KR101144011B1 - 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치 - Google Patents

초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치 Download PDF

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Abstract

초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치가 개시된다. 변형률 산출 장치는, 미리 정해진 인장 하중을 시험체에 가하는 하중부와, 미리 정해진 하중 하에서 시험체 내부에서 전파되는 초음파 속도를 측정하는 초음파 속도 측정부 및 초음파 속도 및 대응되는 변형률 데이터를 연계하여 저장하고, 특정 초음파 속도에 대한 변형률 조회에 응답하여 조회된 변형률을 제공하는 데이터베이스를 포함한다. 따라서검사자가 일일이 검출된 신호를 해석하지 아니하고도 측정되는 초음파 속도로부터 변형률을 즉시 제공할 수 있고, 검사자의 검사 경험에 무관하게 신뢰성 높고 안정적인 변형률 측정치를 제공할 수 있으며, 압력용기에 수압을 가하거나 판재에 하중을 가하여 초음파 속도를 측정함으로써 재료의 표면을 손상시키지 아니하고 실시간으로 변형률을 측정할 수 있어서 운용상 장점이 있다.

Description

초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치{APPRATUS FOR STRAIN MEASUREMENT USING ULTRASONIC WAVE SPEED}
본 발명은 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 재료의 변형률 산출 장치에 관한 것이다.
물통을 두드려 물통 속의 물의 양을 알아내거나 기차의 바퀴를 쇠망치로 두드려 보아 차륜의 이상 여부를 알아내는 음향검사방법은 오늘날까지도 사용되고 있는 가장 오래된 비파괴 검사방법 중의 하나이다. 음파의 일종인 초음파를 이용한 검사방법은 신호처리에 필요한 만큼의 초음파 에너지를 물체에 송신시켜 물체 내에서 반사되어 오는 반사에너지를 이용하여 물질의 물성을 점검하는 방법으로서 결함 탐상, 두께 측정, 탄성율 측정 및 금속 특성분석 등이 있다.
초음파 비파괴 검사방법은 재료 내부결함의 검출에 주로 이용되며 재료에 초음파를 전달하여 내부에 존재하는 불연속으로부터 반사한 초음파의 에너지량, 초음파 진행 시간 등을 표시, 분석하여 불연속의 위치 및 크기를 알아내는 검사방법이다. 압력용기, 구조물 등의 검사에 많이 이용되며 국내에서는 통상적으로 방사선 투과 검사방법이 곤란한 경우에 적용하나 건축/토목 구조물의 강용접부의 검사에는 방사선 투과 검사방법보다 많이 적용되고 있다.
재료의 특징 또는 내부결함을 검출하기 위하여 종래의 초음파 비파괴 검사방법은 검사자가 화면에 표시된 신호의 위치 및 크기를 해석하여야 하므로 검출 속도가 느리고, 검출 결과의 신뢰도가 상당 부분 검사자의 검출 경험에 의존하는 한계가 있다.
따라서 본 발명의 목적은 재료의 변형률 및 내부결함에 대한 신뢰성 있는 검출 결과를 신속히 제공할 수 있는 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치는, 미리 정해진 인장 하중을 시험체에 가하는 하중부와, 상기 미리 정해진 인장 하중 하에서 상기 시험체 내부에서 전파되는 초음파 속도를 측정하는 초음파 속도 측정부 및 상기 초음파 속도 및 대응되는 변형률 데이터를 연계하여 저장하고, 특정 초음파 속도에 대한 변형률 조회에 응답하여 조회된 변형률을 제공하는 데이터베이스를 포함한다.
상기 변형률 산출 장치는, 상기 초음파 속도에 대응되는 상기 시험체의 변형률 데이터를 수집하는 변형률 데이터 수집부를 더 포함할 수 있다.
상기 변형률 데이터 수집부는 변형률계를 포함할 수 있다.
상기 초음파는 램파일 수 있다.
상기 초음파 속도 측정부는, 상기 시험체의 제1 지점에서 초음파를 발신하는 초음파 발진부 및 발신된 상기 초음파를 상기 시험체의 제2 지점에서 수신하는 초음파 수신부를 포함할 수 있다.
상기 변형률 산출 장치는, 상기 초음파 발진부가 상기 초음파를 발신한 시각을 측정하는 트리거 감지부를 더 포함할 수 있다.
상기 초음파 수신부는, 발신된 상기 초음파를 상기 시험체의 상기 제2 지점에서 수신하는 제1 초음파 수신센서 및 발신된 상기 초음파를 상기 시험체의 제3 지점에서 수신하는 제2 초음파 수신센서를 포함할 수 있다.
상기 초음파 속도 측정부는, 상기 제1 초음파 수신센서가 수신한 초음파 수신 시각, 상기 제2 초음파 수신센서가 수신한 초음파 수신 시각 및 상기 제1 초음파 수신센서와 상기 제2 초음파 수신센서간의 거리에 기초하여 상기 초음파 속도를 측정할 수 있다.
상기 변형률 산출 장치는, 상기 시험체의 변형에 대하여 상기 제1 초음파 수신센서와 상기 제2 초음파 수신센서간의 거리를 일정하게 유지시키는 거리유지수단을 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치에 따르면, 하중이 가해진 시험체에서 전파되는 초음파 속도와 변형률간의 상관관계를 데이터베이스화함으로써, 검사자가 일일이 검출된 신호를 해석하지 아니하고도 측정되는 초음파 속도로부터 변형률을 즉시 제공할 수 있고, 검사자의 검사 경험에 무관하게 신뢰성 높고 안정적인 변형률 측정치를 제공할 수 있다.
그리고 압력용기에 수압을 가하거나 판재에 하중을 가하여 초음파 속도를 측정함으로써 재료의 표면을 손상시키지 아니하고 실시간으로 변형률을 측정할 수 있어서 운용상 장점이 있다.
또한 시험체에 하중이 가해져 변형이 되면 초음파 속도가 증가하는 현상에 기초하여, 변형률을 산출할 수 있을 뿐만 아니라, 변형률에 연관된 파괴거동의 측정 및 분석, 구조물의 건전성 평가에도 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치를 설명하는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치에서 측정된 일방향 복합재료의 초음파 속도와 변형률의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재되지 아니한 적어도 하나의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
본 발명은 시험체에 하중이 가해지는 상태에서 초음파 발진부로부터 발신된 초음파가 초음파 수신부에 도달하는 속도를 측정하고, 이를 미리 측정된 초음파 속도와 변형률 간의 상관관계 데이터베이스에 조회하여 대응되는 변형률을 산출하는 장치이다.
본 발명에 있어서 하중은 특정한 형태의 하중에 한정되지 아니하고 정하중, 동하중, 고정하중, 적재하중 등 가능한 모든 형태의 하중이 될 수 있다. 이하에서는 정하중 중 인장하중이 가해지는 것으로 가정하고 설명한다.
본 발명에 있어서 초음파(ultrasonic wave)는 시험체의 내부에서 전파될 수 있는 가능한 모든 형태의 초음파를 의미하며, 예를 들어, 유도 초음파(ultrasonic guided wave), 램파(Lamb wave), 표면파(surface wave) 등일 수 있다. 본 발명에 있어서 표면파가 이용되는 경우 표면파의 발진 방향과 시험체의 일면이 이루는 각도를 조정하며 표면파 속도를 측정할 수 있다. 이하에서는 램파가 이용되는 것으로 가정하고 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치를 설명하는 예시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치(100)는 하중부(110a, 110b), 초음파 속도 측정부(120) 및 데이터베이스(150)를 포함한다. 변형률 산출 장치(100)는 변형률 데이터 수집부(130)를 더 포함할 수 있다.
하중부(110a, 110b)는 시험체(200)에 인장 하중을 가한다. 이를 위하여 하중부(110a, 110b)는 시험체(200)를 자신에 고정시키기 위한 고정수단(미도시) 내지 체결수단(미도시)을 포함할 수 있다.
초음파 발진부(121)는 시험체(200)에 초음파를 발신한다. 초음파 발진부(121)의 발신은 검사자의 수동 조작에 의하거나 후술할 초음파 속도 계산부(125) 또는 트리거 감지부(140)의 제어 명령에 의해 개시될 수 있다.
초음파 발진부(121)와 후술할 초음파 수신부(123a, 123b)는 시험체(200)와 접촉하거나 이격되어 설치될 수 있고, 통상적으로는 시험체(200)와 접촉한 상태로 설치된다. 초음파 수신부(123a, 123b)는 초음파 발진부(121)가 발신한 초음파가 시험체(200) 내부를 통과하여 전파되면 이를 수신한다.
예를 들어, 초음파 발진부(121)가 발신하고 제1 초음파 수신센서(123a)가 수신한 경과 시간과, 초음파 발진부(121)와 제1 초음파 수신센서(123a)간의 거리로부터 시험체(200) 내의 초음파 속도를 계산할 수 있다. 즉, 초음파 발진부(121)와, 제1 초음파 수신센서(123a)와 제2 초음파 수신센서(123b) 중 어느 하나의 수신센서만 사용하여 초음파 속도를 측정하여 변형률 측정 시험의 편리성을 향상시킬 수 있다.
또는 발신된 초음파를 제1 초음파 수신센서(123a)가 수신한 후 제2 초음파 수신센서(123b)가 수신하기까지의 경과 시간과, 제1 초음파 수신센서(123a)와 제2 초음파 수신센서(123b)간의 거리로부터 시험체(200) 내의 초음파 속도를 계산할 수 있다.
하중부(110a, 110b)가 가하는 인장하중에 의하여 시험체(200)에 변형이 일어나게 되는데, 이 경우 시험체(200)에 접촉된 초음파 발진부(121), 제1 초음파 수신센서(123a) 및 제2 초음파 수신센서(123b)간의 상대적인 위치가 변경되어 서로간의 거리가 달라질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치는, 시험체의 변형에도 불구하고 초음파 발진부(121), 제1 초음파 수신센서(123a) 및 제2 초음파 수신센서(123b) 중 적어도 둘 간의 거리를 일정하게 유지시키는 거리유지수단(127)을 더 포함할 수 있다. 거리유지수단(127)은 상기 구성요소들 간의 거리가 변경되지 않도록 하기 위해 고정수단 또는 체결수단 등을 포함할 수 있다. 거리유지수단(127)은 초음파 속도의 측정에 있어서 일관성을 주는 것으로, 이로부터 제1 초음파 수신센서(123a)와 제2 초음파 수신센서(123b) 간의 거리를 상수로 결정할 수 있다.
초음파 속도 계산부(125)는 초음파 발진부(121) 및 초음파 수신부(123a, 123b)로부터 제공되는 초음파 발진/수신 여부에 대한 정보, 초음파 발진/수신 시간에 대한 정보 등에 기초하여 시험체(200) 내부에서의 초음파 속도를 계산한다. 초음파 발진부(121) 및 초음파 수신부(123a, 123b) 서로 간의 거리에 대한 정보는 초음파 속도 계산부(125)에 미리 알려지거나 상수로서 제공될 수 있다.
변형률 데이터 수집부(130)는 초음파 속도에 대응되는 시험체(200)의 변형률 데이터를 수집한다. 변형률 데이터 수집부(130)는 시험체(200)의 적어도 일부에서의 변형률을 측정하기 위하여 변형률계 또는 스트레인 게이지(strain gauge) 등을 포함할 수 있다. 변형률 데이터 수집부(130)가 수집한 변형률 데이터는 즉시 데이터베이스(150)에 저장되거나 원시 데이터(raw data) 형태의 변형률 데이터를 가공하여 일정한 포맷을 갖춘 데이터로 변환하는 PC 등의 별도 처리장치(미도시)를 거쳐서 데이터베이스(150)에 전달될 수 있다. 도 1에서는 초음파 속도 계산부(125)가 상술한 별도 처리장치의 역할을 수행하는 예가 도시되어 있다.
변형률 데이터 수집부(130)는 초음파 속도와 변형률 간의 상관관계 데이터베이스(150)를 구축하는 과정에서 동작하며, 일단 데이터베이스(150)의 구축이 완료된 이후에는 그 동작이 필수사항이 아니다. 다만, 데이터베이스(150)의 갱신이 필요한 경우에는 다시 동작하여야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치는 트리거 감지부(140)를 더 포함할 수 있다. 트리거 감지부(140)는 초음파 발진부(121)가 초음파를 발신한 시각을 측정한다. 트리거 감지부(140)는 측정된 시각 정보를 초음파 속도 계산부(125)에 제공할 수 있다.
트리거 감지부(140)는 초음파 발진부(121)에 초음파를 발신하도록 제어 명령을 보내거나, 초음파 속도 계산부(125)의 제어 명령에 따라 초음파 발진부(121)에 초음파를 발신하도록 다시 제어 명령을 보낼 수 있다.
데이터베이스(150)는 초음파 속도 계산부(125) 및 변형률 데이터 수집부(130)가 제공하는 초음파 속도 및 대응되는 변형률 데이터를 연계하여 저장하고, 이후 초음파 속도 계산부(125)로부터 특정 초음파 속도가 제공되면 대응되는 변형률을 조회하여, 조회된 변형률을 제공한다. 데이터베이스(150)는 변형률 데이터 수집부(130)만이 아니라 이전에 이미 구축된 별도의 변형률 자료로부터도 상기 변형률 데이터를 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치(100)는 하중부(110, 110a, 110b), 초음파 속도 측정부(120) 및 데이터베이스(150)를 포함한다. 변형률 산출 장치(100)는 변형률 데이터 수집부(130)를 더 포함할 수 있다.
초음파 속도 측정부(120)는 시험체 내부에서 전파되는 초음파 속도를 측정한다. 초음파 속도 측정부(120)는 초음파 발진부(121) 및 초음파 수신부(123a, 123b)를 포함하고, 아울러 초음파 속도 계산부(125)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하중부(110, 110a, 110b), 초음파 발진부(121), 초음파 수신부(123a, 123b), 초음파 속도 계산부(125), 변형률 데이터 수집부(130) 및 데이터베이스(150)에 대하여는 도 1를 참조하여 설명한 바와 동일하게 이해될 수 있으므로 이하 설명을 생략한다.
도 2(a)를 참조하면, 예를 들어, 판재, 곡면재, 원통형재 등의 재료 또는 시험체에 하중이 가해지지 않은 상태에서 초음파 속도를 측정하여 이 때의 변형율을 0으로 결정한다. 그리고 하중을 증가시키면서 변화하는 초음파 속도 값과 변형률 값을 데이터베이스에 저장한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도를 이용한 변형률 산출 장치에서 측정된 일방향 복합재료의 초음파 속도와 변형률의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2(b)를 참조하면, 재료 또는 시험체에 하중을 가한 상태에서 초음파를 발신 및 수신하고 시험체 내부에서 전파되는 초음파 속도를 측정하여 이를 데이터베이스에 조회하면, 실시간으로 상관관계에 있는 변형률을 산출할 수 있다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110, 110a, 110b: 하중부 120: 초음파 속도 측정부
121: 초음파 발진부 123a, 123b: 초음파 수신부
125: 초음파 속도 계산부 127: 거리유지수단
130: 변형률 데이터 수집부 140: 트리거 감지부
150: 데이터베이스

Claims (9)

  1. 미리 정해진 인장 하중을 시험체에 가하는 하중부;
    상기 미리 정해진 인장 하중 하에서 상기 시험체 내부에서 전파되는 초음파
    속도를 측정하는 초음파 속도 측정부; 및
    상기 초음파 속도 및 대응되는 변형률 데이터를 연계하여 저장하고, 특정 초
    음파 속도에 대한 변형률 조회에 응답하여 조회된 변형률을 제공하는 데이터베이스
    를 포함하되,
    상기 초음파 속도 측정부는,
    상기 시험체의 제1 지점에서 초음파를 발신하는 초음파 발진부;
    발신된 상기 초음파를 상기 시험체의 제2 지점에서 수신하는 제1 초음
    파 수신센서; 및
    발신된 상기 초음파를 상기 시험체의 제3 지점에서 수신하는 제2 초음파 수
    신센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 산출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 속도에 대응되는 상기 시험체의 변형률 데이터를 수집하는 변형률 데이터 수집부를 더 포함하는 변형률 산출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변형률 데이터 수집부는 변형률계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 산출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초음파는 램파인 것을 특징으로 하는 변형률 산출 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 속도 측정부는, 상기 제1 초음파 수신센서가 수신한 초음파 수신 시각, 상기 제2 초음파 수신센서가 수신한 초음파 수신 시각 및 상기 제1 초음파 수신센서와 상기 제2 초음파 수신센서간의 거리에 기초하여 상기 초음파 속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 변형률 산출 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 시험체의 변형에 대하여 상기 제1 초음파 수신센서와 상기 제2 초음파 수신센서간의 거리를 일정하게 유지시키는 거리유지수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 산출 장치.
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