▶ 원리

AE 센서의 검출 소자는 특수한 경우를 제외하고 PZT(티탄산지르콘산연)가 사용되고 있습니다. 다른 재료로는 니오브산연과 니오브산리튬 등이 있지만 PZT에 비해 감도가 상당히 낮아 고온 환경 등의 특수한 용도를 제외하고는 PZT가 사용되고 있습니다.
PZT 등의 압전 재료는 힘을 가하면 전하를 발생시키는 특성을 가지고 있습니다. 금속 등 표면을 통해 전파된 AE파가 AE 센서 내부의 PZT에 전달되고, PZT의 변형에 의해 전기 신호로 변환됩니다.

▶ 구조

AE 센서의 기본 구조는 [그림 1]과 같습니다. AE 센서는 검출 소자(PZT)의 기계적 공진을 이용해서 고감도를 얻습니다. AE 센서의 수신판을 통해 내부로 유입된 AE파는 PZT의 밑면에서 윗면으로 이동한 뒤, 반사되어 다시 밑면으로 되돌아옵니다. 이 반사에 의해 PZT가 공진하게 되지만, 실제 사용시의 AE 센서는 부착면에 고정되기 때문에 PZT의 공진 주파수는 일단고정 공진이 되며, 아래의 식으로 구할 수 있습니다.
    여기서, l : 길이, c : 음속

AE 센서의 기본 구조(공진형)

따라서 낮은 공진주파수를 얻기 위해서는 PZT의 길이를 높이면 되지만, 너무 높게 하면 PZT의 정전 용량이 낮아져서 케이블의 정전 용량에 의한 손실이 커지기 때문에 한계가 있습니다. 일반적으로 하한은 60kHz 정도입니다. 이 보다 낮은 공진 특성의 AE 센서가 필요한 경우에는 압전형 가속도 센서의 구조(PZT에 추(질량)를 올림)를 이용합니다.

AE원에서 AE 센서로의 전파는 직접 도달하는 경우도 물론 있습니다만, 대형 구조물이나 판 구조물, 예를 들어 압력 용기에서는 표면파로서 도달하는 경우가 많습니다. 그러나 표면파는 지름이 큰 AE 센서일수록 고주파수에서의 감도가 낮아집니다. 지금까지 공진형 AE 센서의 구조에 대한 설명이며, 광대역형 AE 센서는 PZT 위에 완충재를 붙여 PZT의 단면에서 AE파가 반사되지 않고 완충재에서 흡수하게 하여 공진을 억누르는 구조로 되어 있습니다.

▶ 노이즈 대책

원래 AE는 미세 신호를 대상으로 하기 때문에 노이즈를 저감시키는 방법이 중요합니다. 아래는 노이즈를 저감시키는데 효과적인 센서를 소개합니다.

① 차동 출력형(Differential type)
외부로부터 유도에 의한 노이즈가 발생하는 환경에서 효과적이며, Differential type의 프리앰프가 필요합니다.

② 절연형
특히 현장에서 사용하는 센서는 계측기와의 거리도 멀고, 센서와 계측기 사이의 전위차도 무시할 수 없으며, 여러 개의 AE 센서를 사용하면 Ground loop가 형성되기 때문에 절연형 AE 센서가 필요합니다. 진동 센서의 경우 제철소 등의 설비 진단에는 절연형을 사용하는 것이 상식으로 되어 있습니다.

③ 프리앰프 내장
케이블의 정전 용량에 의한 손실도 없이 신호가 증폭되어 임피던스도 낮은 상태로 전송되기 때문에 노이즈 대책으로서 효과적입니다.

▶ 내 환경 특성

① 온도
외부로부터 유도에 의한 노이즈가 발생하는 환경에서 효과적이며, Differential type의 프리앰프가 필요합니다.

② 방수, 방유
공장 설비와 옥외에서는 방수가 필요하며, 그 보호 등급(방적, 방수, 내압방수 등)도 중요합니다. 그리고 기름이 묻을 수 있는 환경에서는 센서 본체를 방유 구조로 함과 동시에 케이블도 내유성 재질로 선택해야 합니다.

▶ 주파수 특성

일반적으로 AE 센서의 감도-주파수 특성은 반 무한의 크기를 가진 철 블록에 부착한 상태로 순수한 종파 또는 표면파로 측정합니다. 그러나 실제 계측 대상은 유한의 크기이며 그 단면에서 반사된 AE파가 복잡하게 뒤섞이고, 그 파형은 AE 센서에 첨부된 주파수 특성 데이터와 같지 않은 경우가 많습니다.

얇은 판의 경우에는 센서 내부 진동자의 공진 상태도 변화하고 주파수 특성도 변합니다(공진주파수가 높아집니다). 그리고 시험 대상의 재질에 따라서도 큰 영향을 받습니다. 예를 들면, FRP 수지 등의 측정에서는 AE파가 대상 물질로부터 AE 센서로 입력될 때 음향 임피던스의 차에 따라 반사가 일어나 감도가 저하됩니다.

▶ 부착 방법

AE 센서의 부착 방법은 그 검출면이 부착면이 되기 때문에 어려운 면이 있습니다. 부착면에 접촉 매질(그리스 등)을 바르고 센서는 테이프로 고정하거나 핫 멜트(Hot melt) 또는 접착제로 직접 부착하는 경우도 있으며, 마그네틱식 홀더와 접착고정식 홀더를 이용하여 고정하는 방법도 있습니다. 부착이 곤란한 현장에서 사용하기 위해 센서의 형상을 변경 설계하여 만든 플랜지형이나 나사 부착형 센서도 있습니다.

▶ Dice 부착용 AE 센서

성형 Dice용으로 개발한 AE센서로, 2장의 판 사이에 마그네틱이 있어 V자 형태로 절단된 성형 Dice에 자력으로 흡착되며, AE 센서는 상부의 스프링에 의해 성형 Dice에 접착됩니다. 성형 Dice는 냉각용 물탱크 안에서 사용하기 때문에 AE 센서는 방수 절연형이 사용됩니다

▶ 토목용 AE 센서

내부는 PZT 진동자를 사용한 공진형으로, 공진주파수는 60kHz 입니다. 20~40dB 증폭도의 프리앰프(50Ω Line drive형)가 내장되어 있고, 땅속에 장기간 설치할 것을 고려하여 내압 방수형 구조로 되어 있습니다.

▶ 초소형 AE 센서

ø5.5-h10의 소형 크기로 케이스 안에 헤드앰프가 내장되어 증폭된 신호가 출력되기 때문에 노이즈 면에서 유리합니다.
본 센서는 원래 신소재, 특히 세라믹의 재료 시험용으로 소형,고감도, 저 노이즈를 목적으로 개발된 AE 센서입니다.
소형이므로 부착 장소의 제약이 작고 사용이 편리하여 재료시험뿐만 아니라 고감도 접촉 센서로 사용되고 있습니다. 이 방식(R-CAST)은 적용 범위가 넓기 때문에 다양한 분야에서 사용됩니다.

초소형 AE 센서 (R-CAST형)

▶ 에어컨의 로터리 컴프레서 검사용 AE 센서

AE 센서와 마그네틱 홀더는 일체형이며, AE 센서는 스프링에 의해 컴프레서 표면과 접착됩니다. AE센서의 검출면과 마그네틱 홀더의 표면은 컴프레서의 형상에 알맞게 곡면으로 되어 있습니다. 노이즈 저감을 위해 절연형이 사용되고, 컴프레서의 회전을 검출하기 위한 진동 센서가 내장되어 있습니다.

진단 알고리즘을 이용하여 양부 판정뿐만 아니라 불량 내용(마모, 긁힘, 편마모 등)도 진단하고 있습니다. 이 시스템은 실제로 생산 라인에서 가동되고 있으며, 룸 에어컨의 신뢰성 향상에 기여하고 있습니다.

로터리 컴프레서용 AE 센서

AE는 응용 범위가 넓은 기술로 여러 분야에 적용할 수 있지만 AE 기술을 특정 대상에 적용할 경우에는 일반 AE센서와 분석장치를 그대로 사용하는 것이 아니라, 그 대상에 맞게 세부적으로 최적화할 필요가 있습니다. AE 센서의 선택과 관련해서는 본 문서를 참고로 하여 사용하는 용도를 제조사에 상담한 후 선택하는 것이 바람직합니다.