 50 may filter a signal input from the receiving probe 40b and transmit it to the oscilloscope 60.

오실로스코프(60)는 광대역 수신기(50)에서 수신된 신호를 저장하고 시간에 따른 신호의 변화를 화면에 출력하여 시각화 할 수 있다.The oscilloscope 60 stores a signal received from the broadband receiver 50 and outputs a change in the signal over time on a screen for visualization.

또한, 도 1에서는 나타내지 않았으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치(1)는 전치 증폭기를 더 포함할 수 있다. 전치 증폭기는 수신된 신호의 감쇠와 외래 잡음에 의한 S/N 비의 저하를 방지하기 위해 수신용 탐촉자(40b)로부터 입력된 신호를 증폭시킬 수 있다.In addition, although not shown in FIG. 1, the apparatus 1 for measuring nonlinear parameters according to an embodiment of the present invention may further include a preamplifier. The preamplifier may amplify the signal input from the reception transducer 40b in order to attenuate the received signal and prevent a decrease in the S/N ratio due to extraneous noise.

한편, 도 1에서는 나타내지 않았으나, 본 발명의 일 실시 예에 따른 비선형 파라미터 측정 장치(1)는 데스크탑 컴퓨터, 노트북, 태블릿 등의 장치를 더 포함할 수 있다. Meanwhile, although not shown in FIG. 1, the device 1 for measuring nonlinear parameters according to an embodiment of the present invention may further include devices such as a desktop computer, a notebook computer, and a tablet.

예를 들면, 사용자는 컴퓨터를 이용하여, 가장 높은 에너지를 갖는 첫 번째 반복 신호의 영역에 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 시간 도메인의 신호를 주파수 도메인으로 변환할 수 있다. 이 때, 변환된 신호는 가진한 주파수를 기준으로 2배가 되는 위치에서 2차 고조파가 나타나고, 그 이상에서는 3, 4차 고조파까지 측정된다. 이와 같이 측정된 신호는 가진한 주파수를 기준으로 1차 고조파의 진폭을 A1로 하고, 2차 고조파 진폭을 A2로 하여, 재료의 비선형 파라미터를

Figure pat00001
로 계산할 수 있다.For example, a user may convert a time domain signal into a frequency domain by applying a Fast Fourier Transform (FFT) to a region of the first repetitive signal having the highest energy using a computer. In this case, in the converted signal, the second harmonic appears at a position that is doubled based on the excitation frequency, and above that, up to the third and fourth harmonics are measured. For the signal measured in this way, the amplitude of the first harmonic is set to A 1 and the amplitude of the second harmonic is set to A 2 based on the excitation frequency.
Figure pat00001
Can be calculated as

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자의 구성을 나타내는 도면이다.2 is a diagram showing the configuration of a probe according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자(40)는 압전 소자(46)와 압전 소자(46)를 둘러싸는 케이스(41)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the probe 40 according to an embodiment of the present invention may include a piezoelectric element 46 and a case 41 surrounding the piezoelectric element 46.

케이스(41)는 압전 소자(46)를 보호하며 주파수 신호의 밴드폭을 조절할 수 있다. 이 때, 케이스는 케이블 커넥터(42), 배킹 재료(43), 아이솔레이터(44) 및 마모 방지판(45)을 포함할 수 있다.The case 41 protects the piezoelectric element 46 and can adjust the bandwidth of the frequency signal. In this case, the case may include a cable connector 42, a backing material 43, an isolator 44, and an anti-wear plate 45.

케이블 커넥터(42)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자(40)를 비선형 파라미터 측정 장치(1)의 케이블(미도시)에 접속하기 위한 연결부이다. 이 때, 케이블 커넥터(42)에 연결되는 케이블은 도 1에서 전술한 옴 부하에 연결되어 신호를 탐촉자(40)로 전달할 수 있다.The cable connector 42 is a connection part for connecting the probe 40 according to an embodiment of the present invention to a cable (not shown) of the nonlinear parameter measuring device 1. In this case, the cable connected to the cable connector 42 may be connected to the ohmic load described above in FIG. 1 to transmit a signal to the transducer 40.

배킹 재료(43)는 케이스는 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시를 포함하는 배킹 재료를 포함할 수 있다. 이 때, 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시의 비율에 따라 탐촉자에서 송수신되는 신호의 밴드폭이 달라지며, 따라서 사용자가 원하는 주파수 밴드폭에 따라 비율이 각각 조절될 수 있다. 이 때, 탄소 분말을 포함하는 물질은 텅스텐 카바이드(WC)를 포함할 수 있다.The case of the backing material 43 may include a material including carbon powder and a backing material including epoxy. In this case, the bandwidth of the signal transmitted and received by the probe is changed according to the ratio of the material including the carbon powder to the epoxy, and thus the ratio may be adjusted according to the frequency bandwidth desired by the user. In this case, the material including the carbon powder may include tungsten carbide (WC).

특히, 사용자는 복수의 탐촉자(40)마다 탄소 분말의 비율을 다르게 포함시킴으로써, 필요에 따라 원하는 밴드폭을 갖는 탐촉자(40)를 선택하여 사용할 수 있도록 할 수 있다.In particular, the user may select and use the probe 40 having a desired bandwidth, if necessary, by including different proportions of the carbon powder for each of the plurality of probes 40.

아이솔레이터(44)는 케이스(41)의 측면에 위치하며, 전기 신호 또는 초음파 신호가 외부로 방출되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면, 아이솔레이터(44)는 절연 재료로 구성되어 신호가 빠져나가는 것을 차단시킬 수 있다.The isolator 44 is located on the side of the case 41 and may prevent an electrical signal or an ultrasonic signal from being emitted to the outside. For example, the isolator 44 may be made of an insulating material to block the signal from exiting.

마모 방지판(45)은 압전 소자(46)의 하단에 위치하며, 압전 소자(46)가 마모되지 않도록 보호할 수 있다. 예를 들면, 마모 방지판(45)은 철이나 세라믹 등으로 구성될 수 있다.The wear prevention plate 45 is located at the lower end of the piezoelectric element 46, and may protect the piezoelectric element 46 from being worn. For example, the wear prevention plate 45 may be made of iron or ceramic.

압전 소자(46)는 전기 신호와 초음파 신호를 상호간 변환할 수 있다. 이 때, 도 1에서 전술한 바와 같이, 송신용 탐촉자(40a)의 압전 소자의 경우, 전기 신호를 초음파 신호로 변환할 수 있으며, 수신용 탐촉자(40b)의 압전 소자의 경우에는 초음파 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다.The piezoelectric element 46 may convert an electric signal and an ultrasonic signal to each other. At this time, as described above in FIG. 1, in the case of the piezoelectric element of the transmitting transducer 40a, the electric signal can be converted into an ultrasonic signal, and in the case of the piezoelectric element of the receiving transducer 40b, the ultrasonic signal is electric Can be converted to a signal.

예를 들면, 압전 소자(46)에 포함되는 압전 재료는 LiNbO3 단결정을 포함할 수 있다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이, 압전 소자(46)는 배킹 재료(43)와 마모 방지판(45) 사이에 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 케이스(41) 내부의 임의의 위치에 배치될 수 있다.For example, the piezoelectric material included in the piezoelectric element 46 may include a LiNbO 3 single crystal. In addition, as shown in FIG. 2, the piezoelectric element 46 may be disposed between the backing material 43 and the abrasion prevention plate 45, but is not limited thereto and is disposed at an arbitrary position inside the case 41 Can be.

이처럼, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자(40)는 케이스(41)가 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시를 포함하도록 하고, 그 비율을 조절함으로써 탐촉자(40)에서 송수신되는 주파수 신호의 밴드폭을 제어할 수 있다. 또한, 종래의 탐촉자가 소자 자체를 이용함에 따라 표면에 손상이 발생하였던 문제를 해결하기 위해, 신호가 송수신되는 부분에 마모 방지판(45)을 구비함으로써 압전 소자를 보호할 수 있도록 하였다.As such, in the probe 40 according to an embodiment of the present invention, the case 41 includes a material containing carbon powder and an epoxy, and by adjusting the ratio, the bandwidth of the frequency signal transmitted and received from the probe 40 Can be controlled. In addition, in order to solve the problem that damage to the surface has occurred as a conventional probe uses the element itself, the piezoelectric element can be protected by providing an abrasion prevention plate 45 at a portion where signals are transmitted and received.

도 3a는 종래의 상용 PZT 탐촉자의 시간에 따른 신호 파형(상단)과 주파수 신호의 밴드폭(하단)을 나타내며, 도 3b 및 도 3c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자의 시간에 따른 신호 파형(상단)과 주파수 신호의 밴드폭(하단)을 나타낸다.3A shows a signal waveform according to time (top) and a bandwidth (bottom) of a frequency signal of a conventional commercial PZT probe, and FIGS. 3B and 3C are signal waveforms according to time of a probe according to an embodiment of the present invention. Shows (top) and the bandwidth (bottom) of the frequency signal.

여기서, 도 3a의 상단 그래프의 경우 가로축은 시간(0.2 마이크로초 단위)을 나타내며, 세로축은 신호의 전압(V)을 나타낸다. 도 3b의 하단 그래프의 경우 가로축은 주파수(MHz)를 나타내며, 세로축은 전압에 따른 진폭 크기를 나타낸다.Here, in the case of the upper graph of FIG. 3A, the horizontal axis represents time (in units of 0.2 microseconds), and the vertical axis represents the voltage (V) of the signal. In the case of the lower graph of FIG. 3B, the horizontal axis represents frequency (MHz), and the vertical axis represents amplitude according to voltage.

도 3a의 하단 그래프를 참조하면, 종래의 상용 PZT 탐촉자의 경우 광대역 밴드폭(밴드폭: 60%)을 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 종래의 상용 PZT 탐촉자에서는 시험체의 비선형 특성을 분석하기에는 적절하지 않다.Referring to the lower graph of FIG. 3A, it can be seen that the conventional commercial PZT probe has a broadband bandwidth (bandwidth: 60%). Therefore, the conventional commercial PZT transducer is not suitable for analyzing the nonlinear characteristics of the test specimen.

한편, 도 3b 및 3c의 상단 그래프의 경우 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 신호의 크기를 퍼센트(%)로 나타낸다. 도 3b 및 3c의 하단 그래프의 경우 가로축은 주파수(MHz)를 나타내며, 세로축은 진폭 크기를 나타낸다.Meanwhile, in the case of the upper graphs of FIGS. 3B and 3C, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the signal size in percent (%). In the lower graphs of FIGS. 3B and 3C, the horizontal axis represents the frequency (MHz), and the vertical axis represents the amplitude.

또한, F.PEAK는 주파수 신호의 피크값이 나타나는 주파수값이고, F.UP 및 F.LOW는 주파수 신호의 피크의 중간값에 대한 상한 주파수값과 하한 주파수 값이며, F.CENT는 F.UP과 F.LOW의 평균값이다.In addition, F.PEAK is the frequency value at which the peak value of the frequency signal appears, F.UP and F.LOW are the upper and lower frequency values for the middle value of the peak of the frequency signal, and F.CENT is the F.UP. It is the average value of and F.LOW.

이 때, 도 3b의 경우, 에폭시와 텅스텐 카바이드의 비율을 1:4로 하여 주파수 신호를 검출한 것이며, 도 3c의 경우, 에폭시와 텅스텐 카바이드의 비율을 1:2로 하여 주파수 신호를 검출한 것이다. At this time, in the case of FIG. 3B, the frequency signal was detected with the ratio of epoxy and tungsten carbide as 1:4, and in the case of FIG. 3C, the frequency signal was detected with the ratio of epoxy and tungsten carbide as 1:2. .

도 3b 및 3c를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자의 경우에는 주파수 신호가 협대역 밴드폭(B.W.: 17%(도 3b), 30%(도 3c))을 갖는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 종래의 PZT 탐촉자에 비해 시험체의 비선형 특성을 측정하기에 적합한 특징을 갖는다.3B and 3C, in the case of a probe according to an embodiment of the present invention, it can be seen that the frequency signal has a narrowband bandwidth (BW: 17% (FIG. 3B), 30% (FIG. 3C)). . Therefore, compared to the conventional PZT transducer, it has a characteristic suitable for measuring the nonlinear characteristics of the test body.

또한, 도 3b 및 3c에 나타낸 바와 같이, 탐촉자에 포함된 탄소 분말 물질(예를 들면, 텅스텐 카바이드)의 비율이 높아질수록 주파수 신호의 밴드폭이 점차 좁아짐을 확인할 수 있다. 이처럼, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자는 케이스에 포함된 에폭시와 탄소 분말을 포함하는 물질의 비율을 적절하게 조절함으로써, 주파수 밴드폭을 제어할 수 있다. 따라서, 시험체의 비선형 특성을 측정하는 경우에는 주파수 특성 분석에 유리한 협대역 밴드폭을 갖도록 할 수 있다.In addition, as shown in FIGS. 3B and 3C, it can be seen that the bandwidth of the frequency signal gradually narrows as the ratio of the carbon powder material (eg, tungsten carbide) included in the transducer increases. As such, the transducer according to an embodiment of the present invention can control the frequency bandwidth by appropriately adjusting the ratio of the material including the epoxy and carbon powder contained in the case. Therefore, in the case of measuring the non-linear characteristics of the test object, it is possible to have a narrow bandwidth which is advantageous for frequency characteristic analysis.

도 4a는 종래의 상용 PZT 탐촉자로 측정한 모재(상단)와 용접부(하단)의 RF 신호를 나타내며, 도 4b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자로 측정한 모재(상단)와 용접부(하단)의 RF 신호를 나타낸다. 이 때, 도 4a 및 4b에 나타낸 그래프에서 가로축은 시간을 나타내며, 세로축은 진폭의 크기를 나타낸다.Figure 4a shows the RF signals of the base material (top) and the welding part (bottom) measured with a conventional commercial PZT probe, and Figure 4b is the base material (top) and the welding part (bottom) measured with a probe according to an embodiment of the present invention. Represents the RF signal. In this case, in the graphs shown in FIGS. 4A and 4B, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the amplitude.

도 4a를 참조하면, 종래의 상용 PZT 탐촉자로 시험체를 측정한 경우에는 모재(상단)에 대해서는 신호가 정상적으로 나타나고 있으나, 용접부(하단)의 경우에는 전압을 1000V 이상 올리게 되면 가진 신호의 왜곡이 발생함을 알 수 있다.Referring to Fig. 4a, when the test body is measured with a conventional commercial PZT transducer, the signal is normally displayed for the base material (top), but in the case of the welding part (bottom), when the voltage is raised by 1000V or more, distortion of the excitation signal occurs. Can be seen.

한편, 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자의 경우에는 시험체의 모재(상단)와 용접부(하단) 모두에 대해서 전압을 1000V 이상 올렸을 경우에도 가진 신호의 왜곡 없이 안정된 신호가 검출됨을 알 수 있다.On the other hand, referring to FIG. 4B, in the case of the probe according to an embodiment of the present invention, even when the voltage is increased by 1000 V or more for both the base material (top) and the welding part (bottom) of the test object, a stable signal is detected without distortion of the excitation signal. You can see that it is.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자에 의하면 고전압을 가하더라도 신호가 왜곡되지 않으므로, 시험체의 용접부에서도 높은 신뢰도로 시험체의 비선형 특성의 측정이 가능하다.Therefore, according to the transducer according to an embodiment of the present invention, since the signal is not distorted even when a high voltage is applied, it is possible to measure the nonlinear characteristics of the test object with high reliability even at the welding portion of the test object.

도 5a는 시험체의 모재와 용접부를 종래의 상용 PZT 탐촉자로 1000V 가진한 결과를 나타내며, 도 5b는 시험체의 모재와 용접부를 본 발명의 일 실시에예 따른 탐촉자로 1000V 가진한 결과를 나타낸다. 이 때, 도 5a 및 5b에 나타낸 그래프에서 가로축은 주파수(MHz)를 나타내며, 세로축은 진폭의 크기를 나타낸다.FIG. 5A shows the result of excitation of the base metal and the welding part of the test body by 1000V with a conventional commercial PZT transducer, and FIG. 5B shows the result of excitation of the base metal and the welding part of the test body by 1000V by the transducer according to an embodiment of the present invention. In this case, in the graphs shown in FIGS. 5A and 5B, the horizontal axis represents the frequency (MHz), and the vertical axis represents the amplitude.

도 5a를 참조하면, 종래의 상용 PZT 탐촉자로 시험체의 모재와 용접부를 1000V 전압으로 가진한 경우, 용접부(weld)에서는 2차 고조파 신호가 측정되지 않음을 알 수 있다. 따라서, 종래의 상용 PZT 탐촉자에 의하면 시험체의 용접부에서의 비선형 특성을 측정할 수가 없게 된다.Referring to FIG. 5A, it can be seen that when a conventional commercial PZT transducer has a base metal and a welding part of a test body at a voltage of 1000V, a second harmonic signal is not measured in the weld. Therefore, according to the conventional commercial PZT transducer, it is impossible to measure the nonlinear characteristics at the welded portion of the test body.

이는 종래의 상용 PZT 탐촉자에서는 고전압으로 인한 탐촉자의 고장 또는 압전 소자 자체의 손상으로 인한 자체적인 비선형 특성이 발현될 수 있기 때문이다.This is because conventional commercial PZT transducers may exhibit their own nonlinear characteristics due to failure of the probe due to high voltage or damage to the piezoelectric element itself.

한편, 도 5b를 참조하면, 본 발명의 일 실시에예 따른 탐촉자로 시험체의 모재와 용접부를 1000V 전압으로 가진한 경우, 모재 뿐 아니라 용접부에서도 2차 고조파 신호가 정상적으로 수신되는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, referring to FIG. 5B, it can be seen that when the base metal and the welding part of the test body have a voltage of 1000 V with the probe according to an embodiment of the present invention, the second harmonic signal is normally received not only from the base material but also from the welding part.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탐촉자에 의하면 미세 결함이 주로 발생하는 용접부에 대해서도 종래의 PZT 탐촉자에 비해 안정적으로 비선형 파라미터를 측정 및 계산할 수 있다.Accordingly, according to the transducer according to an exemplary embodiment of the present invention, it is possible to measure and calculate a nonlinear parameter stably compared to a conventional PZT transducer even in a welding part where micro-defects mainly occur.

이와 같이, 본 발명에 따른 탐촉자에 의하면, 초음파를 이용한 비선형 특성 평가에 있어서, 압전 소자의 손상 없이 안정적으로 초음파 에너지를 발생시킬 수 있고, 재료의 모재 뿐 아니라 용접부 영역에서도 높은 신뢰도로 재료 특성 분석이 가능하며, 주파수 특성 분석에 유리한 협대역 밴드폭을 가질 수 있다.As described above, according to the transducer according to the present invention, in the evaluation of nonlinear characteristics using ultrasonic waves, ultrasonic energy can be stably generated without damage to the piezoelectric element, and material characteristic analysis can be performed with high reliability not only in the base material of the material, but also in the weld area. It is possible, and it can have a narrow bandwidth which is advantageous for frequency characteristic analysis.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. In the above, even if all the constituent elements constituting an embodiment of the present invention are described as being combined into one or operating in combination, the present invention is not necessarily limited to these embodiments. That is, within the scope of the object of the present invention, all the constituent elements may be selectively combined and operated in one or more.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.In addition, terms such as "include", "consist of" or "have" described above mean that the corresponding component may be present unless otherwise stated, excluding other components Rather, it should be interpreted as being able to further include other components. All terms, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art, unless otherwise defined. Terms generally used, such as terms defined in the dictionary, should be interpreted as being consistent with the meaning of the context of the related technology, and are not interpreted as ideal or excessively formal meanings unless explicitly defined in the present invention.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

1: 비선형 파라미터 측정 장치 20: 게이트 증폭기
30: 옴 부하 40, 40a, 40b: 탐촉자
41: 케이스 42: 케이블 커넥터
43: 배킹 재료 44: 아이솔레이터
45: 마모 방지판 46: 압전 소자
50: 광대역 수신기 60: 오실로스코프1: nonlinear parameter measurement device 20: gate amplifier
30: Ohm load 40, 40a, 40b: transducer
41: case 42: cable connector
43: backing material 44: isolator
45: wear protection plate 46: piezoelectric element
50: broadband receiver 60: oscilloscope

Claims (9)

전기 신호와 초음파 신호가 상호간 변환되는 압전 재료를 포함하는 압전 소자; 및
상기 압전 소자를 보호하는 케이스를 포함하며,
상기 케이스는 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시(epoxy)를 포함하는 배킹(backing) 재료를 포함하는 탐촉자.A piezoelectric element including a piezoelectric material in which electric signals and ultrasonic signals are converted to each other; And
And a case for protecting the piezoelectric element,
The case is a transducer comprising a material including carbon powder and a backing material including epoxy. 청구항 1에 있어서,
상기 탄소 분말을 포함하는 물질과 상기 에폭시는 원하는 주파수 밴드폭에 따라 비율이 각각 조절되는 탐촉자.The method according to claim 1,
The material including the carbon powder and the epoxy are respectively controlled in proportions according to a desired frequency band width. 청구항 1에 있어서,
상기 압전 재료는 LiNbO3 단결정을 포함하는 탐촉자.The method according to claim 1,
The piezoelectric material is a transducer including a single crystal of LiNbO 3 . 청구항 1에 있어서,
상기 탄소 분말을 포함하는 물질은 텅스텐 카바이드(WC)를 포함하는 탐촉자.The method according to claim 1,
The material containing the carbon powder is a probe containing tungsten carbide (WC). 청구항 1에 있어서,
상기 케이스는 측면에 상기 전기 신호와 상기 초음파 신호가 외부로 방출되는 것을 방지하는 아이솔레이터(isolator)를 포함하는 탐촉자.The method according to claim 1,
The case is a probe including an isolator (isolator) for preventing the electrical signal and the ultrasonic signal from being emitted to the outside. 청구항 1에 있어서,
상기 케이스는 상기 압전 소자의 하단에 상기 압전 소자가 마모되지 않도록 보호하기 위한 마모 방지판을 포함하는 탐촉자.The method according to claim 1,
The case is a probe comprising a wear protection plate for protecting the piezoelectric element from abrasion at a lower end of the piezoelectric element. 청구항 6에 있어서,
상기 압전 소자는 상기 배킹 재료와 상기 마모 방지판 사이에 배치되는 탐촉자.The method of claim 6,
The piezoelectric element is a probe disposed between the backing material and the wear prevention plate. 청구항 1에 있어서,
상기 탐촉자를 통해 송수신되는 주파수 신호의 밴드폭은 17% 또는 30%인 탐촉자.The method according to claim 1,
A probe having a bandwidth of 17% or 30% of a frequency signal transmitted and received through the probe. 전기 신호를 초음파 신호로 변환하여 송신하는 압전 재료를 포함하는 압전 소자 및 상기 압전 소자를 보호하며, 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시를 포함하는 배킹 재료를 포함하는 케이스를 포함하는 송신용 탐촉자; 및
수신된 초음파 신호를 초음파 신호로 변환하는 압전 재료를 포함하는 압전 소자 및 상기 압전 소자를 보호하며, 탄소 분말을 포함하는 물질과 에폭시를 포함하는 배킹 재료를 포함하는 케이스를 포함하는 수신용 탐촉자를 포함하는 탐촉자 장치.A piezoelectric element including a piezoelectric material that converts an electric signal into an ultrasonic signal and transmits it, and a transmission probe including a case including a material including carbon powder and a backing material including epoxy and protecting the piezoelectric element; And
A piezoelectric element including a piezoelectric material for converting the received ultrasonic signal into an ultrasonic signal, and a receiving probe including a case including a material containing a carbon powder and a backing material containing an epoxy protecting the piezoelectric element Transducer device.
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