전도성 물질의 균열을 감지하기 위해 회전 와전류 제어를 수렴하는 정교한 구리 코어 설계

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 5479(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

와전류(EC) 테스트는 지난 수십 년 동안 전도성 재료의 결함을 감지하기 위한 표준 후보로 선택되었습니다. 그럼에도 불구하고 사소한 결함을 감지할 수 있는 EC 프로브를 개발하는 것은 프로브 치수와 테스트 피스 표면에서 생성된 EC 강도 사이의 균형으로 인해 연구자들에게 항상 어려운 과제였습니다. 여기에서는 정교한 디자인의 구리 코어를 사용하여 회전하는 EC를 구리 코어 끝 부분에 모아 전도성 물질의 모든 방향에서 작은 균열을 감지합니다. 이 방법에서는 큰 여자 코일을 임의로 수용하여 시험편의 작은 영역에서 더 큰 회전 균일 EC가 생성되도록 할 수 있습니다. 따라서 프로브는 전도성 물질의 모든 방향에서 균열을 감지할 수 있습니다.

구조적 구성 요소의 작은 결함으로 인해 잠재적인 위험이 발생할 수 있습니다. 빠른 속도, 감도 및 효율성1,2,3,4이라는 장점으로 인해 와전류(EC) 테스트는 항공5,6, 철도7, 8,9, 석유화학10 산업, 그리고 강철 교량11,12과 같은 토목공학 분야. 이는 유지보수 분야에서 결함에 관한 정보를 수집하는 데 필수적인 방법입니다13,14.

Hoshikawa 등15은 시편 표면에 유도된 직선 패턴 EC가 신호 대 잡음비(SNR)를 증가시킬 수 있음을 지적했습니다. 이 기술은 일본에서 균일 와전류(UEC) 측정으로 알려져 있습니다. 한편, 이 기술을 미국과 유럽에서는 교류 전계 측정이라고 합니다. 또한 EC 프로브의 자체 미분 및 자체 널링 특성을 실현하면 잡음 신호의 영향을 줄일 수 있습니다. 일반적인 UEC 프로브는 Hoshikawa가 발명했으며 Hoshi 프로브15,18,19,20,21,22,23,24,25라고 합니다. Hoshi 프로브의 구조는 기본적으로 접선 직사각형 여기 코일과 원형 또는 직사각형 감지 코일로 구성됩니다. UEC 변환기의 원리는 재료에 결함이 있을 때 UEC의 분포를 방해하고 감지 코일을 통해 자속을 변경하는 것입니다.

현재까지 많은 연구자들은 점점 더 사소한 결함의 크기를 예측하기 위해 높은 SNR을 달성하기 위해 새로운 EC 프로브를 계속 조사하고 개발하고 있습니다. 자기장 진폭을 증가시키고 높은 투자율로 인해 결함 검출 능력을 향상시키기 위해 여자 코일의 코어 재료로 페라이트 코어를 적용했습니다. 지금까지 UEC 프로브는 검출 감도를 높이기 위해 큰 여기 전류 강도가 요구되고, 따라서 테스트 피스 표면에 강한 EC가 생성되도록 프로브의 구조가 커야 하므로 작은 결함을 검출하는 데 단점이 있었습니다. 그러나 이는 작은 결함의 크기에 비해 유도된 EC 분포가 너무 크기 때문에 작은 결함 검출 능력에 영향을 미칩니다. 또한 기존 ECT 센서 대신 매우 민감한 유연한 와전류 어레이 센서를 사용하여 표면 미세 결함을 감지합니다. 고주파 전도도 측정 및 큰 여기 전류량으로 인해 자기장이 여기 코일 주위로 분산되고 넓은 영역을 커버하므로 미세 결함 감지에 대한 고성능이 제공됩니다. 그럼에도 불구하고 유연한 와전류 어레이 프로브는 일반적으로 구리선의 회전 수가 적습니다. 따라서 플랫 코일은 우수한 성능(보통 100kHz~10MHz 사이)을 달성하려면 고주파수에서 전도도 측정이 필요합니다. 이 모드에서는 확실히 노이즈가 많이 발생하고 스킨 효과가 얕아집니다. 또한 공간 분해능을 추구하기 위해 유연한 와전류 어레이 프로브는 공간 분해능이 크므로 작은 면적의 시편을 검사할 때 특히 인접한 균열을 감지할 수 없기 때문에 불리합니다. 따라서 이전 연구에서는 슬릿, 중공 및 여기 코일 아래에 장착된 플레이트가 있는 구리 코어가 있는 와전류 수렴(ECC) 프로브가 구리 코어 끝에서 수렴하는 매우 강한 EC를 생성하는 것으로 간주되었습니다. . 그럼에도 불구하고 이전 연구의 ECC 프로브의 경우 EC 선이 균열 길이에 수직인 경우에 비해 균열 길이에 평행할 때 균열 신호 진폭이 크게 감소하여 균열 특성 평가에 크게 영향을 미쳤습니다. 이 문제를 해결하는 방법은 90°의 위상차를 갖는 동일한 주파수와 전류를 갖는 한 쌍의 여기 코어를 사용하여 시편 표면에 회전 EC를 생성하는 것입니다. 그러나 우리의 이전 연구35,36는 이 회전이 여기 코일에 의해 직접 생성되지 않고 구리 코어 팁에 수렴되는 EC에 의해 생성되기 때문에 시험편 표면에 EC 회전을 생성하는 데 방해가 되었습니다. 즉, 시험편 표면 전체에 걸쳐 균일한 회전 EC를 생성하려면 균일한 회전이 가능한 구리 코어 끝 부분에 모이는 EC를 제어해야 합니다. 따라서 본 연구에서는 구리 코어의 끝 부분에 수렴하는 회전 EC를 생성하여 매우 강한 회전 EC를 생성할 수 있는 정교한 구리 코어 설계를 사용하는 새로운 회전 균일 와전류 수렴(RUECC) 프로브를 제시합니다. 시험편 표면을 통해 모든 방향의 작은 균열을 탐지합니다. 여기 코일의 크기와 회전 수 및 구리 코어의 구조를 조정하여 구리 코어 끝에 수렴하는 EC를 생성함으로써 RUECC 프로브는 이전 연구에서 ECC 프로브의 단점을 극복할 수 있습니다. 프로브를 사용하여 모든 방향에서 작은 결함을 감지하는 능력도 크게 향상될 것으로 예상됩니다. 또한 원형 감지 코일은 자기 무효화 및 자기 차동 특성을 준수하여 RUECC 프로브가 잡음 신호(특히 리프팅 중 잡음 신호)를 제거하도록 합니다. 구리 코어 끝 부분에서 와전류의 수렴을 확인하기 위해 유한 요소 분석이 수행되었습니다. 본 연구에서는 유한요소해석 결과를 바탕으로 구리 코어를 제작하여 구리 코어 끝 부분의 RUECC를 성공적으로 획득하였다. 기존 문헌과 비교하여 구리 코어의 특수 설계로 뛰어난 결함 검출 능력을 얻었습니다.