[논문]홀센서를 사용한 펄스와전류탐상 신호의 수치모델링 및 코일센서 신호와의 특성 비교

신영길

doi:10.7779/jksnt.2016.36.6.490

홀센서를 사용한 펄스와전류탐상 신호의 수치모델링 및 코일센서 신호와의 특성 비교
Numerical Modeling of the Hall Sensor Signal Used in Pulsed Eddy Current Testing and Comparison of Its Characteristics with a Coil Sensor Signal 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.36 no.6, 2016년, pp.490 - 495

초록
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펄스와전류탐상에서 탐상 신호는 주로 센서코일에 유도되는 기전력의 시간에 따른 변화를 측정하여 사용되었는데, 최근에는 홀센서(Hall sensor)로 측정한 신호를 사용하는 경우도 많아지고 있다. 본 논문에서는 펄스와전류탐상에서 나타나는 홀센서 신호를 수치적으로 모델링하여 예측하였다. 이를 위해 두께 측정을 위한 탐촉자를 설계하고 먼저 계단입력전류를 사용한 수치해석을 수행하여 홀센서를 사용하였을 경우의 신호를 예측하였다. 또한, 코일을 센서로 사용하였을 경우의 신호도 동시에 계산하였다. 수치모델링 결과로 예측된 홀센서 신호들은 실험 연구를 통해 보고된 신호들과 유사한 형태를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 그리고 피검사체의 두께 변화에 따른 두 신호들의 특성을 분석하고 비교해 본 결과, 홀센서 신호에서는 코일센서 신호에 비해 두께 변화를 판별하기 위한 정보가 더 적게 제공된다는 것을 알 수 있었다. 펄스입력전류를 사용한 경우의 탐상 신호들도 계산해 본 결과, 두 신호 모두 사용된 펄스의 폭이 지난 시간에는 계단입력전류를 사용한 경우의 응답이 반대가 되어 감소하는 형태로 나타난다는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Pulsed eddy current (PEC) testing signals have typically been obtained from the electromotive force induced in a sensor coil. However, an increasing number of studies have elected to incorporate the Hall plate as a sensor. Thus, accurate numerical modeling of the Hall sensor signal is necessary. In this study, a PEC probe is designed and a numerical modeling program is written so that Hall sensor signals and coil sensor signals can be calculated simultaneously. First, a step current is used as the input current. The predicted Hall sensor signals show similar characteristics to those of the experimental signals reported by other researchers. The characteristics of the two types of signals are then analyzed and compared as the thickness of test object changes. The results show that the Hall sensor signal provides less information for evaluating the thickness of the test object than the coil sensor signal. The response signals from a pulsed input current are also calculated, and it is confirmed that an equivalent reversed signal pattern appeared after the pulse width at both signals.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이러한 추세에 따라 펄스와전류탐상에서 홀센서를 사용하여 측정되는 탐상 신호를 수치모델링을 통해 예측해 보았다. 이를 위해 먼저 알루미늄 판의 두께를 측정하기 위한 펄스와전류 탐촉자를 설계하였다.

제안 방법

3 mm 두께의 알루미늄 판을 대상으로 계단입력전류를 사용하였을 경우의 코일센서 신호에서 피크가 나타난 시간이 0.25 ms이었으므로 펄스입력전류의 폭을 0.25 ms으로 하여 수치모델링을 수행하고 펄스응답 PEC 신호들을 계산해 보았다. 그 결과들을 Fig.
펄스와전류탐상에서 홀센서를 사용하여 측정되는 탐상 신호를 수치모델링을 통해 예측하고 코일센서 신호와 비교해 보았다. 이를 위해 알루미늄 판의 두께를 측정하기 위한 펄스와전류 탐촉자를 설계하였는데, 센서들의 신호 특성을 비교해 보기 위해 홀센서와 센서코일을 함께 배치하여 홀센서 신호와 코일센서 신호가 동시에 계산될 수 있도록 하였다. 입력전류로는 먼저 계단입력전류를 사용하여 수치 해석을 수행하고 계단입력에 대한 응답으로 나타난 신호들을 분석해 본 후에 펄스전류를 입력하여 펄스와전류탐상 신호들을 예측하였다.
이를 위해 알루미늄 판의 두께를 측정하기 위한 펄스와전류 탐촉자를 설계하였는데, 센서들의 신호 특성을 비교해 보기 위해 홀센서와 센서코일을 함께 배치하여 홀센서 신호와 코일센서 신호가 동시에 계산될 수 있도록 하였다. 입력전류로는 먼저 계단입력전류를 사용하여 수치 해석을 수행하고 계단입력에 대한 응답으로 나타난 신호들을 분석해 본 후에 펄스전류를 입력하여 펄스와전류탐상 신호들을 예측하였다.
탐촉자는 여자코일과 센서로 구성되었는데 센서들의 신호 특성을 비교해 보기 위해 홀센서와 센서코일을 함께 배치하여 홀센서 신호와 코일센서 신호가 동시에 계산될 수 있도록 설계하였다. 입력전류로는 탐상 신호의 수월한 분석을 위해 먼저 계단입력전류를 사용하여 수치해석을 수행하고 계단입력에 대한 응답으로 나타난 탐상 신호들을 분석해 본 후에 펄스전류를 입력하여 펄스와전류탐상 신호들을 예측하였다. 계단입력에 대한 응답신호들의 분석은 펄스와전류탐상 신호들의 이해와 예측을 가능하게 해 주었다.
이를 위해 먼저 알루미늄 판의 두께를 측정하기 위한 펄스와전류 탐촉자를 설계하였다. 탐촉자는 여자코일과 센서로 구성되었는데 센서들의 신호 특성을 비교해 보기 위해 홀센서와 센서코일을 함께 배치하여 홀센서 신호와 코일센서 신호가 동시에 계산될 수 있도록 설계하였다. 입력전류로는 탐상 신호의 수월한 분석을 위해 먼저 계단입력전류를 사용하여 수치해석을 수행하고 계단입력에 대한 응답으로 나타난 탐상 신호들을 분석해 본 후에 펄스전류를 입력하여 펄스와전류탐상 신호들을 예측하였다.
펄스와전류탐상에서 홀센서로 측정되는 탐상 신호를 수치모델링을 통해 계산하기 위해 피검사체의 두께를 측정하기 위한 펄스와전류 탐촉자를 설계하였는데, 탐촉자는 여자코일과 센서로 구성되었으며 비교를 위해 홀센서와 센서코일을 함께 배치하여 홀센서 신호와 코일센서 신호를 동시에 계산하였다. 센서의 사용 목적은 피검사체에 유도된 와전류가 피검사체의 정보를 반영하여 발생시키는 와전류의 자계를 채취해 내는 것이므로 세기가 상대적으로 강하고 피검사체의 정보도 포함하지 않은 여자코일의 자계가 직접 센서에 도달되지 않도록 Fig.
펄스와전류탐상에서 홀센서를 사용하여 측정되는 탐상 신호를 수치모델링을 통해 예측하고 코일센서 신호와 비교해 보았다. 이를 위해 알루미늄 판의 두께를 측정하기 위한 펄스와전류 탐촉자를 설계하였는데, 센서들의 신호 특성을 비교해 보기 위해 홀센서와 센서코일을 함께 배치하여 홀센서 신호와 코일센서 신호가 동시에 계산될 수 있도록 하였다.

대상 데이터

먼저 3 mm 두께의 알루미늄 판을 대상으로 계단입력전류가 사용되었을 경우의 수치모델링을 수행하였다. 그 결과로 나타난 등자위선 분포의 시간 경과에 따른 변화를 Fig.

이론/모형

변수의 시간에 따른 변화는 시간에 대한 미분항을 차분형태로 변환시켜 계산한다. 본 연구에서는 시간에 대한 후향차분법을 사용하였고, 공간에 대해서는 유한 요소법을 사용하였다. 식(1)의 지배방정식에 에너지범함수나 갤러킨 가중잔차법을 사용하여 유한 요소 공식화를 수행하면[6] 다음과 같은 행렬식이 구해지며,

성능/효과

계단응답신호에서 홀센서 신호는 처음의 과도기를 지나 일정한 자속밀도 값으로 수렴하며, 코일센서 신호는 초기 과도기의 피크를 거쳐 최종적으로 0이 되는 것으로 나타났다. 두께를 변화시켜 조사해 본 결과는 두 종류의 신호들 모두 두께가 두꺼워지면 신호의 크기가 감소하는 것으로 나타났으며 두께를 판단하기 위한 정보는 홀센서보다 코일센서를 사용한 신호에서 더 많이 제공된다는 것을 알 수 있었다.
계단응답신호에서 홀센서 신호는 처음의 과도기를 지나 일정한 자속밀도 값으로 수렴하며, 코일센서 신호는 초기 과도기의 피크를 거쳐 최종적으로 0이 되는 것으로 나타났다. 두께를 변화시켜 조사해 본 결과는 두 종류의 신호들 모두 두께가 두꺼워지면 신호의 크기가 감소하는 것으로 나타났으며 두께를 판단하기 위한 정보는 홀센서보다 코일센서를 사용한 신호에서 더 많이 제공된다는 것을 알 수 있었다. 펄스입력전류에 의한 PEC 신호들은 두 신호 모두 펄스의 폭에 해당하는 시간까지는 계단응답신호와 동일하게 증가하다가, 그 시간이 지나면 계단응답신호와 반대로 유사한 형태로 감소하는 것으로 나타났다.
두께를 변화시켜 조사해 본 결과는 두 종류의 신호들 모두 두께가 두꺼워지면 신호의 크기가 감소하는 것으로 나타났으며 두께를 판단하기 위한 정보는 홀센서보다 코일센서를 사용한 신호에서 더 많이 제공된다는 것을 알 수 있었다. 펄스입력전류에 의한 PEC 신호들은 두 신호 모두 펄스의 폭에 해당하는 시간까지는 계단응답신호와 동일하게 증가하다가, 그 시간이 지나면 계단응답신호와 반대로 유사한 형태로 감소하는 것으로 나타났다. 계단입력에 대한 응답신호들의 분석은 펄스와전류탐상 신호들의 이해와 예측을 가능하게 해줄 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펄스와전류탐상에서 탐상 신호는 어떻게 사용되어지는가?	펄스와전류탐상에서 탐상 신호는 주로 센서코일에 유도되는 기전력의 시간에 따른 변화를 측정하여 사용되었는데, 최근에는 홀센서(Hall sensor)로 측정한 신호를 사용하는 경우도 많아지고 있다. 본 논문에서는 펄스와전류탐상에서 나타나는 홀센서 신호를 수치적으로 모델링하여 예측하였다.
	펄스전류는 어떻게 나타낼 수 있는가?	펄스전류는 여러 개의 주파수를 가진 정현파 전류의 합으로 나타낼 수 있는데, 이러한 여러 주파수 성분 때문에 펄스와전류(PEC) 탐상은 일반 와전류탐상에 비해 넓은 주파수 대역폭을 가지며, 따라서 일반 와전류탐상보다 피검사체에 대한 정보가 풍부하고, 침투 깊이도 더 깊을 것으로 기대되고 있다[1-3]. 펄스와전류탐상에서 탐상 신호는 주로 센서코일에 유도되는 기전력의 시간에 따른 변화를 측정하여 사용되는데, 최근에는 홀센서(hall sensor)로 측정된 신호를 사용하는 경우도 많아지고 있다.
	최근 탐상 신호를 홀센서로 측정된 신호를 사용하는 경우가 많아지는 이유는 무엇인가?	펄스와전류탐상에서 탐상 신호는 주로 센서코일에 유도되는 기전력의 시간에 따른 변화를 측정하여 사용되는데, 최근에는 홀센서(hall sensor)로 측정된 신호를 사용하는 경우도 많아지고 있다. 이는 코일을 사용하는 측정 방법에 비해 홀센서를 사용하는 측정 방법이 저주파에서도 민감도가 떨어지지 않는다는 홀소자의 특징을 활용하기 위함이라고 판단된다[4,5].

참고문헌 (9)

J. Blitz, "Electrical and Magnetic Methods of Nondestructive Testing," Bristol: Adam Hilger (1991)
C. J. Renken, "The use of a personal computer to extract information from pulsed eddy current," Materials Evaluation, Vol. 59, No. 3, pp. 356-360 (2001)
A. Sophian, G. Y. Tian, D. Taylor and J. Rudlin, "A feature extraction technique based on the principal component analysis for pulsed eddy current NDT," NDT&E International, Vol. 36, No. 1, pp. 37-41 (2003)

상세보기
R. A. Smith and G. R. Hugo, "Transient eddy current NDE for aging aircraft capabilities and limitations," Insight, Vol. 43, No. 1, pp. 14-25 (2001)
C. S. Angani, D. G. Park, G. D. Kim, C. G. Kim and Y. M. Cheong, "Differential pulsed eddy current sensor for the detection of wall thinning in an insulated stainless steel pipe," Journal of Applied Physics, Vol. 107, 09E720 (2010)

상세보기
D. S. Burnett, "Finite Element Analysis from Concepts to Application," Reading: Addison- Wesley (1988)
Y. K. Shin, "Design of shielded encircling send-receive type pulsed eddy current probe using numerical analysis method," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 33, No.6, pp. 505-510 (2013)

원문보기 상세보기
Y. K. Shin and D. M. Choi, "Design of a shielded reflection type pulsed eddy current probe for the evaluation of thickness," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 27, No. 5, pp. 398-408 (2007)
M. N. O. Sadiku, "Elements of Electromagnetic," Oxford: Oxford University Press (2001)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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