초음파 검사기의 주요 구성 요소는 transducer, pulser/receiver, Digitizer(ADC converter) 크게 세가지로 구분됩니다. Pulser/Receiver 는 초음파 Probe에 펄스를 인가하여 초음파 신호를 발생시키고 그 반사파를 처리하는 장치입니다. Pulser는 Probe의 압전소자에 전기신호를 인가시켜 압전 소자를 진동시킵니다. Receiverd에서 수신된 출력신호(반사파)는 PC의 A/D 보드와 같은 신호 디지타이저를 사용하여 획득됩니다. 펄서/리시버/센서의 파라미터의 상관관계는 따라 신호의 감도와 노이즈 수준에 큰 영향을 미칩니다.이번 포스팅에서는 Pulser/Receiver/AGC(Pre amplifier)에 대해서 자세히 알아보겠습니다.
1. Pulser/Receiver 의 블록도
출처 : https://www.imaginant.com/introduction-to-pulser-receivers
초음파 Pulser는 넓은 대역폭을 가진 초음파 Probe에 넓은 대역폭의 전압 임펄스(voltage Impulse)를 인가합니다. 이렇게 인가된 전압에 의해 Probe에서 초음파 펄스가 생성되며 측정 대상물의 표면이나 결함에서 반사되어 Probe로 되돌아옵니다. 이때 수신된 초음파 펄스는 Probe에 의해 전기적 신호(Electrical Pulses)변경되어 리시버로 전달됩니다. 초음파를 발생시킬때에는 역압전현상을 이용하여 초음파를 전자기적으로 발생시키고 이를 감지하기위해 초음파를 수신할 떄는 정압전현상을 이용합니다. 역압전현상은 압전소자에 전압을 짧은 시간동안 교차시켜 진동을 만드는 것으로 전압을 짧은 시간동안 교차하여 인가하면 압전소자의 변형이 일어나고 이것이 진동에너지가 되어 초음파를 발생시킵니다. 정압전 현상은 진동자에서 파동을 받을 때 전압이 발생하는 현상을 뜻합니다.
전달된 신호는 매우 미세하기 때문에 증폭기 (automatic gain control amplifier)에 의해 증폭되며 리시버에서 출력되기 전에 TGC, LPF, HPF 등의 신호처리 과정을 거칩니다. Control Unit(마이크로프로세서)에 의해 통제되는 타이밍 로직 회로는 펄서에서 리시버의 일련의 과정을 동기화 시켜 재질 내의 초음파 진행 시간을 적확히 산출합니다.
2. Pulser Receiver의 성능을 나타내는 사양
초음파 영상 품질 향상을 위해서는 센서의 감도를 높이면서 전력소모가 낮으면서 노이즈로 인한 왜곡이 낮은 펄서/리시버 파라미터를 선정해야합니다.
1) Pulse 파형
일반적으로 초음파 현미경은 펄스폭, 펄스극성, 펄스 주파수 등을 가변하기에 용이한 square 파형을 사용합니다. 한편, 생성하고자 하는 파형에 따라 펄스의 shape를 변경할 수 있는때 표면의 반사율이 높아 표면에서 감쇄가 크게 발생하는 재료를 검사할 때 spike pulse를 사용하는 경우가 있습니다.
https://amadaweldtech.com/technical-glossary/pulse-shaping/
2) 펄스 방향성/극성
square 펄스 파형의 경우 크게 unipolar, bipolar로 구분되며 unipolar는 단방향 펄스를 발생시키며 negative 방향, positive 방향이 있습니다. bipolar는 양방향으로 펄스를 발생시키며 positive->negative, negative->positive 등의 형태를 가집니다.
그래프에서 가로축은 펄스 지속시간을 나타내며 세로축은 전압을 나태냅니다.
예를 들면 초음파 모듈에 DC 100V의 전원을 인가한 후, Trig 핀을 통해 10us 의 펄스를 특정 수파수로 인가하였을 때 초음파 센서는 고유주파수에 따라 진동하며 초음파를 발생시키게 됩니다. 펄서 shape를 선정할 때 펄서 전압, 펄서 주파수, 출력 펄서 폭을 변경하며 초음파 파형을 분석하여 적절한 펄서 shape를 선정하게 됩니다. 일반적으로 펄서 전압이 높고, 펄스 지속시간이 짧으면서 노이즈가 최소로 발생하는 조건에서 센서의 감도가 가장 우수하게 나타납니다.
3. 상용 Pulser/Receiver 모듈 사양
출처 : http://www.mkckorea.com/catalog/jsr/jsr.htm
상용 펄서 리시버로는 JSR의 제품을 주로 사용합니다.
초음파 현미경 모듈로는 주로 DPR500 컨트롤러를 사용하는데 이는 두개의 펄서 리시버가 하나의 모듈로 통합된 2채널 장비입니다.
DPR500컨트롤러에 리모트 펄서를 변경하며 원하는 펄스 파형을 생성할 수 있습니다.
리모트 펄서 모델은 주파수대역, 전압, PRF에 따라 다양한 사양이 존재합니다.
* DRF500 Remote 펄서 사양