KR101700531B1 - 단채널 전도성 직물 테이프 압전 센서 네트워크 및 다중 소스 초음파 전파 영상화 기반 손상 진단 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

단채널 전도성 직물 테이프 압전 센서 네트워크 및 다중 소스 초음파 전파 영상화 기반 손상 진단 장치 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 손상 진단 시스템은, 구조물에 설치되며 전도성 직물테이프로 직렬 연결된 초음파 센서들을 포함하는 센서 어레이 및 구조물의 검사면에 레이저를 가진하여 초음파를 발생시키고 초음파 센서들로부터 신호를 유?무선으로 수집하여 초음파 전파 영상을 생성하는 영상화 시스템을 포함한다. 이에 의해, 대형 구조물의 손상 진단에서 단일 센서에 의한 검사 영역의 한계를 극복할 수 있고, 다채널 센서 네트워크를 구성하는데 필요한 케이블과 관련 장치들을 제거하고 경량화할 수 있게 된다.

Description

단채널 전도성 직물 테이프 압전 센서 네트워크 및 다중 소스 초음파 전파 영상화 기반 손상 진단 장치 및 방법{Damage diagnosis Device and Method using single channel conductive fabric tape PZT sensor network and multi-source ultrasonic propagation imaging}

본 발명은 손상 진단 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대규모의 구조물에서 압전(PZT) 센서와 초음파 전파 영상화를 이용하여 손상을 진단하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

구조물의 돌발적인 파괴 위험을 감소시키고 수명을 확장하기 위해서는 적절한 검사들이 이루어져야 한다. 구조건전성관리(structural health management, SHM)에서는 다양한 손상 진단 기술들이 적용되고 있으며, 초음파 전파 영상화(ultrasonic propagation imaging, UPI) 시스템은 이들 중 하나이다.

UPI 시스템은 고속 검사와 자동화 분석이 가능하고, 항공기 및 기간 시설 등의 손상 검출에 적용하여 결과 신뢰성을 확보하였다. 또한, PZT 센서는 구조물에 비간섭적으로 장착이 가능할 정도로 작고 비용이 저렴하여 SHM에 널리 사용되고 있다.

다른 구조 일체형 센서에 비해 높은 감도를 제공하지만 단일 PZT 센서의 사용은 대형 구조물에서 검사 영역에 한계가 생길 수 밖에 없다. 이에, 이 한계를 극복하기 위한 방안의 모색이 요청된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 전도성 직물 테이프를 이용하여 단채널로 연결된 PZT 센서 네트워크와 다중 소스로부터 동시에 획득하는 초음파 전파 영상화 기반으로 구조물의 손상을 진단하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 손상 진단 시스템은, 구조물에 설치되며, 직렬 연결된 초음파 센서들을 포함하는 센서 어레이; 및 상기 구조물의 검사면에 레이저를 가진하여 초음파를 발생시키고, 상기 초음파 센서들로부터 신호를 수집하여 초음파 전파 영상을 생성하는 영상화 시스템;을 포함한다.

그리고, 상기 초음파 센서들은, 단채널로 연결되어 있을 수 있다.

또한, 상기 초음파 센서들은, 전도성 물질로 도금된 직물로 연결되어 있을 수 있다.

그리고, 상기 직물은, 부식 방지 물질로 더 도금되어 있을 수 있다.

또한, 상기 직물은, 상기 구조물에 부착 가능한 테이프 타입일 수 있다.

그리고, 상기 영상화 시스템은, 상기 구조물의 검사면 상에서 다수의 지점들을 스캐닝하면서 레이저를 가진할 수 있다.

또한, 상기 초음파 센서들은, 각기 다른 검사 영역들에 전파된 초음파를 감지할 수 있다.

그리고, 상기 감지된 초음파는 유선 혹은 무선으로 UPI 시스템으로 전달할 수 있다.

또한, 상기 영상화 시스템은, 손상 부위를 의미하는 이상파에 대한 부가 정보를 더 표시할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 손상 진단 방법은, 구조물의 검사면에 레이저를 가진하여 초음파를 발생시키는 단계; 및 상기 구조물에 설치되며 직렬 연결된 초음파 센서들로부터 신호를 수집하여 초음파 전파 영상을 생성하는 단계;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 대형 구조물의 손상 진단에서 단일 PZT 센서에 의한 검사 영역의 한계를 극복할 수 있고, 다채널 PZT 센서 네트워크를 구성하는데 필요한 케이블과 관련 장치들을 최소화 및 경량화할 수 있게 된다.

도 1은 단일 PZT 센서를 사용하는 UPI 시스템으로 신호를 수집하는 방식을 도식화하고 있다.
도 2는 PZT 센서의 연결 방식들을 예시한 도면,
도 3은 알루미늄 시편의 손상 검출 장치를 나타낸 도면,
도 4는, 도 3에 도시된 알루미늄 시편의 손상 검출 결과를 나타낸 영상,
도 5는 초음파 에너지 맵핑 결과를 나타낸 영상,
도 6은 금속성 항공기 날개 윗면의 구조 건전성 진단을 위한 구성 예, 그리고,
도 7은 복합재 주익/동체 샌드위치 복합재 페어링 구조 건전성 관리를 위한 적용 예, 그리고,
도 8은 금속성 항공기 동체의 구조 건전성 관리를 위한 구성예이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

1. 직렬 연결된 PZT 센서 어레이 기반 다점 동시 초음파 전파 영상화

UPI 시스템은 검사면에 Q-switched laser (QL)를 비접촉 가진하여 열탄성파로 인한 초음파를 발생시켜 초음파 센서로 기능하는 PZT 센서로 초당 20,000 점 이상의 초음파 신호를 수집할 수 있는 시스템이다.

도 1은 단일 PZT 센서를 사용하는 UPI 시스템으로 신호를 수집하는 방식을 도식화하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, UPI 시스템은 Laser Mirror Scanner (LMS)(110), QL(120), 영상화 장치(130) 및 센서 시스템(200)을 포함한다.

QL(120)는 레이저를 발생시키며, 생성된 레이저는 LMS(110)에 의해 구조물의 검사면 상에서 다수의 지점들에 스캐닝된다. 센서 시스템(200)은 검사 대상이 되는 구조물에 설치된다.

영상화 장치(130)는 센서 시스템(200)으로부터 유선 혹은 무선으로 신호를 수집하여 초음파 전파 영상을 생성한다.

도 1이나 도 2(a)에 도시된 바와 같이 단일 PZT 센서를 이용하였을 때, UPI 시스템으로 가시화하는 초음파 전파 영상이 갖는 한계가 도 2(b)에 나타나 있다. 대형 구조물에서는 PZT 센서의 감도가 미치지 못하는 영역이 존재하게 되며, 이를 제거하기 위해서는 추가적인 PZT 센서와 케이블의 설치를 필요로 하게 된다.

도 2(c)는 다채널 PZT 센서 네트워크이며, 이 경우 도 2(d)와 같이 각각의 PZT 센서 채널은 하나씩의 초음파 전파 영상을 가시화 한다. 하지만, 도 2(c)에서 다채널 PZT 센서들은 병렬로 연결되어 대량의 케이블과 관련 장치들을 필요로 하는 바, 설치 비용의 증가, 케이블의 복잡성 및 구조물의 무게 증가가 문제된다.

반면, 도 2(e)에 도시된 바와 같이 복수의 PZT 센서들을 단채널로 직렬 연결하면, 하나의 케이블만 있으면 되므로, 케이블 구성이 단순화되고 구조물의 무게 증가가 최소화 된다. 이 경우에 대한 초음파 전파 영상화 결과를 도 2(f)에 도식화하였다.

도 2(e)에 도시된 구성에 따른 PZT 센서들(210, 220, 230)로 구축된 센서 시스템(200)에서는, PZT 센서들(210, 220, 230)이 각기 다른 검사 영역들에서 전파된 초음파를 감지한다. 즉, 레이저 초음파 생성 스캐닝에서 하나의 PZT 센서의 감도가 미치지 못하는 영역은, 직렬로 연결된 다른 PZT 센서의 감도가 미치도록 하여 검사 불가능 영역을 쉽게 제거할 수 있다.

2. 전도성 직물 테이프를 이용한 직렬 연결 PZT 센서 네트워크

검사 영역이 매우 넓은 구조물의 경우, 직렬 연결을 위해 수십 미터 이상의 긴 연결이 요구된다. 기존의 전선으로 연결할 경우 부피가 크고 무게가 증가하는 단점이 있다. 이에 따라 케이블/전선을 대신할 전도성 직물 테이프의 사용한다.

전도성 직물 테이프는 전도성을 갖는 구리로 도금되고 부식 방지를 위한 니켈로 도금된 폴리에스테르 실이 엮어진 것으로, 도 2(e)에서 복수의 PZT 센서들을 직렬 연결함과 동시에 자신은 구조물에 부착될 수 있다.

3. 알루미늄 시편의 손상 검출

도 3(a)에는 각각 1000×1000×3 mm3 두 개의 알루미늄 플레이트가 70×1000×3 mm3의 장착 브래킷으로 연결되어 있으며, 직렬 연결된 두 개의 PZT 센서(210, 220)와 검사 영역이 표시되어 있다. 모사 손상들은 도 3(b)에서 보여 준다. 두 개의 PZT 센서(210, 220)는 2 m 길이의 전도성 직물 테이프(250)로 직렬 연결하였다.

UPI 시스템을 이용한 스캔은 시편과의 거리 3.0 m, QL(120)의 수에서 수십 mJ 에너지, 수십 kHz의 펄스 반복수(pulse repetition rate, PRR), 스캐닝 간격(interval) 수 mm로 수행되었다. 초음파 신호는 인라인 필터(in-line filter) 범위 수 Hz부터 수 MHz에서 수집되었다.

도 4(a)는 전도성 직물 테이프(250)로 직렬 연결된 두 개의 PZT 센서(210, 220)에서 동시에 발생하는 복수의 초음파 발생원을 UPI 시스템의 영상화 장치(130)를 통해 가시화할 수 있음을 보여준다.

모든 손상과 결합 부위의 위치는 그 들에서 발생한 이상파를 통해 도 4(b) 부터 도 4(f)와 같이 가시화된 결과로 확인할 수 있다. 도 4에서 보여준 결과는 기본 초음파 전파 영상으로, 도 5에 보여주는 것과 같이 에너지 맵핑과 파수 이미징 기법 등이 손상의 종류에 따라 추가 적용될 수 있다.

즉, 영상화 장치(130)는 손상 부위를 의미하는 이상파에 대한 부가 정보를 더 표시할 수 있는 것이다.

4. 대형 구조물의 손상 검출

본 발명의 실시예에 따른 센서 네트워크는 금속성 대형 구조의 신뢰성 평가에도 적용 가능하다. 도 6은 외피 두께가 1 mm인 금속성 항공기 날개 윗면의 구조건전성 진단을 위한 구성 예이다.

또한, 도 7은 복합재 주익/동체 샌드위치 복합재 페어링(fairing) 구조 건전성 관리를 위한 적용 예이다.

그리고, 도 8은 금속성 항공기 동체 구조 건전성관리를 위한 적용 예이다.

5. 유용성

지금까지, 전도성 직물 테이프를 이용하여 단채널로 구성한 PZT 센서 네트워크 및 다중 소스 초음파 전파 영상화 기반으로 손상을 진단 장치 및 방법에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.

위 실시예에서는, 한 점에서 전파하는 초음파를 가시화하는 초음파 전파 영상화 시스템을 개선하여 다 점에서 동시에 복수의 초음파 소스로부터 전파하는 초음파전파를 가시화하는 방안을 제시하였다.

이를 위해, 단일 채널로 다량의 PZT 센서들을 전도성 직물 테이프로 직렬 연결함으로써, 설치가 용이하면서도 케이블의 개수와 무게에 대한 다채널 센서 네트워크의 문제들을 해결하고, Full-scale 구조의 모든 영역이 PZT 센서의 감도 내에 있도록 하였다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110 : Laser Mirror Scanner (LMS)(110)
120 : Q-switched laser (QL)
130 : 영상화 장치
200 : 센서 시스템/네트워크/어레이
210, 220, 230, 240 : PZT 센서
250 : 전도성 직물 테이프

Claims (9)

1. 구조물에 설치되며, 직렬 연결된 초음파 센서들을 포함하는 센서 어레이; 및
   상기 구조물의 검사면에 레이저를 가진하여 초음파를 발생시키고, 상기 초음파 센서들로부터 신호를 수집하여 초음파 전파 영상을 생성하는 영상화 시스템;을 포함하고,
   상기 초음파 센서들은,
   전도성 물질과 부식 방지 물질로 도금된 직물에 의해 단채널로 연결되며,
   상기 직물은,
   상기 구조물에 부착되어, 상기 초음파 센서들을 상기 구조물에 고정시키는 테이프 타입인 것을 특징으로 하는 손상 진단 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 청구항 1에서,
   상기 영상화 시스템은,
   상기 구조물의 검사면 상에서 다수의 지점들을 스캐닝하면서 레이저를 가진하는 것을 특징으로 하는 손상 진단 시스템.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 초음파 센서들은,
   각기 다른 검사 영역들에 전파된 초음파를 감지하는 것을 특징으로 하는 손상 진단 시스템.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 영상화 시스템은,
   손상 부위를 의미하는 이상파에 대한 부가 정보를 더 표시하는 것을 특징으로 하는 손상 진단 시스템.
   
9. 구조물의 검사면에 레이저를 가진하여 초음파를 발생시키는 단계; 및
   상기 구조물에 설치되며 직렬 연결된 초음파 센서들로부터 신호를 유선 혹은 무선으로 수집하여 초음파 전파 영상을 생성하는 단계;를 포함하고,
   상기 초음파 센서들은,
   전도성 물질과 부식 방지 물질로 도금된 직물에 의해 단채널로 연결되며,
   상기 직물은,
   상기 구조물에 부착되어, 초음파 센서들을 구조물에 고정시키는 테이프 타입인 것을 특징으로 하는 손상 진단 방법.
   

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