KR101143261B1 - 비선형 변형의 측정을 위한 2진 코드부호, 및 이를 이용한변형의 분석과 측정을 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

경계 변성(perimeter-based deformation) 및 변형(strain)을 위해 특별히 설계된 비선형 변형측정(non-linear strain measurement)을 위한 2진 코드부호(binary code symbol). 상기 부호는 직사각형의 모양을 가지며, 연속적인 외부 경계선, 상기 직사각형의 인접한 두개의 면을 따라 위치한 두 개의 데이터 영역(data region) 및 상기 데이터 영역의 마주보는 반대편의 두 개의 인접한 면을 따라 위치한 유틸리티 영역(utility region)을 가진다. 각 데이터 영역은 다수의 데이터 셀로 구성되며, 각 유틸리티 영역은 교호로 나타나는 유틸리티 셀로 구성된다. 상기 유틸리티 영역의 내측 절반부의 영역은 보조 정보 및/또는 부호를 저장하는데 사용한다. 상기 직사각형의 마주보는 두 모서리에는 두 개의 뚜렷한 파인더 셀(finder cell)이 있는데, 이는 부호를 정확한 방향으로 위치시키는데 사용된다. 부하가 가해진 대상물의 변형을 측정하기 위한 비선형 변형측정계는, 2진 코드부호인 표적, 센서, 및 컴퓨터를 포함한다.

2진 코드부호, 데이터 영역, 유틸리티 영역

Description

비선형 변형의 측정을 위한 2진 코드부호, 및 이를 이용한 변형의 분석과 측정을 위한 장치 및 방법{Binary Code Symbol for Non-line Strain Measurement and Apparatus and Method for Analyzing and Measuring Strain Therewith}

본 발명은 비선형 변형의 측정을 위한 2진 코드부호에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 에러수정부호(error-correcting code, ECC) 기술을 이용하여 일정 범위의 데이터 값을 암호화할 수 있는 비선형 변형측정을 위한 2진 부호코드(binary symbol code), 및 이를 이용한 변형의 분석 및 측정방법에 관한 것이다.

오늘날에는 수많은 일차원(one-dimensional) 또는 이차원(two-dimensional) 부호가 사용되고 있으며, 대부분은 암호화된 정보를 저장하기 위하여 부호의 표면을 이용하고 있다. 이들 부호들은 정보의 암호화를 가능하게 하는 크고 구별되는 블록(block), 점(dot), 또는 바(bar) 등의 "셀(cell)"로 구성된다. 간격, 상대적 크기, 상태(즉, 검은색 또는 백색), 또는 셀 특성의 조합이 정보의 암호화 또는 판독을 위해 이용된다. 이러한 종류의 부호들은 저가의 저해상도 판독기(또는 센서)를 위해 설계되었고, 따라서 전체적인 부호의 크기를 고려할 때 셀의 크기가 상대 적으로 클 수 있다.

많은 경우에 부호에 입력된 정보는 "판독(read)" 되는 것을 필수로 요구하지만, 경우에 따라서는 부호의 공간적 특성을 면밀히 고려하는 것이 필요하기도 한다. 부호 특성의 정밀한 기하학적 측정을 수반하는 도량형학(metrology)이 이러한 경우의 하나이다. "판독(reading)"을 위해 최적화된 부호는 "도량형학(metrology)" 목적에는 적합하지 않으며 또한 그럴 필요도 없다.

통상적인 부호들의 예(UPC 부호, Data Matrix 부호, 및 MixCode 부호)를 도 1A 내지 1C에 나타내었다. 도 1A 내지 1C에서 보듯이, 통상적인 일차원 및 이차원 부호들은 끊어진(broken)(또는 불연속(non-continuous)) 부호의 경계(perimeter)를 가지는 셀의 정렬을 이용한다. 이외에도, 각 부호는 영역 전반에 걸쳐 균일하게 분산된 셀을 가진다. 이러한 특성들은 데이터의 입력기(encoder)/판독기(decoder)로서 부호의 표면을 유용하게 사용하나, 예를 들면 변형측정(strain measurement)과 같은 일부 변성분석(deformation analysis)에 있어서 정확도를 저해하는 결과를 야기하기도 한다.

기계에 의한 도량형학(machine-enabled metrology)을 위한 센서해상도는 단순히 부호의 정보를 암호화하고 판독하기 위한 센서해상도보다 통상적이으로 높다. 따라서, 높은 해상도의 센서를 이용할 수 있다면, 기존의 부호 디자인에 부과되는 "판독기(reader)"로서 갖추어야 할 조건을 완화할 수 있고, 변성/변형측정을 위한 부호를 생성할 수도 있다.

이것이 본 발명이 해결하고자 하는 문제이다.

발명의 요약

결국, 본 발명의 주된 목적은 특이적인 기하학과 특성을 가지는 비선형 변형의 측정을 위한 2진 코드부호를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 변형을 촉진하는 특성을 가지는 비선형 변형의 측정 및 변형측정을 위한 2진 코드부호를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 경계 변성(perimeter-based deformation) 및 변형의 분석을 위해 특별히 설계된, 비선형 변형의 측정을 위한 2진 코드부호를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 비선형 변형측정을 위한 2진 코드부호를 이용하여 경계 변형을 분석하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 근매개변수(near-parameter) 데이터 암호화를 수반하는 비선형 변형측정을 위한 2진 코드부호를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 에러수정부호(ECC) 기술을 이용하여 일정 범위의 데이터 값을 암호화할 수 있는 비선형 변형측정에 사용되는 2진 코드부호를 제공하는 것이다.

이상 및 기타 다른 본 발명의 목적들은, 연속되는 경계(solid continuous perimeter); 상기 경계에 인접하는 면을 따라 위치하는 1차, 2차 데이터 영역; 상 기 1차, 2차 데이터 영역과 마주보는 반대편(opposite) 경계의 인접하는 면을 따라 위치하는 1차, 2차 유틸리티 영역(utility region); 상기 사각의 서로 마주보는 반대편 코너(opposite corner)에 위치하는 1차, 2차 파인더 셀(finder cell); 및, 상기 1차, 2차 데이터 영역, 1차, 2차 유틸리티 영역, 1차, 2차 파인더 셀을 배경(background)으로부터 구분해주는 내부 및 외부 비판독 영역(quiet region)을 포함하는 비선형 변성측정을 위한 사각의(rectangular) 2진 코드부호를 제공함으로써 달성될 수 있다. 각각의 데이터 영역은 다수의 데이터 셀을 포함하고, 각 데이터 셀은 2진 데이터의 하나의 비트(bit)를 나타내고, 각 유틸리티 영역은 교호 형태(alternating appearance)의 다수의 유틸리티 셀을 포함한다.

본 발명의 일 실시태양에 따르면, 2진 코드부호의 1차. 2차 유틸리티 영역은 각각 보조(auxiliary) 정보 및 부호를 저장할 수 있는 내측 절반부(inner half)을 가질 수 있다.

본 발명의 다른 실시태양에 따르면, 데이터 셀에 의해 나타내어지는 2진 데이터는, 예를 들면, Hamming 7-4 기술과 같은 에러수정부호 알고리즘(ECC algorithm)을 이용하여 암호화된다.

본 발명에 따른 비선형 변형 측정계(non-linear strain guage)는 변형(strain) 또는 노후손상(fatigue damage)을 측정하는 대상물과 연관되며, 본 발명에 따른 사각의 2진 코드부호를 포함하는 표적(target); 상기 표적으로부터 방출되는 탐지가능한 물리적 량(physical quantity) 및 상기 물리적 량을 나타내는 출 력 데이터를 사전처리하며, 상기 탐지가능한 물리적 량과 양립하는(compatible) 센서(sensor) 수단; 2진 코드부호를 정의하는 센서수단에 의해 상기 출력 데이터를 분석하기 위한 수단; 및, 대상물에서의 변형을 사전처리하고 분석된 데이터를 기초로 직접적으로 측정하는 수단을 포함한다.

발명의 또 다른 실시태양에 따르면, 상기 비선형 변형 측정계는 변형측정을 이용하여 알려지거나 알려지지 않은 기계적인 특성을 가진 물질들의 노후손상 및 변형 이력에 대한 정보를 제공하는 변형측정을 이용하기 위한 수단을 추가로 포함한다.

본 발명에 따라 대상물의 변형을 직접적으로 측정하기 위한 방법에서, 상기 2진 코드부호는 측정할 수 있는 물리적 량을 방출하며, 2진 코드부호의 변형 및 부하가 가해진 대상물에서의 변형이 일대일 상호관계를 가지는 방식으로 대상물과 연관된다. 2진 코드부호의 변화는 시간과 대상물에 가해지는 부하의 함수로서 확인된다. 이후, 2진 코드부호의 변화는 변형의 직접적 측정으로 번역된다.

본 발명에 따른 2진 코드부호는 노보질로프(V. V. Novozhilov)가 개발한 비선형 스트레스 분석(non-linear stress analysis)의 개념을 기초로 하는 부호의 기하학(geometry)적 변형의 관찰에 기반을 두고 있다(참조: V. V. Novozhilov, Foundations of the Nonlinear Theoryof Elasticity, Graylock, Rocester NY, 1953).

본 발명의 다른 목적들, 특성들, 장점들은 당업계의 숙련된 자라면, 첨부된 도면을 포함하는 명세서를 숙독하면 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 동일한 도면부호가 동일한 구성요소를 지정하는 첨부된 도면을 참고로 하여, 이하의 바람직한 실시태양의 상세한 설명을 읽음으로써, 더욱 잘 이해될 수 있다.

도 1A 는 통상적인 UPC 부호를 나타낸다.

도 1B는 통상적인 Data Matrix 부호를 나타낸다.

도 1C는 통상적인 MaxiCode 부호를 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 사각 2진 코드부호(rectangular binary code symbol)의 예시적인 레이아웃(layout)을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따른 숫자 27,097의 암호화된 2진 코드부호의 일 실시태양을 나타낸다.

도 4는 도 3의 2진 코드부호의 1차 데이터 영역에서의 데이터 셀의 2진상태(binary state)를 나타낸다.

도 5는 본 발명에 따른 비선형 변형측정계의 모식도이다.

도 6A와 도 6B는 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램에 의해 실행되는 알고리즘을 나타내는 상위 흐름도(high level flow diagram)이다.

도면에 개시된 본 발명의 바람직한 실시태양을 기술함에 있어서, 명확성을 기하기 위해 전문용어가 사용되었다. 그러나, 본 발명은 선택된 전문용어로 인해 제한되는 것은 아니며, 각각의 특별한 요소들은 비슷한 기술적인 목적을 위하며 유사하게 작동되는 모든 기술적인 균등물(equivalent)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 비선형 변형측정을 위한 2진 코드부호는, 신뢰성있는 자가검사(self-checking)/자가수정(self-correcting) 데이터 암호화를 가능하게 하면서, 경계(perimeter) 변성(deformation) 및 변형(strain)의 분석이 가능하도록 특별히 설계되었다. 부호가 가지는 특이적인 기하학적 특성들은 구별되거나 유사한 변성분석방법을 사용하여, 경계 비선형 변형측정을 위하여 최적화되었다.

본 발명에 따른 비선형 변형측정을 위한 2진 코드부호는, 본 발명에 따른 2진 코드부호가 변형 로제트(strain rosette)를 이용하지 않으며, 부호 변형 로제트(symbolic strain rosette, "SSR")가 할 수 없는 비선형 변형을 측정할 수 있는 한, 2002년 8월 20일자 미합중국 특허출원 제 10/223,680호로 출원된 미합중국 특허공개 제 2004-0036853호에 정의된 SSR과는 명백히 재료면에서나, 이론적으로 다르다.

본 발명의 2진 코드부호는 사각의(rectangular) 형태를 하고 있고; 연속적인 외부 경계를 가지며, 부호의 경계에 인접하는 영역에 데이터를 입력할 수 있다. 이러한 속성들의 특이적인 조합이 원거리의(distantly-spaced) 부호 특성들의 양(quantity)과 질(quality)을 획기적으로 증가시킨다. 이러한 특이적인 특성들은 구별되거나 유사한 기술을 이용한 고정밀도 변성분석(high-accuracy deformation analysis)을 가능케 한다. 데이터는 부호의 비교적 적은 영역에 비례적으로 입력되며(통상적인 부호들에 비해), 따라서 부호를 판독하고 분석하기 위해서는 좀 더 고해상도의 센서가 요구된다.

도 2는 사각(rectangular) 부호의 통상적인 배치를 나타낸다. 도 2의 실시태양에서, 사각 부호 10은 특징적인 연속적 외부 경계(outer perimeter) 20을 갖고 있으며, 정사각의 형태를 나타낸다. 도 2에 개시된 실시태양에서, 부호 10은 또한, 비록 통상 필수적인 것은 아니지만, 연속적 내부 경계(inner perimeter)를 가진다. 사각의 인접한 면을 따라 두 개의 데이터 영역 30이 있다. 각 데이터 영역 30은 다수의 데이터 셀 30a로 구성된다. 도 2의 부호 10은 데이터 영역 30당 28개의 데이터 셀 28a를 가지고; 데이터 영역 30당 데이터 셀 30a의 수에는 제한이 없다. 사각의 대각선(diagonal)에 대해 대칭 구조인 부호들의 경우, 입력된 데이터의 중복(redundancy)으로 인해 데이터 영역이 서로 동일할 수도 있다. 사각의 면을 따라 위치하는 데이터 영역 30의 반대편에는 유틸리티 영역 40이 있다. 유틸리티 영역 40은 번갈아가며(교호로, alternating) 나타나는(즉, 앞, 뒤, 앞의 방식) 유틸리티 셀 40a 와 40b로 구성된다. 유틸리티 영역 40은 부호의 위치, 방향성 및 분석을 돕는다. 그외에도, 유틸리티 영역 40의 내측 절반부(inner half) 40c는 보조 정보 및/또는 부호들(예를 들면, vendor ID, application ID, function ID, version ID, date/time, materials ID/infor 등)의 저장을 위해 사용될 수 있다. 사각의 서로 마주보는 반대편 코너에는 두 개의 구별되는 파인더 셀 50a와 50b가 위치하여, 부호 10의 방향을 정할 때 사용한다. 내부 및 외부 비판독 영역(quiet region) 60에서, 불연속 선이 내부 및 외부 비판독 영역 60a, 60b의 경계를 보여 주기 위해 사용되었으나, 실질적으로 부호 10은 이들 불연속 선을 포함하지 않는다.

본 발명에 따른 2진 코드부호에서, 정보는 부호의 데이터 셀을 통해서 입력된다. 한 개의 데이터 셀은 한 개의 비트(bit)에 해당하는 정보를 의미한다; 즉, 그 상태가 "온(on)" 아니면 "오프(off)"(즉, 1 아니면 2)이다. 개별적인 비트 값의 순서와 상태는 입력된 데이터 값을 나타낸다. 한 개의 데이터 셀의 2진법 기여(contribution)은 센서에 의해 읽혀지는 셀의 상태로 표현된다. 데이터 셀 중 부호의 배경(또는 비판독 영역)과 같은 외형을 가지는 것은, "온(on)" 또는 비트 값 "1"으로 간주된다. 데이터 셀 중 앞배경(또는 경계(perimeter))의 외형을 가지는 것들은 "오프(off)" 또는 비트 값 "0"으로 간주된다.

부호의 예를 도 3에 나타내었다. 이 부호는 에러수정부호(ECC) 기술을 사용하여 데이터 영역에 암호화된 27,097인 데이터 값을 갖고 있다. 데이터 값은 데이터 영역 30(즉, 두 영역은 동일하다) 상부 왼쪽에 반복되어 입력되어 있다. 도 3의 실시태양에서, 앞배경(foreground)은 검은색이며, 뒷배경(background)은 백색이다. 그러나, 셀의 앞배경과 뒷배경의 외형은 특별히 제한되지 않으며, 단지 충분히 대조되어서 센서에 의해 용이하게 셀의 상태를 결정하면 된다.

상술한 앞배경과 뒷배경의 외형에 대한 조건들을 이용하여, 도 3의 2진 코드부호의 데이터 셀 30의 2진 상태 정보가 도 4에 개시되어 있다. 각 데이터 셀 30a의 2진 상태를 왼쪽에서 오른쪽으로 읽으면; 0,0,1,1,0,0,1,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,1,0,0,1,1,0이 된다. 이러한 숫자 0 및 1로 만들어진 열(string)은 이하에서 자주 언급되는 Hamming 7-4 기술(즉, 판독)을 역응용하여, 10진법 숫자 27,097로 변환될 수 있다.

암호화된 데이터는 부호의 일부가 손상되거나 깨지거나 손상될 경우, 어느 정도의 "자가수정(self correcting)"의 기능을 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 부호의 각 데이터 영역의 2진 데이터는 에러수정부호(ECC) 알고리즘을 사용하여 입력된다. ECC 알고리즘은 벡터-공간 수학(vector-space mathematics)과 세트이론(set theory)을 결합시켜, 수적인 량(numeric quantity)을 판독단계에서 제한된 자가검정 및 자가수정의 기능을 제공하는 암호화 값으로 전환한다. ECC 알고리즘의 사용과 더불어 데이터 중복(data redundancy)은 확실한 입력과 데이터의 손상을 방지할 수 있는 기능을 제공한다.

중복(redundancy) 및 ECC 방법을 사용하여, 도 3의 각 데이터 영역마다 28개의 데이터 셀을 가지는 부호는 0 내지 65,535의 범위내의 어떠한 데이터도 입력할 수 있다. 중복이 사용되지 않는다면, 도 3의 부호의 데이터 용량은 40억 이상의 데이터 값으로 증가할 것이다.

에러수정부호 알고리즘은 Hamming 7-4 기술을 이용한다. 이 입력 방법은 원래의(암호화되지 않은) 데이터 값을 받아, 4 -비트의 "단어(word)"로 전환한다. 각 4 비트의 단어는, 다시 원래의 값 및 3개의 "확인 비트(3 check bit)"를 갖는 7비트의 단어로 암호화된다. 이 방법은 7비트 단어가 센서에 의해 인식되지 못하게 될 경우, 원래의 4 비트 단어를 복구시키도록 한다. 따라서, 한 개의 단어에서 1비트 만큼 손실되었다 하더라도 원래의 데이터는 복구될 수 있다.

사용된 Hamming 기술은 0.571의 입력 "효율"(efficiency)을 갖는다. 이것은 입력된 비트(N2)에 대한 원래의 비트의 수(N1)의 비율로서 계산된다. 도 3의 실시태양에서, N1은 16이고, N2는 28이므로, 입력효율은 다음과 같다:

E = N1 / N2 = 16 / 28 = 0.571

따라서, 에러수정부호를 사용하는 부호에서의 한 개의 데이터 영역의 데이터 용량(또는 데이터 값의 조합의 독자적인 값)을 각 영역당 데이터 셀의 수(N2)로서 나타내면, 대략 다음과 같다:

C = 2 ^{N2 *E}

부호는 고정밀 변형분석을 위해 특별히 설계되었다. 부호의 연속된(solid) 경계와 경계 암호화(perimeter-encoding) 기술은 원거리의 부호특성(distantly-spaced symbol feature)을 양적으로나 질적으로 크게 증가시키는 특이적 속성이다. 이러한 특질은 구별(discrete)되거나 유사한(analog) 기계 이용기술을 사용한 변성분석의 정밀도를 증가시킨다.

변성분석은 여러가지 조건하에서의 부호의 공간적 특성을 자세히 검사할 기회를 준다. 예를 들면, 변성분석은 기준상태로부터 그 이후의 상태(예를 들면, 크기의 변형, 모양의 변형, 대칭의 변형)로의 기하학적 변형을 수학적으로 설명할 수 있다.

변형(strain)의 측정은 변성분석(deformation analysis)의 좋은 한 예이다. 변형은 기준길이에 대한 상대적인 길이의 변화로 정의되는 단위가 없는 기계적인 특성이다.

도 5은, 본 발명에 따라 부하가 걸리는 대상물의 변형을 측정하기 위한, 표적 110, 센서 120, 컴퓨터 130을 포함하는 비선형 변형측정계 100을 모식적으로 나타내는데, 표적 110은 제작되거나 확인된 본 발명에 따른 2진 코드부호이다. 2진 코드부호는 각각이 중심(centroid)을 가지는 복수의 서브-이미지(sub-image)로 구성되며, 2진 코드부호의 데이터 영역 30에 형성된 사각의 구성요소(rectangular element)들과 연관된 서브-이미지 중심(sub-image centroid)의 이동을 연동시키는 센서 120에 의해 모니터링된다.

표적 110은 부하가 걸린 변형을 수반하는 2진 코드부호의 변성을 일으키는 어떤 수단에 의해서든지 대상물과 연관될 수 있다. 2진 코드부호의 변성과 대상물의 변성은 반드시 일대일의 상호관계를 가져야 한다. 표적 110은 대상물의 표면에 직,간접적으로 적용하거나, 2진 코드부호를 정의하는 기존의 패턴 위에서 이것을 확인함으로써, 변형이 측정되는 대상물에 연관될 수 있다. 적용되든 확인되는 간에, 표적 110은 변형이 측정되는 대상물에 매립(embedding)된다.

표적 110의 응용예는 이에 제한되는 것은 아니나, 다음과 같다:

(1) 변형을 측정하려는 대상물의 표면에, 예를 들어, 아교접합에 의해, 접착하는 폴리미드 필름(polymide film)과 같은 매체에의 응용(간접응용);

(2) 표면에칭(etching)(직접응용);

(3) 표면도색(직접응용); 및,

(4) 표면인쇄(직접응용)

표적의 응용은 NASA STD 6002 및 핸드북 6003에 상세히 기술되어 있다.

표적 110을 확인하는 방법들의 예들은 이에 제한되는 것은 아니나, 다음과 같다:

(1) 미시적 또는 거시적으로 2진 코드부호를 정의하는 대상물의 자연발생하는 표면특성을 관찰함으로써 확인(이에 제한되는 것은 아니나, 토양표면의 특성을 예로 들 수 있다).

(2) 미시적 또는 거시적으로 2진 코드부호를 정의하는 대상물의 자연발생하는 표면하(subsurface) 특성을 관찰함으로써 확인(이에 제한되는 것은 아니나, 토양에 묻힌 화석을 예로 들 수 있다).

(3) 미시적 또는 거시적으로 2진 코드부호를 정의하는 대상물 표면의 인위적으로 야기되는 특성을 관찰함으로써 확인(이에 제한되는 것은 아니나, 구성요소들의 집합을 예로 들 수 있다).

(4) 미시적 또는 거시적으로 2진 코드부호를 정의하는 대상물 표면의 인위적으로 야기되는 특성을 관찰함으로써 확인(이에 제한되는 것은 아니나, 표피로 둘러싸인 우주왕복선의 구조적 요소, 표피로 둘러싸인 다리의 구조적 요소, 가시광선하에서의 불투명한 표면을 가지는 빌딩의 구조적 요소를 예로 들 수 있다).

표적 110의 매립의 예는 이에 제한되는 것은 아니나, 다음과 같다:

(1) 대상물이 형성되었을 때 연구될 대상물 내의 매립(embedding);

(2) 자연발생하거나 인위적으로 야기되는 표면 특성들의 확인(identification);

(3) 1개 또는 그 이상의 페인트와 같은 칠로 커버(covering);

(4) 인체, 인체의 일부, 또는 이식물에 이식(implanting). 예를 들면, 만약 표적 110이 엉덩이 뼈 관절의 중요한 부분이나 엉덩이 관절 이식물, 또는 인공 심장 판막에 고정되면, 표적 110은 엑스레이 센서 120(X-ray sensor 120)를 이용하여 조직을 투시함으로써 표적 110을 관찰할 수 있으며, 연관된 인체의 부위나 이식물의 변형 또는 노후손상을 장시간에 걸쳐 추적할 수 있다.

표적 110은 측정가능한 물리적 량을 자연적으로 방출할 수도 있으며, 측정가능한 물리적 량을 생성할 수도 있으며, 측정가능한 물리적 량을 반사할 수 있다. 측정가능한 물리적 량은 전자기 스펙트럼(electromagnetic spectrum; 가청범위의 주파수를 포함)의 어느 부분에서의 시그날(signal)일 수 있으며, 자기장(electric field)과 같은 장(field)일 수도 있다. 측정가능한 물리적 량은 비트맵(bitmap) 파일로 전환될 수 있는 그레이-스케일(grey-scale)의 이미지인 시그널일 수 있다. 이들 시그날 및 장을 포함한 여러가지 물리적 량을 측정하는 센서들은 상업적으로 입수가능하다.

표적 110은 극소에서 극대 크기까지 제작 및 측정이 가능하다. 따라서, 본 발명에 따른 비선형 변형측정계 100는 매우 큰 규모에서의 적용이 가능한데, 이를 테면 지구토양의 표면이나 지표면 아래 구조의 변형/변형을 측정하기 위해 지구상의 표적 110을 우주 공간에서 보는 것과 같은 경우이다. 필요한 것은 오직 센서 120을 표적의 스케일 또는 스코프 및 표적 110으로부터 방출되는 측정가능한 물리적 량과 결합시키는 것이다.

비선형 변형측정계 100의 장점은 아나로그 기술을 이용한 2차 측정에 의존하는 방법과는 달리, 변형을 직접 측정함으로써, 정상적 또는 전단 변형요소(shear strain component)를 정확히 측정할 수 있는 "판독(reading)"을 가능케 한다는 것이다. 이는 또한 더욱 우수한 정밀도와 시스템 에러의 감소로 이어진다.

비선형 변형측정계 100의 또 다른 장점은 변형의 측정범위가 0으로부터 적어도 50%까지 가능하다는 것이며, 이는 고무나 플라스틱과 같은 탄력이 있는 재료의 변형을 위해서도 사용이 가능하다. 이러한 점은 나노범위에서의 측정도 가능하게 한다.

비선형 변형측정계 100의 세번째 가장 주요한 장점은 표하(subsurface)의 구조 변형도 측정할 수 있다는 것이다. 표하의 측정은 인위적 구축물에 대한 특별한 응용을 가능하게 한다.

또한, 비선형 변형측정계 100은 구조의 중요 부위, 또는 주기적 또는 다른 부하가 걸린 장치의 부품에 있어서, 노후손상(축적)의 평가에도 사용될 수 있다. 이는 일정기간에 걸쳐 정상적으로 사용 중인 연구 대상 부품의 표면적을 관찰함으로써 가능하다. 그러면, 데이터를 부품의 수명 관리를 위해 사용될 수 있다.

센서 120은 표적 110의 전체 이미지를 컴퓨터 130에 전달함으로써, 재료의 표면에 고정화되거나(affixed) 재료 속에 매립된(embedded) 표적 110의 변성을 관찰할 수 있다. 센서 120은 표적 110이 방출하는 물리적 량과 양립할 수 있으며(compatible), 또한 관찰된 물리적 량을 어느 정도 사전수정하여 컴퓨터 130에 제공한다. 광학적으로 모니터링할 수 있는 2진 코드부호라면, 시그날은, 비록 다른 방식도 가능하지만, 비트맵으로의 전환이 가능한 그레이-스케일 이미지가 될 것이다.

통상적으로, 컴퓨터 130은 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 메모리 130a및 프로그램을 수행하고 데이터 분석을 수행하는 프로세서 130b를 포함하며, 데이터를 보여주기 위한 표시 130c와 연관된다. 연구대상인 대상물에 부하가 가해지고 변형이 발생함에 따라, 컴퓨터 130은 프로그램을 운용하여 (1) 2진 코드부호과 측정된 변형을 시간, 부하의 변형에 대한 함수로서 나타내고, (2) 2진 코드부호의 변화(change)를 변형(strain)으로 번역하여, (3) 적절한 포맷으로 표시한다. 표시는 실시간으로 수행될 수 있다. 이 기술은 연구대상이 되는 대상물의 사이즈에 대하여 적용할 수 있다.

2진 코드부호는 계속적이든, 외부의 요인(external event)에 의해 촉발되는 임의의 시간이든, 이미 프로그램된 시간이든간에 연속적인 시간에 -광학적(optical), 자기적(magnetic), 전자기적(electromagnetic), 음파적(acoustic), 또는 다른 적절한 형태의 센서 120-에 의해 모니터링된다. 2진 코드부호의 서브-이미지(sub-image)들은 시간의 경과에 따라 서브-이미지의 중심(centroid)의 동작을 측정하도록 상호관련되며(correlated), 또한 그들의 동작은 정량화되어 연구하려는 표면에 상응하여 사용되는 조정 시스템(coordinate system)의 방향으로의 변형을 측정하는 분석에도 사용된다. 중심의 동작은, 본 발명에 따른 컴퓨터 130에 장착된 프로그램에 의해 측정되며, 이로서 2진 코드부호 및 그것의 서브이미지를 확인하고, 2진 코드부호의 서브이미지를 시간의 경과에 따라 상호연관시키며, 2진 코드부호들의 서브이미지들의 중심의 변위(displacement)를 결정하고, 후술하는 변형공식(strain equation)에 입력할 데이터를 이용하여 변형을 2차원적으로 표현한다.

도 6A 및 도 6B는, 본 발명에 따른 컴퓨터 프로그램에 수반되는 알고리즘을 개시하는 상위 흐름도(high level flow diagram)이다. 알고리즘은 이미지 획득단계(image grabbing), 변형분석단계(strain analysis), 및 데이터 로깅단계(data logging) 등 3개의 기본단계를 포함하고, 변형을 측정할 대상물에 가해지는 부하가 없는 상태 또는 부하가 가해진 상태에서 얻어지는 참조 이미지(reference image) 및 이후 부하가 가해진 상태 또는 가해진 부하가 변하면서 얻어지는 후발생 이미지(subsequent image) 등 두종류의 이미지를 사용한다.

이미지 획득단계(image grabbing)는 또한 다음의 각 단계들을 포함한다; 센서 120은 참조 이미지를 획득한 후, 참조 이미지를 나타내는 데이터를 컴퓨터 130에 출력한다. 그러면, 프로그램 또는 컴퓨터 130에 의해 수행되는 프로그램들은 참조 이미지를 분석하여 2진 코드부호를 정의하고, 동시에 참조 이미지를, 바람직하게는 실시간으로, 컴퓨터 모니터 또는 다른 표시장치 130c에 나타낸다. 분석단계 이후, 컴퓨터 130은 분석된 참조 이미지를 저장한다. 일단 참조 이미지가 획득, 분석, 저장되면, 센서 120은 후발생 이미지(즉, 현재의 후속 이미지)에 해당하는 데이터를 컴퓨터 130에 출력한다.

후발생 이미지의 획득은 연속적으로, 또는 예정된 시간간격을 두고 이루어 질 수 있고, 또한 부하의 적용과 같은 외부 요인에 의해서도 촉발되기도 한다. 따라서, 후발생 이미지의 수는 경우에 따라서 한개에서 수천개에 달할 수도 있다. 일단 하나의 후발생 이미지의 데이터가 컴퓨터 130에 입력되면, 프로그램은 이를 분석하여 2진 코드부호를 명확히 정의하고, 동시에 대응하는 후발생 이미지를, 바람직하게는 실시간에, 컴퓨터 모니터 또는 다른 표시장치에 나타낸다(바람직하게는, 원활한 비교를 위하여, 참조 이미지와 후발생 이미지를 하나의 모니터 또는 표시장치에서 보여준다). 분석단계를 거쳐 컴퓨터 130은 분석된 후발생 이미지 데이터를 현재의 후발생 이미지로서 저장한다.

변형분석(strain analysis)은 이미지 획득단계 이후에 이루어지며, 한 개의 후발생 이미지가 획득될 때마다 수행된다. 변형분석단계에서 컴퓨터 130은 시간과 부하의 변화의 함수로서 2진 코드부호의 변화에 근거하여, 저장된 참조 이미지 데이터와 후발생 이미지 데이터로부터 변형을 계산해 낸다. 따라서, 각 후발생 이미지를 획득할 때마다 새로운 변형계산이 수행된다. 변형계산은 표시될 수 있으며, 알거나 알지 못하는 기계적 특성을 가진 재료의 노후손상이나 변형 이력에 대한 정보를 제공하거나, 부품 수명의 관리를 도모하기 위해 사용될 수 있다.

데이터 로깅단계(data logging)는 각 변형분석단계의 반복(iteration) 에 이어 수행된다. 데이터 로깅단계에서, 프로그램은 현재의 결과를 획득하여 한개의 로그파일에 저장된다.

도 6A 및 도 6B의 흐름도는 단지 설명을 위한 것이며, 결과에 영향을 미치지 않고 알고리즘이 변화될 수 있다는 것은 당업계의 숙련된 자라면 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 참조 이미지 및 후발생 이미지의 표시는 차례대로 또는 거의 동시에 이미지 분석과 함께 수행될 수 있으며, 참조 이미지와 후발생 이미지의 획득 및 표시는 외부 요인에 의해서 촉발되며, 이미지들은 외부 요인이 있을 때 기록되고, 추후의 처리를 위해 저장될 수 있다.

부호를 이용한 변형의 측정을 위하여, 센서가 부호의 기하학의 개별적 또는 유사한 표시(representation)를 수집하기 위해 사용된다. 센서의 데이터는 두개 또는 그 이상의 변성상태에서 부호의 변성분석을 수행하기 위해 사용된다. 이러한 분석은 기하학적 변성을 수학적으로 설명하고, 그 결과는 변형을 계산하기 위해 사용된다.

본 발명은 본 명세서에 기술된 유저 인터페이스 또는 유저 인터페이스의 순서에 제한되지 않는 것으로 이해될 것이다. 또한, 여러가지 종류와 형태의 유저 인터페이스가 본 발명에 제한되지 않고 사용될 수 있을 것이다.

이상의 교시를 통하여, 당업계의 숙련된 자라면, 본 발명의 상술한 실시태양의 변형과 변화가 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구범위 및 그의 균등물의 범주내에서, 본 발명은 특별히 기술된 것이외에도 실시가 가능하다는 것은 이해될 수 있을 것이다.

Claims (18)

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5. 삭제
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7. 다음을 포함하는 비선형 변형 측정계(non-linear strain guage):

   (i) 변형(strain) 또는 노후손상(fatigue damage)을 측정하려는 대상물과 연관되고, 탐지가능한 물리적 량(physical quantity)을 방출하며, 비선형 변형측정을 위한 다음을 포함하는 사각의 2진 코드부호를 포함하는 표적(target):

   연속되는 경계;

   상기 경계의 인접하는 면을 따라 위치하며, 각각이 2진 데이터의 하나의 비트를 나타내는 다수의 데이터 셀을 포함하는 1차, 2차 데이터 영역;

   상기 1차, 2차 데이터 영역으로부터의 경계에 인접하는 면을 따라, 및 상기 경계와 마주보는 반대편 측면에 각각 위치하며, 각각이 교호 형태의 다수의 유틸리티 셀을 포함하는 1차, 2차 유틸리티 영역;

   상기 사각의 서로 마주보는 반대편 코너에 위치하는 1차, 2차 파인더 셀; 및,

   상기 1차, 2차 데이터 영역, 1차, 2차 유틸리티 영역, 및 1차, 2차 파인더 셀을 그들의 배경으로부터 구분해주는 내부 및 외부 비판독 영역;

   (ii) 표적으로부터 방출되는 탐지가능한 물리적 량(physical quantity) 및 상기 물리적 량을 나타내는 출력 데이터를 사전처리하며, 상기 탐지가능한 물리적 량과 양립하는(compatible) 센서(sensor) 수단;

   (iii) 2진 코드부호를 정의하는 센서수단에 의해 상기 출력 데이터를 분석하기 위한 수단; 및,

   (iv) 대상물에서의 변형을 사전처리하고 분석된 데이터를 기초로 직접적으로 측정하는 수단.
8. 제 7항에 있어서,

   변형측정을 이용하여 알려지거나 알려지지 않은 기계적인 특성을 가진 물질들의 노후손상(fatigue damage) 및 변형 이력(strain hysteresis)에 대한 정보를 제공하는 변형측정을 이용하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는

   비선형 변형 측정계.
9. 제 7항에 있어서,

   부품 수명의 관리를 도모하기 위하여 상기 변형측정을 사용하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는

   비선형 변형 측정계.
10. 제 7항에 있어서,

    수집된 손상 축적 데이터에 기초하여 상기 변형측정을 사용하기 위한 수단을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는

    비선형 변형 측정계.
11. 제 7항에 있어서,

    2진 코드부호는 제조에 의해 연역적으로(a priori) 정의되는 것을 특징으로 하는

    비선형 변형 측정계.
12. 제 7항에 있어서,

    표적은 2진 부호코드를 정의하는 사전에 존재하는 패턴으로 확인되는 것을 특징으로 하는

    비선형 변형 측정계.
13. (i) 다음을 포함하고 물리적 량을 방출하는 2진 코드부호의 변성 및 부하가 가해진 대상물에서의 변형이 일대일 상호관계를 가지는 방식으로 대상물과 연관시키는 단계:

    연속되는 경계;

    상기 경계의 인접하는 면을 따라 위치하며, 각각이 2진 데이터의 하나의 비트를 나타내는 다수의 데이터 셀을 포함하는 1차, 2차 데이터 영역;

    상기 1차, 2차 데이터 영역으로부터의 경계에 인접하는 면을 따라, 및 상기 경계와 마주보는 반대편 측면에 각각 위치하며, 각각이 교호 형태의 다수의 유틸리티 셀을 포함하는 1차, 2차 유틸리티 영역;

    상기 경계의 서로 마주보는 반대편 코너에 위치하는 1차, 2차 파인더 셀; 및,

    상기 1차, 2차 데이터 영역, 1차, 2차 유틸리티 영역, 및 1차, 2차 파인더 셀을 그들의 배경으로부터 구분해주는 내부 및 외부 비판독 영역;

    (ii) 상기 2진 코드부호의 변화를 대상물에 가해지는 시간 및 부하의 변화에 대한 함수로서 확인하는 단계; 및,

    (iii) 상기 2진 코드부호의 변화를 직접적인 변형측정으로 번역하는 단계를포함하는,

    대상물의 변형을 직접적으로 측정하기 위한 방법.
14. 제 13항에 있어서,

    2진 코드부호는 제조에 의해 연역적으로 정의되고, 연관시키는 단계는 2진코드부호를 대상물에 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는

    대상물의 변형을 직접적으로 측정하기 위한 방법.
15. 제 13항에 있어서,

    연관시키는 단계는 2진 코드부호를 연역적으로 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는

    대상물의 변형을 직접적으로 측정하기 위한 방법.
16. 제 13항에 있어서,

    변형측정을 이용하여 알려지거나 알려지지 않은 기계적인 특성을 가진 물질들의 노후손상 및 변형 이력에 대한 정보를 제공하는 변형측정을 이용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는

    대상물의 변형을 직접적으로 측정하기 위한 방법.
17. 제 13항에 있어서,

    부품 수명의 관리를 도모하기 위하여 변형측정을 이용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는

    대상물의 변형을 직접적으로 측정하기 위한 방법.
18. 제 13항에 있어서,

    수집된 손상 축적 데이터에 기초한 변형측정을 이용하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는

    대상물의 변형을 직접적으로 측정하기 위한 방법.

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