靜磁氣場 可視化를 위한 磁氣카메라의 開發 및 應用에 관한 硏究

Abstract

정자기장이란 시간에 따라 자계의 분포가 변화하지 않는 자기장을 말한다. 예를 들면 직류 전류는 일정한 크기의 전류가 시간에 따라 변함없이 계속해서 흐르는 것으로 그 주변의 자기장은 시간과 무관하게 일정한 상태로 유지된다. 이러한 정자기장에는 영구자석, 지자기, 직류 전자석, 모터, 변압기, 마이크, 나침반, 전화벨 발생장치, 자기 부상 열차, 컴퓨터의 기억장치 등과 같이 우리 주변에서 쉽게 찾아 볼 수 있다. 한편 이러한 정자기장을 가시화하면 모터의 불량검출, 턱 근육운동의 관찰, 지뢰 또는 금속탐지, PCB불량검사, 철도·항공·원자력 플랜트 등의 비파괴검사에 활용할 수 있다. 따라서 정자기장의 가시화 및 해석은 중요한 연구과제 중 하나이다. 본 연구에서는 정자기장을 측정, 가시화하고 해석 할 수 있는 기술 중 하나인 자기 카메라를 기술적으로 실현하고자 한다. 자기카메라는 자원과 대상물, 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자기렌즈, A/D converter와 Computer 및 Monitor로 구성된다. 이들 구성에 의하여 대상물의 형상 또는 결함 주위의 자기장을 자기렌즈로 집속하여 자기센서 배열에 의하여 전기신호로 변환하여 육안으로는 볼 수 없는 자기분포를 기록하고, 해석하기 위한 정량적인 기초 데이터를 제공한다. 여기에서 자원으로는 강자성체인가, 또는 상자성체 금속인가에 따라 전자석, 유도전류, 헬름헬츠 코일, 지자기와 같은 정자기장(Magnetostatic Field) 또는 동자기장(Magnetodynamic Field) 등을 이용한다. 본 논문에서는 정자기장에 의한 강자성체 재료 및 구조물의 비파괴검사를 위해서, 아래와 같은 연구를 하였다. 1. 자원과 대상물 : 다양한 크기를 갖는 강자성체 시험편에 여러 가지 형태와 크기의 인공결함을 도입하고, 직류전류에 의한 기존의 Yoke type magnetic coil 과 새로 도입한 Cross type magnetic coil 에 의하여 강자성체 재료를 자화하고, 시험편의 표면에서 정자기장의 변화를 가시화하였다. 2. 2차원 배열의 자기센서 : 강자성체 재료의 인공결함에 의해 발생하는 누설자속을 2차원으로 배열된 자기센서를 통하여 그 분포를 취득하였다. 높은 공간 분해능을 갖는 누설 자속 분포의 획득을 실현하기 위하여 사다리꼴 형태로 자기 센서를 배열하였다. 또한 실시간으로 자기장의 분포를 취득하기 위하여 사각형 형태로 자기센서를 배열하였다. 3. 3차원 형상의 자기렌즈 : 미약한 누설 자속을 효과적으로 획득하기 위하여 자기렌즈를 도입하였다. 시뮬레이션 프로그램을 통해 자기렌즈의 충분한 효과를 발휘할 수 있는 자기렌즈의 형태 및 크기를 구체화하였고, 실제로 자성유체를 이용하여 자기렌즈의 효과에 대하여 연구하였다. 4. A/D converter와 Computer : NI사의 PCI-6071E A/D converter를 이용하여 자기센서의 데이터를 획득하고, 획득되어진 데이터를 처리하여 2차원 또는 3차원의 자기장 분포로 가시화할 수 있는 Software를 개발하였다. 또한 개발된 Software에는 결함의 자동 인식을 위한 1/4 RMS(Root Mean Square)알고리즘과 Edge 검출 능력향상을 위한 GLR(Gray Level Repetition)알고리즘을 추가하여 결함의 탐상을 보다 용이하게 하였다. 5. 기타 : Scan type 자기카메라를 실현하기 위하여 등속 고 정밀 자동이송장치 및 운용 Software를 개발 하였다. 또한 S/N 비를 높이기 위하여 증폭회로, 배선 및 접지회로를 개선하였고, LPF(Low Pass Filter)를 도입하였다. 또한, 마이크로프로세서를 도입하여 디지털 신호처리 과정을 거친 저 잡음 신호를 추출함으로써 S/N 비의 향상을 도모하였다. 이러한 연구에 의하여 정자기장을 측정, 가시화하고 해석할 수 있는 자기카메라를 기술적으로 실현하였고, 여러 가지 내적·외적 원인에 기인한 구조물의 결함을 보다 유효하게 탐상하고 평가할 수 있도록 하였다.