KR101558922B1 - 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서에 관한 것으로서, 음향분할면, 압전진동자, 지연재를 포함한 분할형 초음파 센서로서, 송신지연재는 제 1 송신지연재와 제 2 송신지연재 사이의 접합면의 측단면이 하방으로 볼록하게 만곡형성되어 있고, 수신지연재는 제 1 수신지연재와 상기 제 2 수신지연재 사이의 접합면의 측단면이 하방으로 볼록하게 만곡형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 따라서 본 발명은 동일한 초음파 방사면에 대해 빔폭의 크기를 조절할 수 있으므로, 대면적 금속의 자동 검사에서 초음파센서의 개수를 줄일 수 있어 전체 시스템의 가격을 줄일 수 있고, 운영 비용을 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

초음파센서, 압전진동자, 지연재, 음향분할면

Description

빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서{Dual type ultrasonic sensor for adjusting beam width}

본 발명은 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동일한 초음파 방사면을 가지면서 빔크기를 조절하는 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서에 관한 것이다.

최근 설비 구조물의 안정성 진단 및 예측 기기로서 비파괴 초음파 센서가 각광을 받고 있다. 이는 종래와 같이 파괴시험에 의해 구조물의 역학적 특성파악과 상태를 진단하는 것이 아니라, 초음파를 이용해 물성 측정과 작동상태를 비파괴적으로 진단예측하는 것으로, 조업중인 구조물, 기계류의 연속적인 상태 진단을 가능하게 하고, 급작스러운 기계류의 파괴를 미연에 방지할 수 있기 때문에 큰 설비 및 작업손실을 예방할 수 있다.

또 비파괴 초음파센서는 종래에는 진단하기 어려웠던 복잡한 구조물에도 쉽게 설치가 가능하며, 여타 방법들에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 우수한 진단 효과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

한편, 상기 초음파 센서의 종류에는 여러 가지가 있으나, 산업현장에서 품질 검사용으로 가장 많이 쓰이는 것으로는 분할형 센서를 들 수 있다. 이는 두 개의 압전 진동자가 하나의 외장에 같이 들어있는 형태로서, 초음파의 송수신이 하나의 센서로써 이루어질 수 있도록 한 것이다.

그러나 이러한 분할형센서는 사용상의 편리함이나 송수신 신호의 결합에 의한 잡음의 제거에 잇점은 있으나, 작동 주파수 대역이 좁다는 중요한 결함을 가지고 있다. 비파괴검사에서 미세한 내부 결함까지 정확히 탐지하기 위해서는, 사용되는 주파수대역이 되도록 넓을수록 유리하나, 종래의 분할형 초음파 센서는 그 대역이 50%를 넘지 않는 것이 보통이다.

이러한 문제를 해결하기 위한 것으로서 본 출원인의 실용신안등록공보 제1997-0006841호(1997년 7월 8일자)에는 종래의 분할형 초음파 센서가 개시되어 있으며, 이러한 종래의 분할형 초음파 센서는 주어진 주파수의 초음파를 방사하는 송신자와 검출하고자 하는 물체에서 반사되는 초음파 신호를 받아들이는 수신자가 결합되어 있으며 정합층을 복수개 형성하여 작동 주파수 대역을 확장하는 구조의 초음파 센서이다.

이때 송신자에서 방사된 초음파 빔을 일정한 깊이에 집속하기 위하여 송신자와 수신자를 일정한 각도로 기울여 위치시킨다. 이 각도에 의하여 초음파 빔의 깊이에 따른 감도 특성이 결정되게 된다.

그러나 이에 수직한 방향에 대한 초음파 빔의 크기를 제어할 수 있는 방법은 초음파 방사면을 키우는 방법이 있다. 하지만 대부분의 초음파 센서의 경우 무한정 방사면을 키울 수 없기 때문에 초음파 방사면이 결정되면 초음파 빔의 크기가 정해 지게 된다.

또한, 도 1 및 도 2는 종래의 분할형 초음파 센서를 나타내는 구성도 및 측면도로서, 도 1에 표시된 바와 같이, 지연재(1), 음향분할면(2), 전선(3), 후면재(4), 송신자와 수신자로 이뤄진 압전진동자(5)를 구비한 종래의 분할형 초음파 센서는 송신자와 수신자의 각도를 조정함으로써 깊이 방향에 대한 초음파 감도는 조절할 수 있지만, 그에 수직한 방향에 대한 빔의 크기를 조절할 수는 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 동일한 초음파 방사면에 대해 빔폭의 크기를 조절할 수 있으므로, 대면적 금속의 자동 검사에서 초음파센서의 개수를 줄일 수 있어 전체 시스템의 가격을 줄일 수 있고, 운영 비용을 줄일 수 있고, 또한, 종래의 초음파 센서보다 더 넓은 범위를 측정할 수 있어 초음파 검사의 효율을 향상시킬 수 있는 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중앙에 수직하게 형성된 음향분할면과, 상기 음향분할면의 일방에 경사지게 형성된 송신자와 상기 음향분할면의 타방에 경사지게 형성된 수신자를 구비한 압전진동자와, 상기 송신자의 하부에 형성된 송신지연재와 상기 수신자의 하부에 형성된 수신지연재를 구비한 지연재를 포 함한 분할형 초음파 센서에 있어서, 상기 송신지연재는 제 1 송신지연재와, 그 하면에 접합된 제 2 송신지연재로 이루어지고, 상기 수신지연재는 제 1 수신지연재와, 그 하면에 접합된 제 2 수신지연재로 이루어지며, 상기 제 1 송신지연재와 상기 제 2 송신지연재 사이의 접합면은 그 측단면이 하방으로 볼록하게 만곡형성되어 있고, 상기 제 1 수신지연재와 상기 제 2 수신지연재 사이의 접합면은 그 측단면이 하방으로 볼록하게 만곡형성되어 있다.

본 발명의 접합면의 곡률과, 상기 제 1 송신지연재와 상기 제 2 송신지연재 사이의 지연속도차 및 상기 제 1 수신지연재와 상기 제 2 수신지연재 사이의 지연속도차를 변경함으로써, 빔크기를 조절한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 동일한 초음파 방사면에 대해 빔폭의 크기를 조절할 수 있으므로, 대면적 금속의 자동 검사에서 초음파센서의 개수를 줄일 수 있어 전체 시스템의 가격을 줄일 수 있고, 운영 비용을 줄일 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 종래의 초음파 센서보다 더 넓은 범위를 측정할 수 있어 초음파 검사의 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센 서를 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서를 나타내는 측면도이다.

도 3 및 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시예의 초점심도조절이 가능한 분할형 초음파 센서는 지연재, 음향분할면(20), 압전진동자(50)를 포함하여 이루어지며, 전선(30), 후면재(40), 접합재(60)는 종래에 공지된 구성과 동일하며 이들을 더 포함하여 이루어지는 것도 가능함은 물론이다.

지연재는 압전진동자(50)의 하부에 형성되어 분할형 초음파 센서에서 불감대를 없애기 위해 사용되며, 전후 길이방향으로 빔폭의 크기를 조절하여 초음파 빔의 크기를 조절하기 위한 기하학적 형상으로 복수개가 형성된다.

즉, 지연재는 압전진동자(50)의 일방 하부에 형성된 송신지연재(11)와 압전진동자(50)의 타방 하부에 형성된 수신지연재(12)를 구비한다. 이러한 지연재의 재료로는 아크릴 수지, 알루미나, 폴리스티렌 등을 사용하는 것이 가능하다.

송신지연재(11)는 제 1 송신지연재(11a)와, 그 하면에 접합된 제 2 송신지연재(11b)와, 이들 사이의 접합면(11c)으로 이루어진다. 제 1 송신지연재(11a)와 제 2 송신지연재(11b) 사이의 접합면(11c)은 그 측단면이 하방으로 볼록하게 만곡형성되어 있다. 또한 그 정단면이 원호형상으로 형성되어 있는 것도 가능하다.

수신지연재(12)는 제 1 수신지연재(12a)와, 그 하면에 접합된 제 2 수신지연재(12b)와, 이들 사이의 접합면(12c)으로 이루어진다. 제 1 수신지연재(12a)와 제 2 수신지연재(12b) 사이의 접합면(12c)은 그 측단면이 하방으로 볼록하게 만곡형성되어 있다. 또한 그 정단면이 원호형상으로 형성되어 있는 것도 가능하다.

따라서 도 4에 나타난 바와 같이 초음파 빔이 각 지연재의 접합면(11c, 12c)에 의해 굴절되어 초음파 빔의 폭 크기가 확장되어, 본 실시예의 분할형 초음파 센서의 검출폭을 확장시키게 된다.

또한, 도 3에 나타낸 바와 같이 각 지연재의 접합면(11c, 12c)의 정면은 일자형상으로 형성되어 있다.

음향분할면(20)은 중앙에 수직하게 형성되어 압전진동자(50)를 송신영역과 수신영역으로 음향학적으로 분리하게 된다. 전선(30)은 압전진동자(50)에 접속되어 진동자에 외부의 전기에너지를 인가하게 된다. 후면재(40)는 압전진동자(50)의 후면에 형성되어, 그 후면에서 방사되는 초음파 빔을 감쇄시키게 된다.

압전진동자(50)는 초음파 진동을 발생시키는 진동자로서, 음향분할면(20)의 일방에 경사지게 형성된 송신자(51)와, 음향분할면(20)의 타방에 경사지게 형성된 수신자(52)를 구비한다.

압전진동자(50)는 중공형의 밀폐형 외장의 일측에 전선단자가 연결되고, 상기 전선단자는 후면재(40)의 내측으로 전선(30)이 연장되어 각각 음향분할면(20)으로 나누어진 송신자(51) 및 수신자(52)에 연결된다.

따라서, 외부전기신호가 송신자(51)에 가해지는 경우, 송신자(51)에 의해 초음파가 발생하고, 이 초음파는 전파경로를 거쳐 시험편에 반사된 후 수신자(52)로 복귀하게 되고, 이 도달파형에는 시험편의 내부결함에 관한 정보가 담겨지게 된다.

접합재(60)는 지연재와 압전진동자(50) 사이에 형성되어 이들 사이의 접착을 유지하게 하는 접합층으로서, 지연재와 동일한 소재를 사용하거나 에폭시 수지 등 을 사용하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시예의 분할형 초음파 센서는 각 지연재의 접합면(11c, 12c)의 곡률과, 제 1 송신지연재(11a)와 제 2 송신지연재(11b) 사이의 지연속도차 및 제 1 수신지연재(12a)와 제 2 수신지연재(12b) 사이의 지연속도차를 변경함으로써, 분할형 초음파 센서의 전후 폭방향 빔크기를 조절하게 된다.

즉, 본 실시예의 분할형 초음파 센서는 특수한 기하학적 모양을 갖는 지연재와 압전진동자를 에폭시를 이용하여 접합하고, 복수의 지연재 사이의 접합면에 형성된 단면의 곡률과 각 지연재의 음속을 조절함으로써, 초음파 빔의 길이방향 크기를 조절할 수 있게 된다.

도 5는 본 실시예의 분할형 초음파 센서와 종래의 초음파 센서에 있어서, 시험편과의 거리에 따른 빔세기를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 따른 초음파 센서의 빔세기는 2개의 지연재로 인하여 종래의 초음파 센서 보다 작아지지만, 빔세기의 변동폭, 즉 상하로의 변화값의 차이가 종래 보다 거리에 따른 빔세기의 변화가 감소되는 것을 알 수 있다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

도 1은 종래의 분할형 초음파 센서를 나타내는 구성도.

도 2는 종래의 분할형 초음파 센서를 나타내는 측면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서를 나타내는 구성도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서를 나타내는 측면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 초점심도조절이 가능한 분할형 초음파 센서와 종래의 초음파 센서에서 거리에 따른 빔크기의 측정결과를 나타내는 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11: 송신지연재 12: 수신지연재

20: 음향분할면 30: 전선

40: 후면재 50: 압전진동자

51: 송신자 52: 수신자

60: 접합재

Claims (2)

1. 중앙에 수직하게 형성된 음향분할면과, 상기 음향분할면의 일방에 경사지게 형성된 송신자와 상기 음향분할면의 타방에 경사지게 형성된 수신자를 구비한 압전진동자와, 상기 송신자의 하부에 형성된 송신지연재와 상기 수신자의 하부에 형성된 수신지연재를 구비한 지연재를 포함한 분할형 초음파 센서에 있어서,

   상기 송신지연재는 제 1 송신지연재와, 그 하면에 접합된 제 2 송신지연재로 이루어지고, 상기 수신지연재는 제 1 수신지연재와, 그 하면에 접합된 제 2 수신지연재로 이루어지며,

   상기 제 1 송신지연재와 상기 제 2 송신지연재 사이의 접합면은 그 측단면이 하방으로 볼록하게 만곡형성되어 있고, 상기 제 1 수신지연재와 상기 제 2 수신지연재 사이의 접합면은 그 측단면이 하방으로 볼록하게 만곡형성되어 있고,

   상기 접합면의 곡률과, 상기 제 1 송신지연재와 상기 제 2 송신지연재 사이의 지연속도차 및 상기 제 1 수신지연재와 상기 제 2 수신지연재 사이의 지연속도차를 변경함으로써, 빔크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 빔크기 조절이 가능한 분할형 초음파 센서.
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