유도관 기반 전 방향 초음파 센서 모식도. KRISS

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한국표준과학연구원(KRISS)이 뜨거운 열기나 유독 가스가 뿜어져 나오는 고위험 산업현장에서 구조물 파손 없이 내부 결함을 전 방향으로 정밀하게 찾아내는 초음파센서 기술을 개발했다.

기존 비파괴 검사용 초음파 센서는 고온의 배관이나 유해 화학물질 저장고 같은 극한 환경에서 사용이 어려웠다. 이는 센서를 밀착할 경우 열기나 부식성 물질에 파손되기 쉽고, 작업자가 다가가기 위험한 곳은 아예 설치조차 불가능하기 때문이다.

아울러 360도 전 방향에 여러 센서를 이어 붙이는 분절형 구조는 파동이 섞이고 왜곡돼 검사 정밀도가 떨어진다.

KRISS 비파괴측정그룹 연구팀은 검사대상 표면에 센서를 붙이지 않고 원거리에 설치하는 '유도관(Waveguide)' 기술을 적용해 안전 검사 사각지대를 해소했다.

연구팀은 초음파가 특정 경로를 따라 이동하도록 돕는 유도관을 매개체로 도입했다.

이는 원통형 유도관 내부에서 빨래를 쥐어짜듯 비틀림 진동을 일으켜, 이를 고르게 정렬해 검사대상에 전달하는 방식이다.

이를 적용하면 센서를 구조물에서 멀리 떨어뜨려도 파동이 모든 방향으로 균일하게 퍼져 나가 정밀한 검사가 가능하다.

아울러 유도관은 환경에 맞춰 다양한 재질과 모양으로 깎아 만들 수 있어 복잡한 굴곡을 가진 구조물에도 안정적으로 사용할 수 있다.

실험 결과 이 센서는 특정 방향에 치우치지 않고 95% 수준의 방향 균일성과 고순도 파동을 구현해 전체 검사 구간에서 고른 신호를 포착했다.

유도관 기반 전 방향 초음파 센서의 구조 및 성능 측정 결과. KRISS

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또 신호 강도도 기존 이어 붙이기 방식보다 13.7배 강력해 넓은 영역을 빠르게 스캐닝하고 정밀하게 영상화했다.

이에 따라 상대적으로 저렴한 유도관 단일 센서로 넓은 곳을 검사할 수 있어 비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

승홍민 KRISS 비파괴측정그룹 선임연구원은 "이번에 개발한 센서는 액체 환경에서도 신호 성능이 우수해 물에 잠긴 대형 구조물까지 정밀하게 검사할 수 있다"며 "높은 신뢰성과 범용성을 바탕으로 다양한 산업 시설 사고 예방 시스템에 즉시 적용해 대형 재난 사고를 막는 데 크게 기여하겠다"고 말했다.

한편, 이번 연구결과는 지난해 12월 국제학술지 '메커니컬 시스템즈 앤 시그널 프로세싱(Mechanical Systems and Signal Processing)'에 게재됐다.
(논문명: 논문 제목: Torsional deformation-transferring waveguide for generating perfectly omnidirectional shear-horizontal waves in plate structures)

KRISS 비파괴측정그룹. KRISS

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