KR102083599B1 - Apparatus and method for measuring thickness of construction - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 구조물을 따라 표면파가 전파되도록, 소정의 파동을 발생시키는 IDT(Interdigital transducers) 센서, 상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝하는 스캐닝부, 상기 스캐닝부로부터 스캐닝한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하는 신호 수집부 및 상기 신호 수집부에서 측정한 상기 진동 신호에 근거하여, 상기 구조물의 두께를 산출하는 신호 처리부를 포함한다. 특히, 상기 IDT 센서에 의해 발생되는 표면파의 주파수 및 파장은, 상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 결정되는 파수민감도 및 모드분리도에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 한다.Structure thickness measuring apparatus according to the present invention, the IDT (Interdigital transducers) sensor for generating a predetermined wave so that the surface wave propagates along the structure, a scanning unit for scanning the vibration generated in the structure, the scanning from the scanning unit And a signal processor configured to calculate a thickness of the structure based on a signal collector configured to measure a vibration signal of the structure and the vibration signal measured by the signal collector. In particular, the frequency and wavelength of the surface wave generated by the IDT sensor is characterized in that it is calculated based on the wave sensitivity and mode separation degree determined according to the material and thickness of the structure.
Description
본 발명은, IDT(Interdigital transducers) 센서를 이용하여, 구조물의 두께와, 감육(Wall-Thinning)의 발생 여부를 측정하기 위한 장치와, 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus, a method and a system for measuring the thickness of a structure and the occurrence of wall thinning by using an interdigital transducer (IDT) sensor.
원자력발전소를 포함한 플랜트에 설치되는 구조물이 노후됨에 따라, 구조물의 두께가 얇아지는 감육 현상이 발생한다. 감육된 구조물은 설계 내압을 견디지 못하고 파단되어 인명피해를 발생시킬 수 있다. 따라서 이를 막기 위해 구조물의 두께 및 결함을 사전에 측정하는 장치를 구조물 두께 측정 장치라 일컫는다.As structures installed in plants, including nuclear power plants, age, the thinning of the structures occurs. The thinned structure may fail to withstand the design internal pressure and cause damage. Therefore, in order to prevent this, a device for measuring the thickness and defects of the structure in advance is called a structure thickness measuring device.
일반적으로 구조물 두께 측정 장치는 초음파, 진동신호 및 펄스를 이용한 기법을 활용하여 구조물의 두께를 측정한다. 구체적으로, 상기 구조물 두께 측정 장치는 구조물의 초음파, 진동신호 또는 펄스 신호를 구조물에 전달시키고, 감육 또는 결함이 있는 구조물의 일부분으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 구조물의 상태를 검사하도록 이루어진다. In general, the structure thickness measurement apparatus measures the thickness of the structure using a technique using ultrasonic waves, vibration signals and pulses. Specifically, the structure thickness measuring device is configured to transmit the ultrasonic wave, vibration signal or pulse signal of the structure to the structure, and receive the signal reflected back from the portion of the thin or defective structure to inspect the state of the structure.
구조물 두께 측정 장치와 관련하여, 한국 등록특허 제10-1764706호(등록일자, 2017년 07월 28일)에는 "국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법을 이용한 구조물의 두께 측정 시스템 및 그 측정 방법"이 개시된다.Regarding the structure thickness measurement apparatus, Korean Patent No. 10-1764706 (Date of Registration, July 28, 2017) discloses a structure thickness measurement system and its measuring method using a local spatial wave number filtering technique. .
한국 등록특허 제10-1764706호에서 개시하는 구조물의 두께 측정 시스템은, 구조물의 두께와 관련된 영상 정보를 생성하기 위하여 검사 대상인 구조물에 접착되는 압전소자(Piezoelectric Element, PZT)와, 스캐닝을 구현하는 거울과, 두께와 관련된 신호를 수집하는 레이져 진동계(Laser Doppler Vibrometer, LDV)와, 수집된 신호를 처리하는 신호처리부를 포함한다.The system for measuring the thickness of a structure disclosed in Korean Patent No. 10-1764706 includes a piezoelectric element (PZT) bonded to a structure to be inspected and a mirror for implementing scanning to generate image information related to the thickness of the structure. And a laser Doppler Vibrometer (LDV) for collecting signals related to thickness, and a signal processor for processing the collected signals.
그러나, 이러한 구성만으로는 검사 대상인 구조물의 두께가 정상 두께 대비 약 25% 이상의 감소되었을 때 비로소 확인이 가능하여, 세밀한 모니터링이 어려운 문제점이 있었다. 구조물의 안전성을 담보하기 위하여, 실제 현장에서는 25% 보다 더 세밀한 두께 변화를 감지할 필요가 있으며, 이러한 두께 변화를 영상 정보로 나타낼 필요성이 대두된다.However, this configuration alone can be confirmed only when the thickness of the structure to be inspected is reduced by about 25% or more compared to the normal thickness, so that detailed monitoring is difficult. In order to ensure the safety of the structure, it is necessary to detect the change in thickness more than 25% in the actual field, and the need to represent the thickness change as image information.
즉, 상기 한국 등록특허 제10-1764706호에서 개시하는 가진부는 접촉식 압전소자 또는 비접촉식 진동센서로 구성될 뿐이므로, 보다 세밀한 모니터링을 수행하기에 제한된다.That is, since the excitation part disclosed in Korean Patent No. 10-1764706 is composed only of a contact piezoelectric element or a non-contact vibration sensor, it is limited to perform more detailed monitoring.
한편, 최근에는 구조물 건전성 모니터링용 센서인 IDT 센서가 개발 및 연구되고 있다. IDT(Interdigital transducers) 센서는 압전 물질 상 빗살무늬로 배치된 전극에 전압을 인가하여 표면파{SAW(Surface Acoustic Wave) 또는 Rayleigh wave}를 발생시키는 것이고, IDT 센서를 이용한 구조물 건전성 모니터링이란, IDT 센서에서 발생시키는 표면파를 이용하여 구조물의 건전성(예를 들어, 구조물의 감육 상태 측정)을 평가하는 방법을 일컫는다. 여기서, IDT 센서는 평판 형상의 압전 기판(piezoelectric substrates) 위에 삭각 기술을 이용하여 전극을 구성하고, 상기 전극에 전압을 가해 표면파를 발진시키거나 수신하는 장치를 일컫는다.Recently, IDT sensors, which are sensors for structural health monitoring, have been developed and researched. Interdigital transducers (IDT) sensors generate surface waves {SAW (Surface Acoustic Wave) or Rayleigh wave} by applying a voltage to electrodes arranged in a comb pattern on the piezoelectric material. Refers to a method of evaluating the integrity of a structure (eg, measuring the skin's thickness) using generated surface waves. Here, the IDT sensor refers to an apparatus for constructing an electrode using a cutting technique on flat piezoelectric substrates and for generating or receiving a surface wave by applying a voltage to the electrode.
본 발명의 목적은 구조물의 두께, 구조물의 초기 두께 변화를 가시화할 수 있는 구조물 두께 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a structure thickness measuring apparatus and method that can visualize the thickness of the structure, the initial thickness change of the structure.
또한, 본 발명의 목적은 표면파를 이용하여 구조물의 두께 또는 감육을 검출하고, 나아가 구조물의 두께 변화를 영상화할 수 있는 구조물 두께 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is also an object of the present invention to provide a structure thickness measuring apparatus and method that can detect the thickness or thinning of a structure using surface waves, and further image the thickness change of the structure.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 구조물을 따라 표면파가 전파되도록, 소정의 파동을 발생시키는 IDT(Interdigital transducers) 센서, 상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝하는 스캐닝부, 상기 스캐닝부로부터 스캐닝한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하는 신호 수집부 및 상기 신호 수집부에서 측정한 상기 진동 신호에 근거하여, 상기 구조물의 두께를 산출하는 신호 처리부를 포함한다. 특히, 상기 IDT 센서에 의해 발생되는 표면파의 주파수 및 파장은, 상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 결정되는 파수민감도 및 모드분리도에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 한다.As a means for solving the above problems, the structure thickness measuring apparatus according to the present invention, the IDT (Interdigital transducers) sensor for generating a predetermined wave, so that the surface wave propagates along the structure, to scan the vibration generated in the structure It includes a scanning unit, a signal collecting unit for measuring the vibration signal of the structure scanned from the scanning unit, and a signal processing unit for calculating the thickness of the structure based on the vibration signal measured by the signal collection unit. In particular, the frequency and wavelength of the surface wave generated by the IDT sensor is characterized in that it is calculated based on the wave sensitivity and mode separation degree determined according to the material and thickness of the structure.
위와 같은 수단에 의해, 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 구조물의 감육을 세밀하게 모니터링할 수 있다.By the above means, the structure thickness measuring apparatus according to the present invention can monitor the thickness of the structure in detail.
구체적으로, 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 약 5%의 두께 변화를 감지할 수 있는 효과가 도출된다.Specifically, the structure thickness measuring apparatus according to the present invention, the effect that can detect a thickness change of about 5% is derived.
도 1은 종래의 구조물 두께 측정 장치를 나타낸 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프.
도 3은 도 1에 도시된 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프.
도 4a는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치가 포함하는 IDT 센서를 나타내는 개념도.
도 4b는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치가 포함하는 IDT 센서를 나타내는 개념도.
도 5는 본 발명에 따른 구조물 모니터링 방법을 나타내는 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치의 검사 대상을 나타내는 개념도.
도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프.
도 8a 내지 8c는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치에 의해 생성된 영상을 나타내는 개념도.1 is a conceptual diagram showing a conventional structure thickness measuring apparatus.
FIG. 2 is a graph related to the operation of the structure thickness measuring apparatus shown in FIG. 1. FIG.
3 is a graph related to the operation of the structure thickness measuring apparatus shown in FIG.
Figure 4a is a conceptual diagram showing an IDT sensor included in the structure thickness measuring apparatus according to the present invention.
Figure 4b is a conceptual diagram showing an IDT sensor included in the structure thickness measuring apparatus according to the present invention.
5 is a flowchart illustrating a structure monitoring method according to the present invention.
6 is a conceptual view showing the inspection target of the structure thickness measuring apparatus according to the present invention.
7a to 7c are graphs relating to the operation of the structure thickness measurement apparatus according to the present invention.
8a to 8c are graphs related to the operation of the structure thickness measurement apparatus according to the present invention.
9 is a conceptual diagram showing an image generated by the structure thickness measuring apparatus according to the present invention.
이하, 본 발명에 관련된 구조물 두께 측정 장치 및 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the structure thickness measuring apparatus and system which concern on this invention are demonstrated in detail with reference to drawings.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the embodiments disclosed herein, if it is determined that the detailed description of the related known technology may obscure the gist of the embodiments disclosed herein, the detailed description thereof will be omitted.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예 및 변형예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.In the present specification, the same or similar reference numerals are used to designate the same or similar components in different embodiments and modifications, and duplicate description thereof will be omitted.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The accompanying drawings are only for easily understanding the embodiments disclosed in the present specification, and the technical idea disclosed in the present specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes and equivalents included in the spirit and scope of the present invention are provided. It should be understood to include water or substitutes.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
도 1은 종래 구조물 두께 측정 장치의 일 실시예가 도시된다.1 shows an embodiment of a conventional structure thickness measuring apparatus.
도 1에 도시된 것과 같이, 구조물 두께 측정 장치는 검사 대상 구조물(31)에 접착되는 PZT 가진부(20)를 포함한다.As shown in FIG. 1, the structure thickness measuring apparatus includes a
또한, 구조물 두께 측정 장치는 복수의 거울(Horizontal mirror, Vertical mirror)로 형성되는 스캐닝부, 신호 수집부(33) 및 신호 처리부(34)를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the structure thickness measuring apparatus may include a scanning unit, a
도 1에 도시된 바와 같이, PZT 가진부(20), 스캐닝부(200), 신호 수집부(33) 및 신호 처리부(34)는 유선 또는 무선으로 연결되어, 상호간의 신호 및 데이터를 송수신할 수 있으며, 관리자(작업자)의 지시에 따라 수행되는 것이 바람직하다. As shown in FIG. 1, the
또한, 상기 신호 처리부(34)를 통해서 산출된 구조물의 최종 두께를 포함한 결함 정보는 관리자(작업자)가 용이하게 확인할 수 있도록 별도의 모니터링 수단(미도시)으로 전달되어 표시되는 것이 바람직하다.In addition, the defect information including the final thickness of the structure calculated by the
각 구성에 대해서 자세히 알아보자면, 상기 PZT 가진부(20)는 측정하고자 하는 구조물에 연속파 가진을 전달할 수 있다. 상세하게는, 상기 PZT 가진부(20)는 접촉식 압전소자 또는 비접촉식 진동센서를 포함하여 이루어질 수 있으며, 관리자의 지시에 따라 수 kHz ~ 수 MHz 의 가진을 전달할 수 있다.To learn more about each configuration, the
상기 PZT 가진부(20)는 측정하고자 하는 구조물에 전달되는 연속파 가진의 주파수 대역을 설정하고, 설정한 주파수 대역에 맞추어 전력을 증폭시키는 전력 증폭 수단(31) 및 파형 발생 수단(32)을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The
상기 전력 증폭 수단(31) 및 파형 발생 수단(32)은 관리자의 제어에 따라, 상기 PZT 가진부(20)를 제어하여 측정하고자 하는 구조물에 전달되는 연속파 가진의 주파수 대역을 설정할 수 있다.The power amplifying means 31 and the waveform generating means 32 may control the
상기 스캐닝부(200)는 상기 PZT 가진부(20)의 연속파 가진에 의해 상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝할 수 있다. 상기 스캐닝부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 스캔하고자 하는 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝할 수 있으며, 진동하는 구조물에 레이저를 조사하는 수단과, 일정한 방향으로 구조물을 스캔하며, 반사되는 레이저를 스캔하는 수단을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.The
상기 신호 수집부(33)는 상기 스캐닝부(200)로부터 스캐닝한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하여, 상기 신호 처리부(34)로 전달할 수 있다.The
상기 신호 수집부(33)는 LDV(Laser Doppler Vibrometer)로 구성된다.The
상기 신호 처리부(34)는 상기 신호 수집부(33)에서 측정한 상기 진동 신호를 국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법을 이용하여 분석하여, 상기구조물의 두께를 측정할 수 있다.The
상세하게는, 상기 신호 처리부(34)는 상기 신호 수집부(33)에서 측정한 상기 진동 신호의 단일 주파수 성분을 추출하기 위하여, 밴드패스 필터링을 수행할 수 있으며, 3차원 행렬 형태의 상기 진동 신호를 2차원 행렬 형태로 변환하기 위하여, FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여, 정상상태 응답(Steady state response) 신호를 획득할 수 있다.In detail, the
상기 정상상태 응답 신호를 이용하여, 미리 설정된 모드를 분리하고 국소 공간 웨이브넘버 필터링(Local wavenumber filter) 기법을 수행하여 상기 구조물의 두께 별 분산선도를 계산한 후, 웨이브넘버와 구조물의 두께 간의 상관식을 산출하고, 이를 이용하여 상기 구조물의 두께를 최종 산출할 수 있다.Using the steady state response signal, a predetermined mode is separated and a local wavenumber filter technique is used to calculate a scattering diagram for each thickness of the structure, and then the correlation between the wave number and the thickness of the structure is calculated. To calculate the final thickness of the structure using this.
뿐만 아니라, 상기 구조물의 두께를 통해서, 상기 구조물에 포함되어 있는 결함의 위치, 결함의 깊이, 크기 등을 효과적으로 예측할 수 있다.In addition, through the thickness of the structure, it is possible to effectively predict the position of the defect, the depth, the size of the defect included in the structure.
여기서, 웨이브넘버는 파장에 반비례하므로, 두께가 얇으면 웨이브넘버가 크고 두께가 두꺼우면 웨이브넘버가 작아지는 특성이 있다. 이를 이용하여, 웨이브넘버와 구조물의 두께 간의 상관식을 산출하여, 구조물의 두께를 최종 산출할 수 있다.Here, since the wave number is inversely proportional to the wavelength, the thinner the wave number, the larger the wave number and the thinner the wave number. By using this, a correlation between the wave number and the thickness of the structure may be calculated to finally calculate the thickness of the structure.
다시 말하자면, 상기 신호 처리부(34)에서, 상기 스캐닝부(200)를 통해 상기 신호 수집부(33)의 LDV로부터 측정된 진동 신호는 3차원 행렬 형태인 V[x,y,t]로 나타낼 수 있으며, 밴드패스 필터링을 수행하여, 진동 신호에 포함되어 있는 단일 주파수 성분을 추출할 수 있다.In other words, in the
또한, 3차원 행렬 형태를 2차원 행렬 형태로 변환하기 위하여, FFT를 수행함으로써, 주파수 성분(f0)만을 가지는 정상상태 응답 신호를 획득할 수 있다.In addition, in order to convert the 3D matrix form into the 2D matrix form, the FFT may be performed to obtain a steady state response signal having only a frequency component f0.
획득한 정상상태 응답 신호에 2D FFT를 수행함으로써, V[kx,ky,f0]를 계산할 수 있으며, 미리 설정되어 있는 모드(일 예를 들자면, S0모드)를 분리한 후, S0모드를 제거하기 위한 Wh[kx,ky,f0]을 곱하는 것이 바람직하다.By performing 2D FFT on the acquired steady-state response signal, V [kx, ky, f0] can be calculated, and after removing the preset mode (eg, S0 mode), removing the S0 mode. It is preferable to multiply by Wh [kx, ky, f0].
모드 분리된 V[kx, ky]에 W[kx, ky, kc]을 곱한 후, 다시 한번, 2D FFT을 수행함으로써, |z[k, y, kc]|가 최대 값이 되는 kc를 계산할 수 있으며, 이를 통해서, 계산된 를 영역을 나누어, 국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법을 수행함으로써, 스무딩하는 것이 바람직하다. 즉, 원신호를 왜곡하지 않고, 실제 웨이브넘버와 오차가 발생하는 것을 최소화하여 스무딩하는 것이 국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법이다.By multiplying the mode-separated V [kx, ky] by W [kx, ky, kc], and then performing a 2D FFT, we can calculate kc where | z [k, y, kc] | is the maximum value. In this case, it is preferable to perform the local spatial wave number filtering technique by dividing the calculated region by and smoothing. That is, the local spatial wave number filtering technique is to smooth the minimized occurrence of errors and actual wave numbers without distorting the original signal.
이 후, 두께 별 구조물의 분산선도를 계산하여, 웨이브넘버와 구조물의 두께 간의 상관관계를 나타내는 상관식을 도출할 수 있으며, 도출한 상관식을 이용하여 구조물의 두께를 산출할 수 있다.After that, by calculating the dispersion diagram of the structure for each thickness, a correlation representing the correlation between the wave number and the thickness of the structure can be derived, and the thickness of the structure can be calculated using the derived correlation.
즉, 산출된 구조물의 두께 별 분산선도를 이용하여 주파수에 따른 파수민감도 및 모드분리도를 산출할 수 있으며, 산출된 파수민감도 및 모드분리도를 이용하여, 최종적으로 구조물의 두께를 산출할 수 있다.That is, the wave sensitivity and mode separation according to frequency can be calculated using the calculated dispersion line for each thickness of the structure, and the thickness of the structure can be finally calculated using the calculated wave sensitivity and mode separation.
좀 더 상세히 알아보자면, 하기의 표와 같이, 나타낼 수 있다.In more detail, as shown in the following table, it can be represented.
도 2 및 도 3에서는 위에서 설명된 도 1의 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프가 도시된다.2 and 3 show graphs related to the operation of the structure thickness measurement apparatus of FIG. 1 described above.
도 2 및 도 3에 도시된 그래프에 따르면, 도 1의 구조물 두께 측정 장치는, 검사 대상인 구조물의 두께가, 최초 두께의 약 70 % 이하로 감소해야만 비로소 두께 변화를 검출할 수 있는 문제점이 있다.According to the graphs shown in FIGS. 2 and 3, the structure thickness measuring apparatus of FIG. 1 has a problem that the thickness change of the structure to be inspected can be detected only when the thickness of the structure to be inspected is reduced to about 70% or less of the initial thickness.
이러한 문제점은, 도 1에서 설명된 구조물 두께 측정 장치가, 검사체의 두께 별 파수(Wavenumber)의 차이를 이용한 검사 기법을 이용하는 점에서 기인한다. 즉, 도 1의 구조물 두께 측정 장치는 두께에 따른 파수의 차이가 없으면 검사가 불가능하므로, 주로 저주파(0 내지 250 kHz)를 이용하여 검사한다.This problem is due to the fact that the structure thickness measuring apparatus described with reference to FIG. 1 uses an inspection technique using a difference in wavenumber for each thickness of a test object. That is, the structure thickness measuring apparatus of FIG. 1 cannot be inspected unless there is a difference in the number of waves according to the thickness, and thus the inspection is mainly performed using a low frequency (0 to 250 kHz).
도 2 및 도 3을 참조하면, 250 kHz 이상인 경우 두께 변화 모니터링의 민감도가 급격히 감소한다.2 and 3, when the 250 kHz or more, the sensitivity of the thickness change monitoring is drastically reduced.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서 제안하는 구조물 두께 측정 장치는 도 1에 도시된 구조물 두께 측정 장치에서 PZT 가진부(32)를 IDT 센서로 대체함으로써, 보다 세밀한 두께 변화를 감지할 수 있는 효과가 도출된다.In order to solve this problem, the structure thickness measuring apparatus proposed by the present invention, by replacing the
구조물 모니터링의 민감도를 증가시키기 위하여 두 가지 방안이 고려된다.Two measures are considered to increase the sensitivity of structure monitoring.
IDT 센서를 이용한 구조물 모니터링 방법은, 파수 민감도(Wavenumber Sensitivity)가 높은 모드를 선정하거나, 모드 분리도(Degree of Separation between modes)가 높은 모드를 선정한다.In the structure monitoring method using an IDT sensor, a mode having a high wavenumber sensitivity or a mode having a high degree of separation between modes is selected.
먼저, 도 4에서는 본 발명에서 제안하는 구조물 두께 측정 장치에 포함되는 IDT 센서(400)가 도시된다.First, FIG. 4 illustrates an
IDT 센서(400)는 압전 물질을 레이저 정밀 가공하여 제작하며, 일반 센서에 비해 단가가 저렴하고 사용자가 원하는 크기, 형상, 주파수에 맞추어 제작이 가능할 뿐만 아니라 유도초음파 (Lamb wave) 를 쉽게 발생시킬 수 있다. 또한, 강구조물 복합재, 플라스틱, 콘크리트 등 다양한 재질에 적용이 가능하다는 장점이 있다.The
도 4a 및 도 4b는 IDT 센서(400)의 일 실시예가 도시된다.4A and 4B illustrate one embodiment of an
도 4a에 도시된 IDT 센서(400)는 소정의 파장(λ)를 갖는 표면파를 발생시킨다. 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치에 구비된 IDT 센서(400)는, PZT 기판에 상부 전극, 하부 전극으로 이루어진 PZT를 상부 전극을 레이저로 사용자가 원하는 모양으로 가공하여 설계, 제작한다.The
도 4b를 참조하면, IDT 센서(400)가 형성하는 전극의 규격을 나타낸 것이며, 일 전극의 가지 전극 사이의 거리(λ)를 조정함으로써, 표면파의 파장을 변경시킬 수 있다.Referring to FIG. 4B, the standard of the electrode formed by the
또한, 일 가지 전극 길이(L)와, 가지 전극의 폭(We) 및 서로 다른 전극 사이의 거리(Ws)를 조정함으로써, 표면파의 세기를 변경시킬 수 있다.In addition, the intensity of the surface wave can be changed by adjusting the length of one branch electrode L, the width We of the branch electrodes, and the distance Ws between the different electrodes.
도 5에서는 본 발명에 따른 구조물 모니터링 방법이 설명된다.5 illustrates a structure monitoring method according to the present invention.
먼저, 검사 대상인 구조물의 재질, 두께에 근거하여 파수민감도 및 모드분리도를 산출할 수 있다(S501).First, the sensitivity and mode separation degree can be calculated based on the material and thickness of the structure to be inspected (S501).
산출된 파수민감도 및 모드분리도를 이용하여 IDT 센서에 적용되는 주파수 및 파장을 산출할 수 있다(S502).The frequency and wavelength applied to the IDT sensor may be calculated using the calculated wave sensitivity and mode separation (S502).
본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 산출된 주파수 및 파장에 따라 제작된 IDT 센서를 이용하여, 검사 대상인 구조물의 감육 정보를 검출할 수 있다(S503).Structure thickness measuring apparatus according to the present invention, by using the IDT sensor produced according to the calculated frequency and wavelength, it is possible to detect the weight information of the structure to be inspected (S503).
아울러, 구조물 두께 측정 장치는, 검출된 감육 정보에 근거하여, 구조물의 두께와 관련된 영상 정보를 생성할 수 있다(S504).In addition, the structure thickness measuring apparatus may generate image information related to the thickness of the structure based on the detected weight information (S504).
도 1의 구조물 두께 측정 장치가 수행하는 종래의 방법에서는 굽힘모드를 가진시키기 위해 PZT를 사용했으나, 본 기술에서는 사용자가 원하는 모드를 가진하기 위한 IDT센서를 이용하여 구조물을 가진시키고자 한다. 파수민감도는 아래의 수학식 1로 정의되며 파수를 두께로 미분한 값으로 표현된다.In the conventional method performed by the structure thickness measuring apparatus of FIG. 1, PZT is used to excite a bending mode. In the present technology, an IDT sensor for having a desired mode is used to excite a structure. The wave sensitivity is defined by
상기 수학식 1에서 는 파수변화율, 는 두께변화율, f는 주파수이다.In
가 클수록 두께변화에 민감한 파수이며, 는 주파수에 따라 변화하므로, 재질과 두께가 결정되면 주파수에 따른 를 계산해야 한다. The larger is the frequency sensitive to the change in thickness. Changes with frequency, so if the material and thickness are determined, Must be calculated.
또한, 선명한 영상화를 위해서는 각 모드를 완전히 분리시켜야 하는데, 이를 “모드분리도”라고 하며 아래의 수학식 2로 표현된다.In addition, for clear imaging, each mode must be completely separated, which is referred to as “mode separation”, and is represented by
상기 수학식 2에서 와 는 서로 다른 두 모드의 파수이다.In
이 클수록 인접 모드간 분리가 잘되며, 이 작으면 인접 모드간 분리가 어려워 영상으로 두께 변화를 구분하기 어렵다. The larger the better separation between adjacent modes, If the size is small, it is difficult to separate the adjacent modes, and thus it is difficult to distinguish the thickness change by the image.
구조물의 두께 영상화 방법은 종래의 방법과 동일하다. 스캐닝을 통해 LDV로부터 측정된 신호는 그림 7과 같이 v[x, y, t] 의 3차원 행렬이며, 단일 주파수 성분을 추출하기 위해 밴드패스 필터링을 수행한다. 3차원 행렬을 2차원 행렬로 변환하기 위하여, FFT (Fast Fourier Transform)를 수행하여 성분만을 가지는 Steady state response (정상파 응답)를 획득한다. Steady state response를 2D FFT를 수행하여 를 계산하고, 모드를 분리하기 위하여 특정모드를 제거하기 위한 을 곱한다. 모드 분리된 에 을 곱한 후, 2D IFFT를 수행하여 가 최대가 되는 를 계산하고, 영역을 나누어 국소공간 웨이브넘버 필터링을 하여 스무딩한다. 마지막으로, 두께 별 구조물의 분산선도를 계산한 후, 웨이브넘버와 두께의 상관식을 도출하고 이 식을 이용하여 구조물의 두께를 나타낸다.The thickness imaging method of the structure is the same as the conventional method. The signal measured from the LDV through scanning is a three-dimensional matrix of v [x, y, t] as shown in Figure 7, and bandpass filtering is performed to extract a single frequency component. In order to transform a 3D matrix into a 2D matrix, FFT (Fast Fourier Transform) is performed. Obtain a steady state response with only components. Steady state response by 2D FFT To remove a particular mode in order to calculate Multiply by Mode-separated on After multiplying by 2D IFFT Is the maximum Calculate and smooth the local space wave number filtering. Finally, after calculating the scatter diagram of the structure by thickness, the correlation between wave number and thickness is derived and the thickness of the structure is represented using this equation.
도 6은 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치의 검사 대상의 일 예가 도시된다.6 is an example of an inspection target of the structure thickness measuring apparatus according to the present invention.
검사 대상은 가로 300 mm, 세로 300 mm, 두께 6 mm 평판이며, 감육 결함은 가로 40 mm, 세로 40 mm, 두께가 0.3 mm, 0.6 mm, 0.9 mm, 1.2 mm로 다른 시편을 준비하였다. 감육 결함 두께 비율은 신재 대비 25% 이하 결함 검출을 목표로 5 %, 10 %, 15 %, 20 % 가 형성된다.The test subjects were 300 mm in width, 300 mm in length, and 6 mm in thickness, and thinner defects were prepared in 40 mm, 40 mm in length, 0.3 mm, 0.6 mm, 0.9 mm, and 1.2 mm in thickness. Thinning defect thickness ratio is formed 5%, 10%, 15%, 20% with the goal of detecting defects below 25% of new materials.
도 7a 내지 도 7c는 주파수 별 두께에 따른 파수 민감도를 나타내며, 도 8a 내지 도 8c는 주파수 별 두께에 따른 모드 분리도를 나타낸다.7A to 7C show the frequency sensitivity according to the thickness for each frequency, and FIG. 8A to 8C show the mode separation according to the thickness for each frequency.
도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, A0 모드는 두꺼운 재질에서 파수 민감도가 낮아, 감육검사에 부적합함을 알 수 있다. Referring to FIGS. 7A to 7C and 8A to 8C, it can be seen that the A0 mode has low wave sensitivity in a thick material, which is not suitable for the thinning test.
S0 모드는 주파수가 증가함에 따라 두께 별 파수 민감도가 증가하는데, 현재 검출하려는 시편의 두께는 4.8 mm ~ 6 mm 이내이므로 0.422 MHz로 가진 했을 때, S0 모드의 효과가 극대화 된다. 두께 4.8 mm ~ 6 mm 범위에서 A1 모드의 파수민감도가 S0 모드보다 높지만, A1 모드의 모드 분리도가 낮아 신호처리가 어려워 사용에 적합하지 않다. 이에 따라 본 예시에서는 0.422 MHz의 S0 모드의 IDT 센서를 사용하였다.In the S0 mode, the frequency sensitivity per thickness increases as the frequency increases. Since the thickness of the specimen to be detected is currently within 4.8 mm to 6 mm, the effect of the S0 mode is maximized when excited at 0.422 MHz. Although the sensitivity of the A1 mode is higher than the S0 mode in the thickness range of 4.8 mm to 6 mm, the signal separation is difficult due to the low mode separation of the A1 mode, which is not suitable for use. Accordingly, in this example, an IDT sensor of 0.40 MHz S0 mode is used.
도 9는 검사 대상으로부터 감지된 신호를 이용하여 생성된 영상 정보이다.9 is image information generated by using a signal detected from an inspection object.
도 9에 도시된 것과 같이, 20% 감육 부분, 15% 감육 부분, 10% 감육 부분, 5% 감육 부분이 모두 주변에 비해 구분되는 것이 확인된다.As shown in FIG. 9, it is confirmed that 20% thinning portion, 15% thinning portion, 10% thinning portion, and 5% thinning portion are all distinguished from the surroundings.
Claims (6)
상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝하는 스캐닝부;
상기 스캐닝부로부터 스캐닝한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하는 신호 수집부; 및
상기 신호 수집부에서 측정한 상기 진동 신호에 근거하여, 상기 구조물의 두께를 산출하는 신호 처리부;를 포함하며,
상기 IDT 센서에 의해 발생되는 표면파의 주파수 및 파장은,
상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 결정되는 파수민감도 및 모드분리도에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하고,
상기 모드분리도는 아래의 수학식에 의해 정의되고,
와 는 서로 다른 두 모드의 파수인 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.Interdigital transducers (IDT) sensors for generating predetermined waves so that surface waves propagate along the structure;
A scanning unit scanning the vibration generated in the structure;
A signal collector which measures the vibration signal of the structure scanned from the scanning unit; And
And a signal processor configured to calculate a thickness of the structure based on the vibration signal measured by the signal collector.
The frequency and wavelength of the surface wave generated by the IDT sensor,
Characterized in that it is calculated based on the sensitivity and mode separation degree determined according to the material and thickness of the structure,
The mode separation degree is defined by the following equation,
Wow Structure thickness measuring apparatus, characterized in that the waveguide of two different modes.
상기 파수민감도는 아래의 수학식에 의해 정의되고,
상기 수학식에서 는 파수변화율, 는 두께변화율, f는 주파수인 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.The method of claim 1,
The frequency sensitivity is defined by the following equation,
In the above equation Is the wave change rate, The thickness change rate, f is the structure thickness measuring apparatus, characterized in that the frequency.
상기 신호 처리부는,
상기 신호 수집부에서 측정한 상기 진동 신호의 단일 주파수 성분 추출을 위해 밴드패스 필터링을 수행하고,
3차원 행렬 형태의 상기 진동 신호를 2차원 행렬 형태로 변환하기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여 정상상태 응답(Steady state response) 신호를 획득하며, 기설정된 모드를 분리한 후, 국소 공간 웨이브 넘버 필터링 기법을 수행하고 상기 구조물의 두께별 분산선도를 계산한 후, 웨이브넘버와 두께의 상관식을 산출하여 상기 구조물의 두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.The method of claim 1,
The signal processing unit,
Bandpass filtering is performed to extract a single frequency component of the vibration signal measured by the signal collector,
In order to convert the vibration signal in the form of a three-dimensional matrix into a two-dimensional matrix, FFT (Fast Fourier Transform) is performed to obtain a steady state response signal, and after separating a predetermined mode, a local spatial wave And performing a number filtering technique and calculating a dispersion diagram for each thickness of the structure, and calculating the thickness of the structure by calculating a correlation between the wave number and the thickness.
상기 신호 처리부는
산출된 상기 구조물의 두께 별 분산선도를 이용하여 주파수에 따른 파수민감도 및 모드분리도를 산출하는 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.The method of claim 4, wherein
The signal processor
Structure thickness measurement device, characterized in that for calculating the frequency sensitivity and the mode sensitivity using the calculated dispersion line for each thickness of the structure.
검출된 재질 및 두께를 이용하여 상기 구조물에 대응되는 파수민감도 및 모드분리도를 산출하는 단계;
산출된 파수민감도 및 모드분리도에 따라 설계된 IDT 센서를 이용하여 상기 구조물과 관련된 감육 정보를 감지하는 단계; 및
감지된 감육 정보에 근거하여, 상기 구조물의 두께와 관련된 영상 정보를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 모드분리도는 아래의 수학식에 의해 정의되고,
와 는 서로 다른 두 모드의 파수인 것을 특징으로 하는 구조물 모니터링 방법.Detecting information related to the material and the thickness of the structure;
Calculating a sensitivity and mode separation degree corresponding to the structure using the detected material and thickness;
Sensing the thinning information associated with the structure using an IDT sensor designed according to the calculated wave sensitivity and mode separation; And
Generating image information related to the thickness of the structure based on the detected thinning information;
The mode separation degree is defined by the following equation,
Wow The method of monitoring the structure, characterized in that the waveguide of two different modes.
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| Title |
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