교류 전자기장 가시화 시스템의 개발 및 응용

Abstract

원자력발전소, 항공기등을 구성하는 구조재의 많은 부분이 알루미늄, 인코넬 및 스테인리스강등과 같은 상자성체(Paramagnetic material) 및 강자성체(Ferromagnetic material)와 상자성체가 혼재된 재질에 의하여 구성되어 있다. 이들의 형태 및 크기, 또는 균열 및 손상 등을 가시화하고 정량적으로 평가하기 위해서는 기존의 정자기장 가시화 기술에 기반한 자기카메라는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 교류 자기장을 측정, 가시화하고 해석할 수 있는 교류형 자기 카메라를 제안한다. 제안한 자기카메라는 자원과 대상물, 2차원 배열의 자기센서와 3차원 형상의 자기렌즈, A/D 변환기와 컴퓨터 및 모니터로 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 얻을 수 있다. 이들 자원으로는 강자성체인가, 또는 상자성체 금속인가에 따라 전자석, 유도전류, 헬름헬츠 코일, 지자기와 같은 정자기장(Static Magnetic Field) 또는 유도형 전자기장(induced magnetic field)을 이용한다. 본 논문에서는 상자성체 재료 또는 강자성체와 상자성체가 혼재하는 구조물을 가시화하거나 비파괴검사가 가능하도록 하기와 같이 교류형 자기카메라를 개발하여 그 결과를 확인하였다. 1. 자원(Magnetic Source)에 관한 연구 : 상자성체 및 강자성체와 상자성체가 혼재하는 재료에 교류 전자기장의 도입으로 유도전류를 발생시키는 복합 유도전류-누설자속법(CIC-MFL, Combined Induced Current-Magnetic Flux Leakage)과 유도면전류법(STIC, Sheet Type Indeced Current)에 의하여 상기 구조물로부터 전자기장을 유도하고, 균열의 존재에 기인한 자기장의 변화를 가시화하고, 해석하였다. 2. 센서(Sensor head)에 관한 연구 : 교류 전자기장을 측정하기 위해서 홀센서를 사용하였는데 홀센서의 선형 집적화를 통한 높은 분해능을 얻을 수 있었고, 배열에 의한 간섭의 최소화 및 구동회로의 간략화를 이룰 수 있었다. 3. 교류용 자기카메라에 적합한 회로에 관한 연구 : 상자성체 및 강자성체가 혼재된 재질에서 결함의 데이터를 추출하고, 낮은 주파수 잡음을 제거하기 위해서 HPF(High Pass Filter)를 전처리부에 도입하고, 저전력 저잡음 고주파용 op-amp의 도입으로 미약한 결함의 신호를 얻을 수 있었으며, A/D 변환기와 컴퓨터의 빠른 신호처리와 신호해석의 용의함을 위해 RMS(Root Mean Square)회로를 도입하여 보다 더 정밀하고 빠르게 결함 신호를 처리할 수 있었다. 4. 정량평가(Quantitative NDE) 및 역해석(Inverse problem)에 관한 연구 : 자기카메라에 의하여 추출된 정보로부터 결함을 정량평가하기 위한 정해석 및 역해석 알고리즘에 대하여 연구하였다. 5. 다양한 적용분야의 가능성 평가 : 원자력발전소에서 많이 사용하는 오스테나이트계 스테인레스강, 인코넬 구조재, 니켈을 코팅한 인코넬 시험편을 이용하여 상자성체 또는 강자성체와 상자성체가 혼재된 상태의 구조물의 결함을 효율적으로 검출하는 분야에 활용하였다. 또한, 경년항공기의 수명관리를 위한 비파괴검사 적용가능성을 확인하기 위하여 알루미늄 합금 시험편의 인공결함 및 피로균열의 탐상및 평가에 적용하였다. 또한 세계 각국 동전의 자기카메라 영상으로부터 진위 여부의 판별방법을 제안하였다. 이러한 연구에 의하여 교류 전자기장을 측정, 가시화하고 해석할 수 있는 교류스캔형 자기카메라를 기술적으로 실현하였고, 강자성체, 상자성체는 물론, 상자성체 및 강자성체가 혼재된 재료에서도 이면 및 표면 결함을 측정할 수 있어 차세대 에너지 기기, 로켓, 항공기, 교각, 차량, 고층건축, 플랜트 등 대형기기구조물에 내재하는 손상의 고정도 평가와 예측수법의 확립에 의하여 신뢰성 및 안전성을 잃지 않을 정도의 손상은 허용하는 이른바 손상허용 공학적 재료평가가 가능하게 되어 21세기의 차세대 대형기기의 고 신뢰성 혹은 향후 심각한 사회문제로 될 가능성이 농후한 경년기기 및 구조물의 수명평가 정도의 비약적 향상이 기대된다.