KR100937095B1 - 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유도초음파를 이용하여, 구조물의 구조건전성 진단 및 감시를 수행하여, 손상의 감지 및 위치를 표정하고 손상크기의 범위를 추정하는 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은, 유도초음파를 발진 및 수신하는 복수(n개)의 센서를 설치하는 단계; 분산성(dispersion)을 가진 유도초음파의 신호해석을 위한 유도초음파 모드와 센서의 발진주파수 선별 및 유도초음파를 발진하는 단계; 상기 설치된 센서에서 피치-캐치(pitch-catch) 방식에 의해 수신되는 신호차(subtraction)의 진폭 변화를 분석하여 상기 구조물의 손상 여부를 감지하는 단계; 상기 손상이 감지된 경우, 각 센서를 직선으로 연결하여, 추정되는 손상위치를 내부에 포함하도록 손상모니터링 다각형을 구성하고, 연속 가보(Gabor) 웨이블릿 변환을 통해 유도초음파의 전파시간 및 산란에 의한 전파시간을 산출하는 단계; 상기 산출된 유도초음파의 전파시간 및 산란에 의한 전파시간과, 상기 손상모니터링 다각형의 2n개의 진단경로로부터 2n개의 일차 방정식을 산출하는 단계; 및 상기 2n개의 일차 방정식을 조합하여, 손상위치 표정치를 2n 개 구하고, 상기 2n 개의 손상위치 표정치의 평균을 구하여, 손상위치 표정치를 결정하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은, 전체 구조계 뿐만 아니라 국부적인 손상 감지나 예방 등을 수행하여 직접적이고 정량적으로 구조물의 상태를 평가할 수 있는 장점이 있다.
유도초음파, 센서, 비파괴검사
Description
본 발명은 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 유도초음파를 이용하여, 구조물의 구조건전성 진단 및 감시를 수행하여, 손상의 감지 및 위치를 표정하고 손상크기의 범위를 추정하는 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법에 관한 것이다.
근간에 발생했던 신행주대교 붕괴('92.7.31), 청주 우암상가 붕괴('93.1.7), 성수대교붕괴('94.10.21), 서울 아현동 가스폭발('94.12.7), 대구 지하철 가스폭발('95.4.28), 삼풍백화점 붕괴('95.6.29) 등 일련의 대형안전사고로 막대한 사회적 비용이 발생한 바 있으며, 이를 교훈 삼아 대형 구조물 및 주요 산업시설물의 안전관리를 위한 정밀진단 및 상시감시기술을 개발 및 연구가 많이 이루어지고 있다.
이에 부응하여, 최근들어 구조물 파손을 사전에 감지하기 위한 구조건전성감시(Structural Health Monitoring)기술, 고감도, 영상화, 지능화 기능을 갖춘 첨단안전진단장비 등을 개발하고자 많은 노력이 이루어지고 있다.
비파괴검사는 구조물과 시설들의 안전진단을 수행하여 안전사고를 예방하기 위한 효과적인 기술이다. 초기에는 방사선투과법과 초음파탐상법으로 대표되었던 비파괴검사 기술이 주로 품질관리 목적으로 적용되어 왔으나, 현재에는 구조물의 유지관리에서 점검의 보조수단으로 광범위하게 사용되고 있다. 현재 강구조물의 품질관리 및 점검에 적용되고 있는 비파괴검사법은 크게 내부결함과 표층부 결함 및 손상 검출 목적으로 적용되고 있다.
상기한 종래의 비파괴검사방법들은 비파괴검사장비의 접근이 용이한 구조물의 부분만 탐색가능하며, 토목구조물과 같은 대형 구조물일 경우 검사를 수행하기가 매우 곤란할 뿐만 아니라 시간과 비용면에서도 비효율적이다.
교량과 같은 기존 대형 토목구조물의 경우, 구조건전성 감시를 위해 계측시스템을 설치해왔으나, 계측 대상물에 각각 다른 센서나 계측기기를 설치하거나 자체 시험방법 등을 사용하고 있기 때문에 계측된 데이터를 신뢰성 있게 활용하기에는 부족한 점이 많았다.
또한, 계측자료에 의한 관리기준의 초과 여부 및 장기적인 추세분석은 안전감시 또는 유지관리의 보조자료로 활용될 수 있을 뿐이며, 현단계의 기술수준으로는 계측자료를 활용하여 직접적이고 정량적으로 구조물의 상태를 평가하기에는 어려움이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 유도초음파를 이용하여, 구조물의 손상 감지, 위치표정 및 손상크기의 범위 추정을 통해 전체 구조계 뿐만 아니라 국부적인 손상 감지나 예방 등을 수행하여 직접적이고 정량적으로 구조물의 상태를 평가할 수 있는 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은, 유도초음파를 발진 및 수신하는 복수(n개)의 센서를 설치하는 단계; 분산성(dispersion)을 가진 유도초음파의 신호해석을 위한 유도초음파 모드와 센서의 발진주파수 선별 및 유도초음파를 발진하는 단계; 상기 설치된 센서에서 피치-캐치(pitch-catch) 방식에 의해 수신되는 신호차(subtraction)의 진폭 변화를 분석하여 상기 구조물의 손상 여부를 감지하는 단계; 상기 손상이 감지된 경우, 각 센서를 직선으로 연결하여, 추정되는 손상위치를 내부에 포함하도록 손상모니터링 다각형을 구성하고, 연속 가보(Gabor) 웨이블릿 변환을 통해 유도초음파의 전파시간 및 산란에 의한 전파시간을 산출하는 단계; 상기 산출된 유도초음파의 전파시간 및 산란에 의한 전파시간과, 상기 손상모니터링 다각형의 2n개의 진단경로로부터 2n개의 일차 방정식을 산출하는 단계; 및 상기 2n개의 일차 방정식을 조합하여, 손상위치 표정치를 2n 개 구하고, 상기 2n 개의 손상위치 표정치의 평균을 구하여, 손상위치 표정치를 결정하는 단계를 포함한다.
상기 유도 초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은, 상기 결정된 손상 위치 표정치로부터 기설정된 범위의 신뢰도를 갖는 손상위치 표정치 신뢰구간범위를 산정하여 손상크기의 범위를 산출하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 기설정된 범위는 60~80% 가 될 수 있다.
상기 유도 초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은, 이산 웨이블릿 변환에 의한 소프트 임계처리법(Soft Threshold)과 슈어(SURE;Stein Un-biased Risk Estimator) 방법을 통해 상기 센서에 수신되는 신호의 신호잡음을 제거하는 단계를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은, 전체 구조계 뿐만 아니라 국부적인 손상 감지나 예방 등을 수행하여 직접적이고 정량적으로 구조물의 상태를 평가할 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법에 대해서 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 우선 구조물의 구조건전성에 대한 진단 및 감시를 수행하기 위해 유도초음파를 발진 및 수신하는 복수의(n개)의 센서를 구조물에 설치한다(S110). 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 센서를 3개 사용하는 방법에 대해서 서술하지만, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않고, 그 이상의 센서가 사용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3개의 센서(210a, 210b 및 210c)는 삼각형(220)의 형태를 이루도록 배치된다.
각각의 센서(210a, 210b 및 210c)는 구동을 위한 전원 공급 및 신호 전송을 위해 케이블(미도시)이 연결될 수 있다. 본 발명의 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은 구조물에 상기 센서(210a, 210b 및 210c)를 설치하여, 모니터링이 수행되는 것으로, 센서(210a, 210b 및 210c)가 배치되는 위치에 따라, 구조물의 전체 또는 국부적인 부분에 대한 손상 감지가 가능하다.
우선, 센서를 통해 모니터링 대상구조물에 유도초음파를 발진한다(S120).
이어서, 상기 설치된 센서(210a, 210b 및 210c)는 피치-캐치(pitch-catch) 방식에 의해 수신되는 동일한 진단경로에 대한 신호차의 진폭 변화를 분석하여 상기 구조물의 손상 여부를 감지한다(S130). 도 3a에 도시된 바와 같이, 구조물이 건전한 경우에는 계측신호차의 진폭 변화가 잡음처럼 미미한 수준으로 나타나며, 구조물이 손상된 경우에는 도 3b에 도시된 바와 같이, 구조물의 손상 부위에 의해 산란된 유도초음파가 존재하는 것으로 인해, 계측신호차의 진폭 변화가 많이 발생한다.
상기 센서(210a, 210b 및 210c)에서 감지되는 신호는 신호잡음으로 인해, 신호해석이 곤란한 경우가 발생할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은, 이산 웨이블릿 변환에 의한 소프트 임계처리법(Soft Thresholding)과 슈어(SURE) 방법을 통해 센서(210a, 210b 및 210c)에 수 신되는 신호의 신호잡음을 제거하는 단계를 더 포함하여, 신호해석의 정밀도를 향상시킬 수 있다.
소프트 임계처리법은 센서(210a, 210b 및 210c)에 입력되는 신호 x 를 처리하여, 신호잡음이 제거된 신호 Thrsoft@λ 를 제공하는 방법으로 식으로 표현하면 다음과 같다(도 4 참조).
여기서, 임계값 λ는 다음과 같이 표현된다.
상기 [수학식 2]의 σ는 잡음준위(Noise Level)이며, N은 신호샘플 길이를 나타낸다.
슈어(SURE) 방법은 웨이블릿 변환 영역에서 계수 축소 방법을 통한 잡음 제거 방법으로, 계수 축소 방법은 경계값을 기준으로 웨이블릿 변환된 계수 중에서 잡음 또는 잡음이 혼합된 것으로 판단되는 계수를 삭제하거나, 또는 축소시킴으로써, 원 신호를 보존하는 방법이다. 슈어 방법은 각 대역별 잡음을 제거하므로, 저주파 대역의 잡음 제거에 효과적이다. 슈어 방법에 대해서는 Journal of the American Statistical Association, Vol. 90, No. 432. (Dec., 1995), pp. 1200-1224 에 상세히 개시되어 있다.
계속하여, 센서(210a, 210b 및 210c)에서 손상이 감지되면, 각 센서를 직선으로 연결하여, 추정되는 손상위치를 내부에 포함하도록 손상모니터링 다각형을 구성하고, 연속 가보(Gabor) 웨이블릿 변환을 통해 유도초음파의 전파시간(t0) 및 산란에 의한 전파시간(tscatter)을 산출한다(S140). 웨이블릿 변환은 임의의 신호를 특정 웨이블릿 함수의 직교항으로 표현한다는 개념으로, 신호를 모웨이블릿(Mother wavelet) 함수의 확장(Scale) 변수와 이동(Shift) 변수를 이용하여 변형된 웨이블릿들의 합으로 나타낼 수 있다. 확장 변수는 일반적인 시간-주파수 분석에서의 주파수에 해당하며 이동 변수는 시간에 해당한다.
도 5a 내지 도 5c는 연속 가보(Gabor) 웨이블릿 변환 과정을 나타낸다. 상기 웨이블릿 변환 과정을 통해 유도초음파의 전파시간(t0) 및 주파수 정보(도 5a의 A 영역)와 산란에 의한 유도초음파의 전파시간(tscatter) 및 주파수 정보(도 5b의 B 영역)가 획득된다. 도 5c는 도 5a를 시간-주파수 2차원 평면에 도시한 그래프로써, 손상전 구조물에서 유도초음파 선택모드(도 5c에서는 S0 모드)의 전파시간이 이론값(도 5c의 C 영역의 실선)과 일치하는 것을 확인할 수 있다.
이어서, 상기 산출된 유도초음파의 전파시간(t0) 및 산란에 의한 전파시간(tscatter)과, 상기 손상모니터링 다각형의 2n개의 진단경로로부터 2n개의 일차 방정식을 산출한다(S150).
도 6을 참조하여, 상기 150 단계를 상술하며, 우선, 2개의 센서(210a 및 210b)와 손상위치(230)에 대해 고려한다. 피치-캐치(pitch-catch) 방식에 의해 제 2 센서(210b)에서 유도초음파가 송신되고, 제 1 센서(210a)는 상기 유도초음파를 감지한다. L1은 구조물의 손상위치(230)와 제 1 센서(210a) 간의 거리이며, L2는 손상위치(230)와 제 2 센서(210b) 간의 거리이고, L03은 제 1 센서(210a)와 제 2 센서(210b) 간의 거리이다.
제 1 센서(210a)에서 감지하는 유도초음파 신호(Wdamage)는 L03 경로를 따라 수신되는 산란 전 유도초음파(W0)와 L2 및 L1 경로를 따라 수신되는 산란 후 유도초음파(Wscatter)가 중첩(Superposition)된 것이다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.
한편, 상기 140 단계에서, 유도초음파의 전파시간, 즉, L03 경로를 따라 수신된 유도초음파(W0)의 전파시간(TOF, Time Of Flight)인 t03 과 산란에 의한 전파시간, 즉, L2 및 L1 경로를 따라 수신된 유도초음파(Wscatter)의 전파시간인 tscatter가 산출되었다. 상기 tscatter 에 대해서는 다음과 같은 식이 성립한다.
여기서, Cg0는 산란 전 유도초음파(W0)의 군속도이고, Cg - scatter는 구조물의 손상 부위에 의해 산란된 유도초음파(Wscatter)의 군속도이며, 양 군속도는 거의 동일하다. 즉, Cg0 ≒ Cg - scatter이 성립한다. 이를 상기 [수학식 4]에 대입하면, 다음과 같다.
여기서, cgo =L03/t03 이므로 다음 식이 성립한다.
상기 과정은 제 1 센서(210a)와 제 2 센서(210b) 외에 제 3 센서(210c)가 추가된 경우에도 반복될 수 있다.
도 7을 참조하면, 3개의 센서(210a, 210b 및 210c)에 의해 형성되는 손상모니터링 삼각형은 3개의 서브(Sub) 삼각형(△T1, △T2 및 △T3)으로 구성된다.
P12는 제 1 센서(210a)가 발진센서가 되고, 제 2 센서(210b)가 수신센서가 되는 진단경로이며, P21은 제 2 센서(210b)가 발진센서가 되고, 제 1 센서(210a)가 수신센서가 되는 진단경로를 나타낸다. P13, P31, P23 및 P32의 진단경로에도 상기 설 명과 동일한 원리가 적용된다.
상기 6개의 진단경로에 따라, 추정되는 손상위치(230)에 관한 식을 산출하면, 표 1과 같다.
| 진단경로 | 센서간 거리 | 산란전 유도초음파 전파시간 | 산란 경로에 따른 유도초음파 전파시간 | 산란 경로 일차 방정식 |
| P12 | L03 | t03 | tscatter12 | L1 + L2 = tscatter12 × L03/t03 |
| P21 | L03 | t03 | tscatter21 | L1 + L2 = tscatter21 × L03/t03 |
| P13 | L02 | t02 | tscatter13 | L1 + L3 = tscatter13 × L02/t02 |
| P31 | L02 | t02 | tscatter31 | L1 + L3 = tscatter31 × L02/t02 |
| P23 | L01 | t01 | tscatter23 | L2 + L3 = tscatter23 × L01/t01 |
| P32 | L01 | t01 | tscatter32 | L2 + L3 = tscatter32 × L01/t01 |
상기 표 1에서, 3개의 센서(210a, 210b 및 210c)로부터 추정되는 손상위치(230)까지의 거리인 L1, L2, L3에 관한 식은 6개가 산출되며, 센서가 n개 사용되는 경우, 각 센서로부터 추정되는 손상위치까지의 거리에 관한 식은 2n개가 산출된다.
상기 6개의 식에서, 우변의 tscatter 및 t0 값은 웨이블릿 변환에 의해 산출되는 값이며, L01, L02 및 L03 값은 센서(210a, 210b 및 210c)의 배치관계의 의해 결정되는 거리이므로, 상기 6개 식의 우변은 모두 상수이다. 한편, 미지수 L1, L2 및 L3 를 군별로 정리하면, P12 및 P21의 진단경로에 따른 제1군, P13 및 P31 의 진단경로에 따른 제2군, 및 P23 및 P32 의 진단경로에 따른 제3군으로 분류된다. 상기 각각의 군에서 산란 경로 일차 방정식을 하나씩 선별하여 조합하면, 총 8개의 조합이 가능하며, 각각의 조합은 3원 1차 연립방정식을 구성한다. 여기서, 센서가 n개 사용되는 경우, 산란 경로 일차 방정식의 조합은 총 2n 개 가능하다.
상기 3원 1차 연립방정식을 풀면 각 센서로부터 손상위치까지의 거리인 손상위치 표정치(L1, L2, L3) 가 구해지며, 총 8개의 조합이 가능하므로, 손상위치 표정치(L1, L2, L3) 값은 8개 산출된다. 이어서, L1, L2, L3 각각에 대한 평균값(μ)을 구하여, 손상위치 표정치(L1, L2, L3)를 결정한다(S160).
계속하여, 상기 결정된 손상위치 표정치(L1, L2, L3)로부터 기설정된 범위의 신뢰도를 갖는 손상위치 표정치 신뢰구간범위를 산정하여 손상크기의 범위를 산출한다(S170). 상기 기설정된 범위는 60~80% 가 될 수 있으며, 도 8은 신뢰도가 60~80% 인 경우를 나타낸다. 여기서, L1, L2, L3 의 각각의 표준편차(σ)를 구하여, 신뢰구간 범위 2×0.84×σ ~ 2×1.28×σ 를 구함으로써, 손상크기의 범위가 산출될 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따라 센서를 배치한 구성을 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따라 센서에서 감지된 신호차의 변화를 도시한 도면들이다.
도 4는 본 발명에 따라 수신된 신호의 잡음제거를 위한 소프트 임계처리법의 개념도를 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따라 연속 가보(Gabor) 웨이블릿 변환 과정을 도시한 도면들이다.
도 6은 본 발명에 따라 손상모니터링 다각형의 피치-캐치 방식에 의한 진단경로로부터 일차 방정식을 산출하는 과정을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 구조물의 손상위치 표정치를 산출하는 과정을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따라 구조물의 손상크기의 범위를 산출하는 과정을 도시한 도면이다.
Claims (4)
- 구조물의 구조건전성에 대한 진단 및 감시를 수행하기 위한 유도 초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법에 있어서,유도초음파를 발진 및 수신하는 복수(n개)의 센서를 설치하는 단계;상기 센서를 통해 모니터링 대상 구조물에 유도초음파를 발진하는 단계;상기 설치된 센서에서 피치-캐치 방식에 의해 수신되는 신호차의 진폭 변화를 분석하여 상기 구조물의 손상 여부를 감지하는 단계;상기 손상이 감지된 경우, 각 센서를 직선으로 연결하여, 추정되는 손상위치가 내부에 포함하도록 손상모니터링 다각형을 구성하고, 연속 가보(Gabor) 웨이블릿 변환을 통해 유도초음파의 전파시간 및 산란에 의한 전파시간을 산출하는 단계;상기 산출된 유도초음파의 전파시간 및 산란에 의한 전파시간과, 상기 손상모니터링 다각형의 2n개의 진단경로로부터 2n개의 일차 방정식을 산출하는 단계; 및상기 2n개의 일차 방정식을 조합하여, 손상위치 표정치를 2n 개 구하고, 상기 2n 개의 손상위치 표정치의 평균을 구하여, 손상위치 표정치를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유도 초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은,상기 산출된 손상위치 표정치로부터 기설정된 범위의 신뢰도를 갖는 손상위치 표정치 신뢰구간범위를 산정하여 손상크기의 범위를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 기설정된 범위는 60~80% 인 것을 특징으로 하는 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 유도 초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법은,이산 웨이블릿 변환에 의한 소프트 임계처리법(Soft Threshold)과 슈어(SURE) 방법을 통해 상기 센서에 수신되는 신호의 신호잡음을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도초음파를 이용한 구조건전성 모니터링 방법.
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