KR101205773B1 - 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서를 개시한다. 본 발명은 구조에 일정한 거리를 두고 설치되는 송수신용 압전소자와, 상기 송수신용 압전소자를 연결하는 섬유와, 상기 송신용 압전소자에 설계된 전압신호를 인가하여 초음파를 발생시키는 초음파 송신부와, 상기 수신용 압전소자에서 검출된 전압신호의 변화의 형태인 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부와, 수신된 초음파 신호에서 변형률 정보를 처리하는 변형률모니터링부와, 수신된 초음파 신호에서 손상 정보를 처리하는 손상모니터링부를 포함한다.

Description

변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서 {Simultaneous active strain and damage sensing fiber acoustic wave piezoelectric transducer}

본 발명은 압전 트랜스듀서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서에 관한 것이다.

본 발명에서 변형률 모니터링 기술 부분에서 사용되는 섬유초음파는 전파거리에 대한 낮은 진폭감소율로 먼거리까지 전파할 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 도 1 의 한 쌍의 압전 트랜스듀서(1,2)를 기반으로 섬유초음파를 송수신하면서 섬유(3)에 외부물질의 접촉에 의한 초음파 누설을 이용하는 압전 트랜스듀서(10)가 고안된 바 있다. 이 경우 섬유초음파를 이용하지만 구조 변형률 및 손상 모니터링과 같은 일체형 구조건전성모니터링 기능을 전혀 가지고 있지 못했다.

도 2 를 참조하여 단일 압전 트랜스듀서에 단수 혹은 복수의 섬유를 연결하여 압전 트랜스듀서로 직접 송수신을 수행하지 않고 섬유를 거쳐 초음파를 송수신하였다. 섬유의 작은 직경과 유연도 때문에 삽입설치에 유용하며, 방향성, 공간해상도등이 우수하였다.

본 발명은 또한 변형률과 손상을 동시에 모니터링하는 기술을 다루는데, 구조건전성모니터링의 많은 연구들에서, 복수의 물리량을 측정할 수 있는 다기능 센싱 기술 개발은 주로 스마트 광섬유 재료를 사용하여 시도되었다. 예를 들어 광섬유 패브리-페롯(Fabry-Perot) 센서 혹은 광섬유브래그격자(fiber Bragg grating)를 사용한 변형률 및 음향방출 동시 모니터링이 연구되었고 광섬유브래그격자를 변형률 및 능동 초음파 센싱의 복수의 기능을 위해 사용될 수 있도록 하였다. 그러나 상기 측정 방식은 측정물리량에 대해 별도의 시스템이 필요하였다. 다시 말해, 두 가지 물리량을 측정을 위해 다른 두 시스템이 결합되어야 했다.

그 외 다른 연구들은 압력, 변형률, 온도를 동시에 계측하는 연구들이였다. 광섬유 센서와 달리 압전 트랜스듀서(1,2)를 사용한 동시 측정기술은 아직 보고된 바 없으며 구조 일체형 센서/가진기를 이용한 손상 모니터링은 도 3 의 기본 구성을 다영역화하여 실시하고 있으며, 다기능성 연구는 손상감지와 진동제어의 두 가지 기능을 수행하는 연구에 집중되었다.

정리하면, 구조일체형 센서를 이용한 복수의 물리량의 동시 측정 혹은 선택적 측정기술은 주로 광섬유 센서를 통해 이루어져 왔으며 단일 센싱 시스템으로 복수의 기능을 수행하는 기술은 없었다. 특히 압전 트랜스듀서를 이용한 복수의 물리량 모니터링은 전무하다. 종래의 기술들이 구조일체형 압전 트랜스듀서를 이용하여 손상감지, 평가, 가시화만을 수행하는 데 제안되어 구조건전성모니터링에 중요한 물리량인 변형률을 동시에 계측할 수 없었던 것이 현실이다.

본 발명의 실시예들은, 구조 표면에 일체형으로 설치되는 압전 트랜스듀서의 초음파 송수신 기반 손상감지, 평가, 가시화등의 기존 기능을 유지하되 손상 모니터링을 위해 사용되는 동일한 시스템에 섬유만을 압전 트랜스듀서 사이에 추가 설치하여, 손상감지를 위해 송수신하는 초음파패스와 함께, 섬유를 통한 초음파 송수신을 병렬적으로 수행하여 변형률 모니터링 및 손상 모니터링을 동시에 수행할 수 있도록 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면은, 구조에 일정한 거리를 두고 설치되는 송수신용 압전소자와, 상기 송수신용 압전소자를 연결하는 섬유와, 상기 송신용 압전소자에 설계된 전압신호를 인가하여 초음파를 발생시키는 초음파 송신부와, 상기 수신용 압전소자에서 검출된 전압신호의 변화의 형태인 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부와, 수신된 초음파 신호에서 변형률 정보를 처리하는 변형률모니터링부와, 수신된 초음파 신호에서 손상 정보를 처리하는 손상모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서를 제공할 수 있다.

또한, 상기 송수신용 압전소자는, 단일결정 혹은 세라믹 계열의 압전재료를 기반으로 하며 온도요구조건에 따라 고온용 압전소자를 선택하며 전극은 구조에 접착되는 면 이외의 곳에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 섬유는, 직경이 2mm 이하인 탄성재료이며 전변형률(prestrain)의 적용이 가능한 단일 재료 혹은 초음파의 도착시간을 조절하고 내구성을 향상시키기 위해 이종 재료를 이용해 다수의 층으로 구성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 변형률모니터링부는, 섬유초음파의 직접파, 1차 에코파 및 고차 에코파의 도착시간 및 진폭의 변화를 나노초 영역에서 분석 가능한 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 손상모니터링부는, 기 측정된 초음파와 현재 측정된 초음파의 파형을 비교 분석하여 손상 감지, 평가, 가시화를 수행하는 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 송수신용 압전소자는 복수개를 포함하고, 상기 복수개의 송수신용 압전소자는, 구조 내 공간적으로 다영역 변형률 및 손상을 동시에 모니터링하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 섬유를 활용하여 섬유초음파만을 이용하는 신축계로 활용 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 섬유는 표준광섬유, 금속코팅광섬유, 플라스틱광섬유, 폴리이미드코팅광섬유, 금속와이어 및 플라스틱와이어 중 적어도 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 기존의 구조일체형 압전소자를 기반으로 한 손상 모니터링 기술이 여전히 유효하면서도 게이지길이의 조절이 자유로운 변형률 센서 혹은 신축계(Extensometer)를 동일 초음파 송수신 시스템을 활용하여 구현이 가능하다. 특히 실리카 섬유 혹은 금속 섬유에서는 섬유파의 분산률이 매우 낮기 때문에 수십미터를 전파하더라도 충분한 신호대잡음비를 제공할 수 있어 극단적으로 긴 변형률 센서를 제작할 수 있는 효과가 있다. 강성이 낮은 플라스틱계열의 섬유나 소직경 광섬유등은 선변형률을 가하기 쉽기 때문에 압축변형률 계측에 유용하게 활용할 수 있다. 변형률 계측을 위해 추가되는 섬유는 단가가 매우 낮기 때문에 매우 경제적인 변형률모니터링 도구가 된다.

도 1 은 종래의 섬유초음파가이드 구성과 일반적인 초음파 송수신 장치 구성을 도시한 도면.
도 2 은 종래의 송신 혹은 수신용 섬유초음파 트랜스듀서를 도시한 도면.
도 3 은 종래의 구조일체형 압전 트랜스듀서를 이용한 손상 모니터링 구성을 도시한 도면.
도 4 는 본 발명에 따른 압전 트랜스듀서와 섬유를 이용한 손상 및 변형률 동시 모니터링 구성을 나타낸 도면.
도 5 는 본 발명에 따른 다영역 변형률 및 손상 모니터링 선형 구성 및 분포형 구성을 나타낸 도면.
도 6 은 본 발명에 따른 압전소자 하면이외의 면에 접착설치된 섬유의 구성을 나타낸 도면.
도 7 은 본 발명에 따른 압전소자에 섬유만을 연결한 경우 획득된 섬유초음파를 나타낸 그래프.
도 8 은 본 발명에 따른 압전소자를 구조에만 설치한 경우 획득된 램파를 나타낸 그래프.
도 9 은 본 발명에 따른 구조에 설치된 압전소자들 사이를 섬유로 연결한 경우 획득된 초음파를 나타낸 그래프.
도 10 은 본 발명에 따른 섬유초음파의 첫번째 에코파의 변형률에 의한 파형 변화 예를 나타낸 그래프.
도 11 은 본 발명에 따른 변형률 변화에 대한 섬유초음파의 도착시간의 변화를 나타낸 그래프.
도 12 은 본 발명에 따른 손상 발생에 대한 구조유도초음파의 파형 변화를 나타낸 그래프.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.

도 4 는 본 발명에 따른 변형률 및 손상 동시 모니터링을 위한 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서(100)의 기본 구성도이다.

도 4 를 참고하면, 변형률 및 손상 동시 모니터링을 위한 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서(100, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 섬유파 압전 트랜스듀서라 함.)는 구조(S)의 표면에 배치되는 송수신용 압전소자(110)를 포함한다. 이때, 송수신용 압전소자(110)는 구조(S)의 표면에 안착하여 접착하여 고정될 수 있다.

송수신용 압전소자(110)는 초음파를 외부로 방출하는 송신용 압전소자(112신용 압전소자(112) 및 수신용 압전소자(111)는 구조(S)의 표면에 서로 대향하도록 )와, 발생된 초음파를 수신하는 수신용 압전소자(111)를 포함할 수 있다. 이때, 송 배치될 수 있다. 또한, 송수신용 압전소자(110)는 단일결정 혹은 세라믹 계열의 압전재료를 기반으로 하며 온도요구조건에 따라 고온용 압전소자를 선택할 수 있다.

한편, 송신용 압전소자(112) 및 수신용 압전소자(111)에는 전극(비도시)이 형성될 수 있다. 이때, 전극은 외부와 전기적으로 연결되어 송신용 압전소자(112) 및 수신용 압전소자(111)에 전기를 공급할 수 있다. 또한, 전극은 송수신용 압전소자(110)의 상면 또는 측면과 같이 송수신용 압전소자(110)가 구조(S)와 접촉하는 면 이외의 면에 설치될 수 있다.

섬유파 압전 트랜스듀서(100)는 송신용 압전소자(112)에 설계된 전압신호를 인가하여 초음파를 발생시키는 초음파 송신부(132)를 포함한다. 또한, 섬유파 압전 트랜스듀서(100)는 수신용 압전소자(111)에서 검출된 전압신호의 변화의 형태인 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부(131)를 포함한다.

또한, 섬유파 압전 트랜스듀서(100)는 수신된 초음파 신호에서 변형률 정보를 처리하는 변형률모니터링부(150)를 포함한다. 섬유파 압전 트랜스듀서(100)는 수신된 초음파 신호에서 손상 정보를 처리하는 손상모니터링부(140)를 포함한다. 이때, 손상모니터링부(140)는기 측정된 초음파와 현재 측정된 초음파의 파형을 비교 분석하여 손상 감지, 평가, 가시화를 수행하는 알고리즘을 포함할 수 있다.

한편, 초음파 송신부(132)에서 인가된 전압신호는 송신용 압전소자(112)를 통하여 구조(S) 및 섬유(120)를 통하여 전파되고, 수신용 압전소자(111)로 전달될 수 있다. 수신용 압전소자(111)에 전달된 초음파는 변형률모니터링부(150)와 손상모니터링부(140)에서 각각 변형률 정보와 손상 정보를 처리하여 외부로 표시할 수 있다.

일반적인 도 3 의 구성과 유사하나 섬유(120)가 송신용 압전소자(112) 및 수신용 압전소자(111) 사이에 연결 설치된다. 이때, 섬유(120)는 직경이 2mm 이하인 탄성재료이며 전변형률(prestrain)의 적용이 가능한 단일 재료 혹은 초음파의 도착시간을 조절하고 내구성을 향상시키기 위해 이종 재료를 이용해 다수의 층으로 구성할 수 있다.

송신용 압전소자(112)로 동시에 구조유도초음파와 섬유초음파를 발진하고 수신용 압전소자(111)로 감지하게 된다. 설치과정과 관련하여, 송수신용 압전소자(110)의 아래면은 구조 표면에 접착 설치되고 섬유(120)는 송수신용 압전소자(110) 중 하나에 먼저 접착 설치된다.

예를 들어, 섬유(120)를 송신용 압전소자(112)에 접착하고 접착제의 경화가 끝난 후에 섬유(120)는 수신용 압전소자(111)에 일정한 인장을 준 상태에서 접착되고 수신용 압전소자(111)를 초과하는 여분의 섬유(120) 길이는 제거된다.

이때, 섬유(120)의 유연성 때문에 압축에 의해 좌굴이 일어나기 때문에 전변형률(pre-strain)의 양은 이후 측정 가능한 압축 변형률의 크기의 한계를 결정한다. 결국 송수신용 압전소자(110)의 하면은 구조유도초음파의 송수신을 위해 사용되고 섬유(120)가 설치된 송수신용 압전소자(110)의 면들은 섬유초음파의 송수신을 위해 사용된다.

또한, 섬유(120)는 단일 결정 및 세라믹 계열의 압전소자를 기반으로 하며 초음파 송수신용 압전소자(110)를 모니터링 대상 구조면에 설치하고 표준광섬유, 금속코팅광섬유, 플라스틱광섬유, 폴리이미드코팅광섬유, 금속와이어, 플라스틱와이어 등 축방향 변형률을 지탱할 수 있는 것 중에서 하나일 수 있다.

이 기본 구성은 도 6 의 1차원적 연속 구성과 2차원적 분포 구성으로 쉽게 다영역 모니터링 구성으로 확장될 수 있다. 즉, 송수신용 압전소자(110)를 복수개를 구조에 설치하여 복수개의 송수신용 압전소자(110)는 구조(S) 내 공간적으로 다영역 변형률 및 손상을 동시에 모니터링 할 수 있다.

예를 들면, 송신용 압전소자(112)를 구조(S)에 설치하고 수신용 압전소자(111) 복수개를 방사형으로 배치하고 송신용 압전소자(112)와 복수개의 수신용 압전소자(111) 사이를 섬유(120)를 연결함으로써 다영역의 모니터링을 수행할 수 있다.

송수신용 압전소자(110)의 구조표면 설치를 위해, 도 5를 참조하여, 하면 전극의 일부를 상면까지 연장하여 두 전극이 상면에 모이도록 한 후 전선을 설치한다. 섬유(120)의 송수신용 압전소자(110)로의 설치와 관련하여, 하면의 경우 구조 표면 설치를 위해 사용되고 섬유(120)는 송수신용 압전소자(110) 내 다른 여유 면들을 이용해 설치된다.

이때, 구조에 가이드된 초음파는 손상 전후 다른 파형을 보이기 때문에 손상 모니터링에 사용되며 섬유(120)에 가이드된 초음파는 변형률에 따라 다른 초음파 도착시간을 보이기 때문에 변형률 모니터링에 사용된다. 구조 내 가이드된 초음파와 섬유(120) 내 가이드된 초음파의 송수신은 일반적인 임의함수발생기, 송수신 신호 증폭기, 디지타이저(digitizer), 트리거(trigger)등으로 구성된 시스템을 사용한다.

초음파 송신을 위해 송신용 압전소자(112)에 가해지는 것은 복수의 사인파로 구성된 좁은 주파수 대역 혹은 펄스로 구성된 넓은 주파수 대역의 전압신호를 사용한다.

먼저, 송수신용 압전소자(110)의 하면을 구조에 설치하지 않고 섬유초음파만을 송수신하였을 경우 도 7 의 결과를 참조하여 섬유(120)를 측면 설치 및 상면 설치하였을 때 다양한 주파수에서 섬유초음파의 송수신이 성공적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있다.

수신된 신호에서 송신용 압전소자(112)에서 수신용 압전소자(111)까지 직접 전달된 직접파가 먼저 도착하고 송수신용 압전소자(110) 사이의 길이의 세배에 해당하는 위치에 송신용 압전소자(112), 수신용 압전소자(111), 다시 송신용 압전소자(112), 수신용 압전소자(111)로 도착한 첫 번째 에코파(echo wave)가 관찰된다.

같은 방법으로 두 번째 이상의 에코파들도 획득할 수 있다. 이때, 변형률모니터링부(150)는 섬유초음파의 직접파, 1차 에코파 및 고차 에코파의 도착시간 및 진폭의 변화를 나노초 영역에서 분석 가능한 알고리즘을 포함하여 섬유초음파의 상기 내용을 분석하거나 계측할 수 있다.

다음으로, 섬유(120)를 설치하지 않고 송수신용 압전소자(110)를 구조(S)에 설치했을 때, 주파수와 구조(S)의 두께에 의해 결정되는 단수 혹은 복수의 초음파모드를 관찰할 수 있게 된다.

도 8 을 참조하여 1 mm 두께의 알루미늄 평판에 330 kHz로 가진하였을 경우 빠른 전파속도를 가진 램파의 영차 대칭모드(zeroth order symmetrical mode, S0)가 먼저 도착하고 느린속도를 가진 램파의 영차 비대칭모드(zeroth order asymmetrical mode, A0)가 나중에 도착하게 된다. 두꺼운 재료 혹은 고주파를 사용할 경우 표면파를 이용할 수 있다. 상기 사용된 송수신용 압전소자(110)를 섬유(120)로 연결했을 때 램파의 두 모드뿐만 아니라 섬유초음파를 한 신호에서 동시에 관찰할 수 있게 된다.

도 9 를 참조하여 폴리이미드(polyimide) 코팅 광섬유를 이용하여 송수신용 압전소자(110)를 연결시켰을 경우 램파의 영차 대칭모드와 섬유초음파의 직접파가 중첩되지만 섬유초음파의 첫 번째 에코파는 램파의 영차 비대칭모드와 독립적으로 모니터링될 수 있다.

구조유도초음파의 모드와 전파속도를 고려하여 램파의 영차 대칭모드, 램파의 비영차 대칭모드, 표면파, 혹은 그들의 고차모드 등의 구조유도초음파 중 손상감지가 가능한 한 모드와 중첩되지 않게 송수신용 압전소자(110) 사이의 간격, 가진주파수, 섬유(120)의 재료, 코팅의 재료, 섬유의 직경 등을 선택하여 섬유초음파의 직접파 혹은 에코파들이 손상 모니터링에 사용될 구조유도파 모드와 중첩되지 않도록 도착하게 한다.

이때, 상기의 결과를 바탕으로 변형률모니터링부(150)와 손상모니터링부(140)는 변형률 및 손상을 동시에 측정할 수 있다.

섬유파 압전 트랜스듀서(100) 구성에서, 섬유(120)는 전변형률이 가해진 상태에서 설치되고 그 상태를 구조의 영의 변형률로 설정한다. 이 후 구조의 변형이 섬유(120)의 변형률의 변화로 나타나게 되고 이로 인해 섬유초음파의 도착시간의 변화를 야기하게 된다.

예를 들어, 135 mm 직경의 폴리이미드코팅광섬유, 250 mm 압전소자 간격, 350 kHz 가진 주파수에서 첫번째 에코파의 최소 피크를 포함하는 하단부를 확대 도시한 도 10 을 참조하여 0.8% 구조변형에 대해 3.46 ms만큼 파형이 앞으로 이동하는 것을 관찰할 수 있다. 이를 다양한 변형률에서 그리고 변형률 증가 및 감소에 대해 도시한 도 11 에서 보는 바와 같이 -0.4%에서 2%의 변형률에도 히스테리시스가 없는 선형거동을 보이는 것을 볼 수 있다.

섬유파단에 의해 변형률 측정 범위가 줄어들지만 50 mm 직경의 폴리이미드코팅광섬유 경우도 충분히 큰 변형률을 계측할 수 있는 것을 볼 수 있다. 압축변형률도 계측이 가능하며 압축변형률의 하한은 전변형률의 양으로 결정된다.

압축변형률 측정 영역을 확대하기 위해서는 소직경 광섬유나 플라스틱광섬유와 같이 전변형률을 적용한 상태에서 설치가 용이한 광섬유를 선택하는 것이 바람직하다.

구조유도파의 상황에 따라 변형률모니터링을 위해 직접파를 선택할 수도 있으며 이 경우 섬유초음파의 전파길이에 비례하여 감소한다. 만약 두 번째 에코파를 선택할 경우 직접파에 비해 약 다섯배의 감도를 기대할 수 있다. 섬유초음파의 도착시간의 변화를 계측하기 위해서 샘플링간격이 작을수록 유리하며 수내지 수십 나노초의 간격으로 파형을 획득하는 것이 바람직하다.

섬유파 압전 트랜스듀서(100) 구성에서, 구조에 손상이 발생하였을 경우 구조유도초음파의 파형의 변화가 발생하게 된다.

도 12 를 참조하여 첫 번째 에코파는 상기 기술된 변형률모니터링에 이용되고 램파의 영차 비대칭모드(A0)는 손상 전후 파형 비교를 통해 손상 모니터링을 위해 사용된다. 섬유초음파의 직접파와 중첩된 램파의 영차 대칭모드(S0)의 경우도 모드전환파를 발생시키기 때문에 손상 모니터링에 유용한 정보로 사용될 수 있다.

따라서 섬유파 압전 트랜스듀서(100)는 기존의 구조일체형 압전소자를 기반으로 한 손상 모니터링 기술이 여전히 유효하면서도 게이지길이의 조절이 자유로운 변형률 센서 혹은 신축계(Extensometer)를 동일 초음파 송수신 시스템을 활용하여 구현이 가능하다.

특히 실리카 섬유 혹은 금속 섬유에서는 섬유파의 분산률이 매우 낮기 때문에 수십미터를 전파하더라도 충분한 신호대잡음비를 제공할 수 있어 극단적으로 긴 변형률 센서를 제작할 수 있는 효과가 있다. 강성이 낮은 플라스틱계열의 섬유나 소직경 광섬유등은 선변형률을 가하기 쉽기 때문에 압축변형률 계측에 유용하게 활용할 수 있다. 변형률 계측을 위해 추가되는 섬유는 단가가 매우 낮기 때문에 매우 경제적인 변형률모니터링 도구가 된다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

100 : 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서
110 : 송수신용 압전소자
111 : 수신용 압전소자
112 : 송신용 압전소자
120 : 섬유
131 : 초음파 수신부
132 : 초음파 송신부
140 : 손상모니터링부
150 : 변형률모니터링부

Claims (8)

1. 구조에 일정한 거리를 두고 설치되는 송수신용 압전소자;
   상기 송수신용 압전소자를 연결하는 섬유;
   상기 송신용 압전소자에 설계된 전압신호를 인가하여 초음파를 발생시키는 초음파 송신부;
   상기 수신용 압전소자에서 검출된 전압신호의 변화의 형태인 초음파 신호를 수신하는 초음파 수신부;
   수신된 초음파 신호에서 변형률 정보를 처리하는 변형률모니터링부;
   수신된 초음파 신호에서 손상 정보를 처리하는 손상모니터링부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 송수신용 압전소자는,
   단일결정 혹은 세라믹 계열의 압전재료를 기반으로 하며 온도요구조건에 따라 고온용 압전소자를 선택하며 전극은 구조에 접착되는 면 이외의 곳에 설치되는 것을 특징으로 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 섬유는,
   직경이 2mm 이하인 탄성재료이며 전변형률(prestrain)의 적용이 가능한 단일 재료 혹은 초음파의 도착시간을 조절하고 내구성을 향상시키기 위해 이종 재료를 이용해 다수의 층으로 구성하는 것을 특징으로 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 변형률모니터링부는,
   섬유초음파의 직접파, 1차 에코파 및 고차 에코파의 도착시간 및 진폭의 변화를 나노초 영역에서 분석 가능한 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 손상모니터링부는,
   기 측정된 초음파와 현재 측정된 초음파의 파형을 비교 분석하여 손상 감지, 평가, 가시화를 수행하는 알고리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 송수신용 압전소자는 복수개를 포함하고,
   상기 복수개의 송수신용 압전소자는, 구조 내 공간적으로 다영역 변형률 및 손상을 동시에 모니터링하는 것을 특징으로하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 섬유를 활용하여 섬유초음파만을 이용하는 신축계로 활용 가능한 것을 특징으로 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 섬유는 표준광섬유, 금속코팅광섬유, 플라스틱광섬유, 폴리이미드코팅광섬유, 금속와이어 및 플라스틱와이어 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 변형률 및 손상 동시 능동 센싱 섬유파 압전 트랜스듀서.

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