Development of Ultrasonic Sensors for Simultaneous Measurement of Longitudinal and Shear Waves

종-횡파 동시 측정용 초음파 센서의 개발

A study has been made on the fabrication of a dual mode(a longitudinal and shear mode) ultrasonic sensor using a single PZT piezoelectric ceramic element. We investigated the mechanism of the dual mode sensor that generated both of the longitudinal and the shear waves simultaneously with the single PZT element. Through the analysis of analytic wave propagation equations, all the possible crystal cuts have been examined to determine appropriate Euler transformation angles for efficient excitations of the dual modes. We studied the performance of a PZT element as a function of its rotation angle so that its efficiency is optimized to excite the two waves of equal strength. Experimental examination of the waveform on a delay line(STS303) setup confirms that the ultrasonic sensor can transmit and detect both longitudinal and shear waves simultaneously.

하나의 PZT 압전세라믹스 소자를 이용하여 종파와 청파를 동시에 송 수신할 수 있는 이중 모우드 초음파 센서에 관하여 이론적으로 고찰하고 실제로 제작하였다. 제작된 초음파 센서가 이중 모우드로 동작할 수 있는 최적조건을 찾기 위해 압전매질에서 파동의 전파방정식을 이론적으로 해석하고 이것으로부터 Euler의 회전 규칙으로 압전소자를 회전하여 절단 가능한 모든 면에 대해서 종파와 횡파의 동시 발생 기구를 조사하였다. 이론적인 해석결과를 확인하기 위하여 제작된 PZT 압전 세라믹스 소자를 종파와 횡파를 효율적으로 송 수신할 수 있는 회전각으로 절단하여 초음파 센서를 제작하고 주파수 변화에 따른 임피던스 변화를 측정하였다. 또한 여기서 제작된 초음파 센서를 스테인레스 스틸(STS303)로 제작된 지연선(delay line)으로 실험한 결과 하나의 초음파 센서로 종파와 횡파를 우수하게 송 수신할 수 있었다.