Advances in Hardware of Ultrasonic Propagation Imaging System

초음파전파영상화 시스템 하드웨어 발전

Advances in Hardware of Ultrasonic Propagation Imaging System

정효미*, 이정률*, 박찬익**

*항공우주공학과 및 로스알라모스연구소-전북대학교 한국공학연구소, **국방과학연구소 (E-mail: leejrr@jbnu.ac.kr)

초음파전파영상화(UPI) 시스템은 2007년에 첫 논문 발표를 통해 시스템 개발이 보고된 이후 소프트웨어 및 하드웨어적 측면에서 다양한 형태로 발전된 시스템의 개발이 이루어졌다. 본 기고에서는 기본 UPI 시스템, 섬유파트랜스듀서 UPI 시스템, 순수광학시스템으로서 광섬유 센서 UPI 시스템, 완전비접촉 시스템으로서의 공기정압압전센서 UPI 시스템 및 레이저도플러진동계 UPI 시스템, 장거리 UPI 시스템, 옥외 적용성에 필수적 인 저온환경 UPI 시스템 등을 소개한다.

[신기술 소개] - 비파괴 검사학 회지 Journal of the Korean Society

for Nondestructive Testing Vol. 32, No. 2 (2012. 4)

1. 소 개

초음파 전파 영상화(ultrasonic propagation imaging, UPI) 시스템은 레이저 초음파 스캐닝 및 고정 센싱을 위한 하드웨어와 초음파전파영상화 및 손상가시화를 위한 소프트웨어로 구성된다.

초기 UPI 시스템은 고정 압전소자 가진-스캐닝 레이저 도플러 진동계(laser Doppler vibrometer, LDV) 수신[1], 고정 압전소자 가진-스캐닝 공기 정압 압전센서 수신[2], 스캐닝 펄스드 레이저 (pulsed laser)-고정 압전센서 수신[3]의 기술이 사 용되었으나 LDV 수신 기술 및 공기정압 압전센 서 기술의 경우 평면 검사만 가능하였고 펄스드 레이저 가진 기술의 경우 곡률이 가능하나 무거 운 레이저 헤드의 회전 스캐닝 및 낮은 펄스반복 속도 때문에 과도한 시간이 필요하여 실용화에 어려움이 있었다.

이러한 한계는 UPI 시스템의 두 가지 하드웨 어적 혁신에 극복되었다. 먼저, 레이저 거울 스캐 너를 도입하여 레이저 입사점의 위치를 고속으로 제어하게 되면서 스캐닝 속도가 빨라졌으며, Q- 스위치 연속파 레이저(Q-switched continuous wave laser, QL)를 적용하여 펄스드 레이저의 낮은 펄

스 반복 속도에서 벗어나 스캐닝 시간을 50배 이 상 향상하였다.

본 기고에서는 UPI 시스템의 하드웨어의 발전 을 중심으로 다양한 형태의 시스템을 기술하고 그 응용 예 및 구축비용 등을 논의한다.

2. 기본 초음파전파영상화 시스템

초음파 전파 영상화 시스템의 소프트웨어에는 단순 초음파 전파 영상화, 초음파 스펙트럼 영상 화, 웨이브렛 변환 초음파전파영상화, 기형파 전 파 영상화, 가변 시간창 진폭 영상화, TOF 영상 화, 그리고 파장 영상화 등 다양한 방법의 영상 처리기술이 플랫폼에 장착되어 있다. 시스템의 하드웨어는 100 mm × 100 mm 영역을 0.5 mm 간 격으로 40초 이내에 레이저 스캐닝과 데이터 수 집을 진행하고, 단순 초음파전파영상화 결과를 5 초 이내에 생성한다.

그림 1은 기본적인 UPI 시스템의 하드웨어 구 성을 보여준다. 레이저의 조사와 레이저 거울 제 어를 통한 레이저 입사 위치 제어, 그리고 레이 저 입사에 따른 초음파 신호 수집이 PC 제어를 통해 동기화되어 일어나는데, 레이저 스캐닝은

그림 4. FAW 트랜스듀서 UPI시스템 구성도 그림 1. 기본 UPI시스템 구성도

그림 2. 두 개의 충격 손상을 가진 탄소복합재 항공기 날개[6]

그림 3. (a)인접파 차분 기형파전파영상화 결과, (b) 가 변시간창 진폭영상화 결과 [6]

그림 1에 표시된 것과 같이 스캔 영역과 스캐닝 간격에 대한 정보가 요구된다.

그림 2는 복합재 항공기 날개 시편으로 스킨에 2개의 Barely visible impact damage가 존재한다.

스킨 내부에 설치된 압전초음파센서의 감각영역 을 기본 초음파 영상화 시스템을 이용하여 검사 할 경우 그림 3과 같은 결과를 획득할 수 있다.

스캐닝을 통해 획득한 원초음파 신호들은 영상 처리를 거쳐 손상으로 인한 기형적 분산파와 고 립파(정상파) 발생과 주파수 도착시간, 파장 변화 등이 가시화되어 손상을 쉽게 평가할 수 있다.

UPI 시스템은 공기 중에서 별도의 장치 없이 일 반 금속재료는 물론, 손상탐지가 까다로운 복합 재료에서도 수침 C-scan 수준의 손상 가시화 능 력을 보여주고 있으며 약 2억원 정도에 구매가 가능하다.

3. 섬유파 트랜스듀서 초음파전파영상화 시스템

고온 구조 적용을 위해 기본 UPI시스템에 섬 유파(fiber acoustic wave, FAW) 트랜스듀서 기술 을 결합할 수 있다[4]. 접촉식 압전소자 초음파 센서의 온도한계, 즉 Curie 온도의 약 절반이 넘 는 경우 초음파계측이 불가능하기 때문에 섬유파 트랜스듀서 UPI 시스템 고온 구조에서 그림 4에 하늘색으로 표시한 것과 같이 스테인리스 스틸 와이어 끝을 스캐닝 대상 표면에 용접 혹은 고온 용 접착제 고정방식으로 설치하여 열전도를 막아 고온 초음파 계측이 가능하도록 한다[4].

그림 5는 150°C 스테인리스 시편에서 2 mm 균 열을 포함하는 100 mm × 100 mm 스캐닝 영역에 서 얻은 신호를 단순 초음파전파영상화 결과로 나타낸 것이다. 손상으로 인한 분산파가 발생하 면서 손상의 위치가 확인되며, 이때 손상을 지나 는 파면을 따라 2차원 그래프로 표현하면 손상 위치에서 감도가 크게 감소된 폭을 측정하여 손 상의 크기를 평가하고 있다. FAW 트랜스듀서 UPI 시스템은 기본 UPI 시스템과 시스템 비용 측면에서 차이가 없다.

그림 5. (a) 고온구조 및 용접설치 FAW 트랜스듀서, (b)구조 및 압전센서 온도 비교, (c) 초음파전 파영상에서의 파면 붕괴, (d) 분산파 발생, (d) 파면을 따른 진폭분포 [4]

그림 6. 광섬유센서 UPI 시스템 구성도

그림 7. 충격 반대면에서 관찰한 심각한 손상시편 [5]

그림 8. 광섬유센서 UPI시스템을 이용한 탄소 복합재 시편의 충격손상 가시화 [5]

4. 광섬유센서 초음파전파영상화 시스템

광섬유 센서 UPI 시스템[5]은 완전 광학적 초음 파전파영상화 기술로 그림 6과 같이 UPI시스템의 센서부에 광섬유 초음파 센서 기술이 투입된다.

광섬유 초음파 센서는 FAW 격자 센서(fiber acoustic wave grating sensor, FAWGS) 기술을 기 반으로 하며 격자부를 직접 구조에 접착하지 않 고 정상파 형성 방식의 공진형 센서로 제작된다.

센싱시스템 기술은 초단폭 파장 가변레이저를 이 용한 광섬유 브래그 격자 복조기술을 사용한다.

본 시스템에서는 우수한 공간 해상도, 적은 센서 무게, 최소 칩임계측, 전자기파 무간섭계측 등 광 섬유센서의 일반적인 장점을 활용할 수 있다. 그 림 7은 복합재 시편에 충격이 이루어진 반대면 충격손상을 보여주고 있으며 전면에서는 육안구 별이 쉽지 않다. 그림 8은 그러한 충격손상을 단 순 초음파전파영상화 방식으로 검출한 결과이다.

광섬유센서 UPI시스템은 약 4000만원의 추가 비용이 더 필요하지만 그림 6에서 FAWGS 시스 템은 수십 개의 센서를 단일레이저로 복조할 수 있기 때문에 다점동시 측정이 필요한 경우 추가 비용 증가 없이 가능하다. 반면 센서 감도는 기 본 UPI 시스템보다 낮아진다.

5. 공기정압 압전센서 초음파전파영상화 시스템

공기정압 압전센서 UPI시스템은 기본 초음파 전파영상화 시스템에서 압전 초음파센서 대신 공 기 중으로 전파하는 초음파 신호를 완전 비접촉 식으로 수신하는 공기정압 압전센서를 사용한다.

그림 9. 공기정압 압전센서 기술을 이용한 완전 비접 촉 UPI 시스템 구성도 [7]

그림 10. 피로균열을 가진 CT시편과 공기정합 압전센 서 설치 [7]

그림 11. (a) 초음파스펙트럼분할 가시화 및 (b) 웨이 브렛 변환 초음파전파영상화를 통한 피로균 열 평가 [7]

그림 12. 완전 비접촉 LDV UPI 시스템 [8]

그림 13. 단순 초음파전파영상화를 통한 손상평가 결과 [8]

그림 9는 공기정압 압전센서(air-coupled piezoelectric transducer) 기술을 이용한 완전 비접촉 UPI 시스 템의 구성도를 보여준다. 공기정압 압전센서 기 술 결합부는 하늘색으로 표시하였다. 그림 10의 CT 시편에 공기정압 압전센서를 설치하고 피로 표면손상을 평가하여 그림 11의 결과를 확인하였 다. 공기정압 압전센서 UPI 시스템을 구축하는데

는 기본 UPI 시스템에 1000만원 정도의 추가비 용이 필요하다.

6. 레이저 도플러 진동계 초음파전파영상화 시스템

레이저 도플러 진동계(laser Doppler vibro- meter) UPI 시스템은 레이저를 시편 표면에 조사 한 후 반사되는 레이저 광을 수신하여 변위와 속 도를 획득하는 LDV를 초음파 센서로 사용한다.

그림 12와 같이 구성되며 LDV는 시편과 수직이 되도록 설치한다. 그림 13은 충격 손상이 존재하 는 CFRP wingbox 시편에 대한 손상 가시화 결과 로 손상이 있는 부분에서 위상의 급변하는 파면 붕괴가 발생하면서 손상의 위치가 확인되며 약 14 mm의 손상의 크기 역시 평가되고 있다. LDV UPI 시스템 구성은 기본 UPI 시스템에 6000만원 정도의 추가 시스템 비용이 필요하다.

7. 장거리 초음파전파영상화 시스템

장거리 UPI 시스템은 기본 UPI 시스템에 레이 저 빔 시준 기술을 적용하여 그림 14와 같이 구 성한 시스템으로, 10 m 이상 장거리에서 스캐닝 을 수행할 때 레이저 빔의 발산에 의해 수십 m 의 빔사이즈를 가지게 되어 빔 시준기를 사용하 여 레이저 빔을 시준한다. 기본 UPI 시스템에 빔 시준기를 설치하고 40 m 장거리에서 그림 15의 탄소복합재 접착분리 시편을 검사한 결과가 그림 16에 나타나있다. 장거리 UPI 시스템은 기본 UPI 시스템에 1500만원 정도의 시스템 비용이 추가 된다.

8. 저온 환경 초음파전파영상화 시스템

통상적으로 사용하는 레이저는 작동 온도 범위 가 15도에서 30도 사이로 열악한 온도 환경에서 안정적인 성능을 보유하지 못하며 이를 위해 레 이저헤드와 제어기에 온도 조절 기능을 추가하여 최소 -2도의 저온 환경에서도 사용이 가능한 UPI 시스템이 개발된 바 있다. 겨울철 옥외에서 도 사용가능하기 때문에 항공기 격납고등에서 사 용될 때 필요한 기술이다. 그림 17은 0도에서 온 도 조절 기능이 없는 레이저는 작동이 불가능하 고 온도 조절 기능이 추가된 레이저는 작동됨을 보여준다. 온도 조절 기능이 추가된 레이저로 저 온 환경 UPI 시스템을 구성하기 위해서는 기본 UPI시스템에 2500만원 정도의 시스템비용이 추 가된다.

9. 결 론

본 기고에서는 UPI 시스템의 하드웨어적 측면 에서의 발전에 대해 소개하였다. 다음 기고에서 는 손상가시화 알고리듬의 발전에 대해 소개할 예정이며 시스템 역시 다양한 형태로 진화하고 있어 추후 소개할 예정이다.

본 기고에서 소개된 시스템들은 검사 대상체와 적용환경을 고려하여 시스템별 특징을 확인하여 선택될 수 있다.

그림 14. 장거리 UPI 시스템 구성도 [9]

그림 15. 블레이드앞전 모사시편과 접착분리 손상 [9]

그림 16. 인접파차분 기형파전파영상화 및 가변시간창 진폭영상화를 통한 접착분리 평가결과 [9]

그림 17. 일반 UPI 시스템과 저온 환경 Q 스위치레이 저 사이의 비교

후 기

이 연구는 2011년도 교육과학기술부의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 과학기술 국제화사업(2011-0030065) 및 2010년도 지식경제 부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제(20103020020010)입 니다. 또한 본 연구는 국방과학연구소 연구과제 (UG110097JD)에 의해 지원되었습니다.

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