KR101716877B1 - 자가 압전센싱 기반의 비선형 초음파 피로균열 검사 장치 및 방법 - Google Patents

자가 압전센싱 기반의 비선형 초음파 피로균열 검사 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

비선형 초음파 피로균열 검사 시, 대상 구조물에 기설정된 가진 주파수의 초음파를 가진하고, 가진된 초음파에 대응하여 대상 구조물에 발생된 초음파 응답을 측정하고, 측정된 초음파 응답 중 가진 주파수에 대응하는 고조파들에 기초하여 선형 계수 및 비선형 계수를 산출하고, 기저장된 복수의 기준 선형 계수 중 산출된 선형 계수에 가장 근접한 값을 갖는 기준 선형 계수를 검출하고, 검출된 기준 선형 계수에 매칭되어 기저장된 기준 비선형 계수와 산출된 비선형 계수를 비교하고, 비교한 결과에 기초하여 대상 구조물의 손상 여부를 검출하며, 복수의 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수는 대상 구조물의 정상상태에서 기설정된 환경 조건의 값을 변화시켜가며 측정한 초음파 응답에 기초하여 산출된 것이다.

Description

자가 압전센싱 기반의 비선형 초음파 피로균열 검사 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING FATIGUE CRACK USING NONLINEAR ULTRASONIC BASED ON SELF- PIEZOELECTRIC SENSING}
본 발명은 비선형 초음파(nonlinear ultrasonic)를 이용하여 대상 구조물의 피로균열을 검사하는 피로균열 검사 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
비선형 초음파를 활용한 비파괴 검사 방식으로는, 수퍼 하모닉(super-harmonic) 기법, 서브 하모닉(sub-harmonic) 기법, 혼합 주파수(mixed-frequency) 기법, 공진주파수 편이(Shift of resonance frequency) 기법 등이 사용되고 있다. 이러한 비파괴 검사 기법들은 기존의 선형 초음파 기법들로는 검사가 불가능했던 닫힘(closure) 상태의 초기 피로균열 검사에 탁월한 성능을 보이나, 다음과 같은 제한적인 사용요건과 기술적 한계점들이 존재한다.
수퍼 하모닉 기법은, 미소 소성변형, 표면의 단차, 균열면의 클랩핑(clapping) 효과 등의 대상 구조물의 비선형적 거동(behavior)에 대하여 높은 민감도를 갖는다. 이에 따라, 수퍼 하모닉 기법은 금속성 구조물의 피로균열 검사에 상당히 유용하다. 그러나 수퍼 하모닉 기법은 대상 구조물의 재료, 계측 센서 및 장치 자체에서 야기되는 시스템 고유 비선형성에 민감하여, 피로균열로부터 유발된 신호와의 분리가 어렵다. 또한, 수퍼 하모닉 기법은 외부 환경변화에 신호가 민감하게 변화하며, 이에 따른 오보 발생률이 높다. 따라서 많은 개수의 활용 센서가 필요하고 계측 장치가 복잡하여 실제 구조물에 대한 적용성이 낮다는 문제점이 있다.
서브 하모닉 기법은, 저조파 신호가 시스템 고유 비선형성과는 구분되며, 피로균열의 유무에 따라 발생하므로 오보율이 낮다는 장점이 있다. 하지만, 서브 하모닉 기법은 특정 조건에서만 적용이 가능하다는 단점이 있다. 일반적으로 저조파 신호는 균열면의 클랩핑(Clapping) 거동에 의한 초음파의 비선형성으로부터 얻어지게 되므로, 이를 발생시킬 수 있는 특정 임계점 이상의 가진력이 요구된다. 즉, 클랩핑 현상은 높은 동적 하중이 균열 계면에 작용할 때 발생하므로, 대상 구조물의 경계 조건이나 발생 균열의 상태에 따라 변화하게 된다. 따라서 실제로 클랩핑 현상을 유도하기 위한 복잡한 발생 조건을 예측하여 적용하는데에는 큰 어려움이 있다.
혼합 주파수 기법은, 두 종류의 다른 주파수 대역을 지닌 초음파 신호를 가진하여 크랙으로부터 변형된 초음파의 비선형성을 측정한다. 이러한 혼합 주파수 기법에서는 두 가지의 서로 다른 주파수의 중첩과 상쇄로 인해 발생되는 스펙트럼 사이드 밴드를 측정함으로써 균열 발생 여부를 판단한다. 혼합 주파수 기법은 서브 하모닉 기법과 유사하게 피로 균열 발생에 대한 높은 민감도를 가지며, 서브 하모닉 기법 대비 비선형 초음파 신호 발생의 요건이 비교적 간편하다는 장점이 있다. 그러나, 혼합 주파수 기법은 대상 구조물의 동적 특성 및 주위 환경 변화에 민감하여 오보 발생 가능성이 높다는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 혼합 주파수 기법은 여러 주파수 대역의 초음파를 가진 및 센싱해야 하는 특성상, 센서의 개수가 증가하고 이와 관련된 세밀한 설치 위치 선정이 요구되어 실용성이 떨어진다는 한계가 있다.
마지막으로, 공진주파수 편이 기법은, 피로 균열로부터 발생하는 비선형 특성을 공명주파수 패턴 분석을 통해 추출해내는 기법이다. 공진주파수 편이 기법은 대상 구조물에 가해지는 동적 변위나 가진초음파의 진폭을 변화시켜 구조물의 비선형 응답을 유도한다. 하지만, 공진주파수 편이 기법의 경우, 다양한 주파수 대역별 응답특성 및 민감도를 사전에 예측하거나 가진 파라미터를 다양하게 변화시켜 주입해야하는 번거로움이 있다. 또한, 다른 검사 기법들에 비해 응답 민감도가 낮아 피로균열 진단의 효율성이 낮다는 단점이 있다.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제10-2013-0017396호(발명의 명칭: 초음파 센서를 이용한 손상 진단 방법 및 장치)에서는, 대상물의 내부로 초음파를 발생시키는 송신자와, 대상물에 의해 반사된 반사파를 수신하는 수신자를 포함하는 초음파 센서와, 수신된 반사파를 주파수 대역 신호로 변환하고, 변환된 주파수 대역 신호로부터 연산된 비선형 파라미터에 기초하여 대상물의 손상을 진단하는 신호 분석부를 포함하는 손상 진단 장치를 개시하고 있다.
이러한 기존의 피로균열 검사 기법들에 비해, 오보를 유발할 수 있는 시스템 고유 비선형성뿐만 아니라 다양한 외부 환경 변화 요인에 의한 오보를 최소화할 수 있는 피로균열 검사 기술이 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 시스템 고유의 비선형 및 외부 환경 변화 요인에 의한 오보를 최소화할 수 있는 비선형 초음파 피로균열 검사 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 비선형 초음파 피로균열 검사 장치는, 대상 구조물에 기설정된 가진 주파수의 초음파를 가진하는 초음파 가진부; 상기 가진된 초음파에 대응하여 상기 대상 구조물에 발생된 초음파 응답을 측정하는 초음파 응답 계측부; 및 상기 측정된 초음파 응답 중 상기 가진 주파수에 대응하는 고조파들에 기초하여 선형 계수 및 비선형 계수를 산출하고, 상기 산출된 선형 계수 및 비선형 계수에 기초하여 상기 대상 구조물의 손상 여부를 검출하는 손상진단부를 포함한다. 이때, 상기 손상 진단부는, 상기 대상 구조물의 정상 상태에서 기설정된 환경 조건의 값을 변화시켜가며 측정한 초음파 응답에 기초하여 복수의 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수를 산출하고, 상기 산출된 복수의 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수를 각각 매칭하여 저장하고, 상기 저장된 기준 선형 계수 중 상기 대상 구조물에 대한 피로균열 검사 시 산출된 선형 계수와 가장 근접한 값을 갖는 기준 선형 계수를 검출하고, 상기 검출된 기준 선형 계수에 매칭된 기준 비선형 계수와 상기 피로균열 검사 시 산출된 비선형 계수를 비교한 결과에 따라 상기 대상 구조물의 손상 여부를 검출한다.
그리고 본 발명의 다른 측면에 따른 비선형 초음파 피로균열 검사 장치를 통한 비선형 초음파 피로균열 검사 방법은, 대상 구조물에 기설정된 가진 주파수의 초음파를 가진하는 단계; 상기 가진된 초음파에 대응하여 상기 대상 구조물에 발생된 초음파 응답을 측정하는 단계; 상기 측정된 초음파 응답 중 상기 가진 주파수에 대응하는 고조파들에 기초하여 선형 계수 및 비선형 계수를 산출하는 단계; 기저장된 복수의 기준 선형 계수 중 상기 산출된 선형 계수에 가장 근접한 값을 갖는 기준 선형 계수를 검출하는 단계; 상기 검출된 기준 선형 계수에 매칭되어 기저장된 기준 비선형 계수와 상기 산출된 비선형 계수를 비교하는 단계; 및 상기 비교한 결과에 기초하여 상기 대상 구조물의 손상 여부를 검출하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 복수의 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수는, 상기 대상 구조물의 정상상태에서 기설정된 환경 조건의 값을 변화시켜가며 측정한 초음파 응답에 기초하여 산출된 것이다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 대상 구조물에 대한 선형 및 비선형 파라미터 둘 다에 기반한 손상 진단을 통해 시스템 고유 비선형성 및 외부 환경 변화에 따른 오보율을 최소화할 수 있다.
본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 단일 압전 센서를 이용한 비선형 초음파 계측을 처리하여, 기존의 피로균열 검사 기법들에서 센서 수량이 증가함에 따라 시스템 고유 비선형성이 커졌던 문제를 해결할 수 있다. 또한, 센서 설치 비용 및 유지관리 등의 비용을 절감할 수 있으며, 센서 설치 위치 분석/선정, 및 기존의 서브 하모닉 기법에서의 특정 가진 조건 등의 피로균열 검사를 위한 복잡한 설계과정이 필요치않아 편리하다.
본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 가진 초음파의 고조파 응답을 이용함으로써 피로균열에 대한 높은 민감도를 유지할 수 있으며, 기존의 수퍼 하모닉 기법에 비해 시스템 고유 비선형성을 최소화하여 피로균열에 대한 감지능력을 크게 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 따르면 닫힘 상태의 초기 피로 균열을 조기에 진단할 수 있어 구조물의 안정성 확보 및 유지관리 비용 절감이 가능하며, 구조물의 유지 관리 계획을 수립하는데 필요한 피로균열 검사 데이터를 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 초음파 피로균열 검사 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 초음파를 이용한 피로균열 검사 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 초음파 피로균열 검사를 위한 모의 실험 절차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 실험 시편에 손상이 발생되기 전과 후의 초음파 응답 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 3의 실험 시편의 손상 전후의 선형 계수 및 비선형 계수를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 3의 실험 결과를 통해 확인되는 온도 조건에 따른 선형 계수 및 비선형 계수의 경향성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 3의 실험 결과를 통해 확인되는 선형 계수와 비선형 계수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 도면에서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한, 도면을 참고하여 설명하면서, 같은 명칭으로 나타낸 구성일지라도 도면에 따라 도면 번호가 달라질 수 있고, 도면 번호는 설명의 편의를 위해 기재된 것에 불과하고 해당 도면 번호에 의해 각 구성의 개념, 특징, 기능 또는 효과가 제한 해석되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)' 또는 '모듈'이란, 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함하며, 하나의 유닛이 둘 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 둘 이상의 유닛이 하나의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 압전센싱 기법에 기반한 비선형 초음파 피로균열 검사 장치 및 그 검사 방법에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 초음파 피로균열 검사 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 비선형 초음파 피로균열 검사 장치(100)는 초음파 가진부(110), 압전 센서(121), 자가 센싱 회로(122), 초음파 응답 계측부(130) 및 손상진단부(140)를 포함한다.
초음파 가진부(110)는 피로균열 검사(또는 손상 검사)의 대상이 되는 구조물(이하, '대상 구조물'이라고 지칭함)에 초음파를 가진한다.
구체적으로, 초음파 가진부(110)는 대상 구조물(200)의 일측에 장착된 압전 센서(piezoelectric sensor; 121)를 통해 기설정된 가진 주파수(excitation frequency)를 갖는 초음파를 가진한다. 초음파 가진부(110)는 압전 센서(121)를 통해 기설정된 가진 주파수의 초음파를 발생시키는 함수발생기(Function Generator)일 수 있다. 이때, 초음파 가진부(110)는 압전 센서(121)가 가진 주파수의 초음파를 발생시킬 수 있도록 하는 전압을 압전 센서(121)에 인가할 수 있다. 초음파 가진부(110)는 주파수의 크기가 선형적으로 변화하는 처프(chirp) 파형을 가진할 수 있다.
초음파 응답 계측부(130)는 대상 구조물(200)에 가진된 초음파에 대응하여 대상 구조물(200) 상에서 발생된 초음파 응답 신호를 측정한다.
구체적으로, 초음파 응답 계측부(130)는 압전 센서(121) 및 자가 센싱 회로(self-sensing circuit; 122)를 통해 초음파 응답을 수신하며, 수신된 초음파 응답 신호의 크기 값(즉, 응답 크기)을 손상 진단부(140)로 전달한다.
이때, 대상 구조물(200) 상에 초음파 응답 신호가 발생되면 압전 센서(121)를 통해 전압 신호로 변환되며, 이러한 전압 신호가 자가 센싱회로(122)를 통해 초음파 응답 계측부(130)로 수신된다. 참고로, 초음파 응답 계측부(130)는 아날로그 전압 신호를 디지털 신호로 계측하는 디지타이저(Digitizer)일 수 있다.
피로균열 검사 장치(100)에 포함된 압전 센서(121)는 대상 구조물(200) 상에 하나가 장착되는 단일 압전 센서이다. 즉, 압전 센서(121)를 통해 대상 구조물(200)에 초음파가 가진된 후, 대상 구조물(200) 상에 발생된 초음파 응답이 동일한 단일 압전 센서(121)를 통해 측정되는 자가 압전센싱 기법이 적용된다.
손상 진단부(140)는 초음파 응답 계측부(130)를 통해 계측된 초음파 응답 중 가진 주파수에 대응하는 고조파들에 의한 응답 크기를 검출하고, 검출된 고조파 응답 크기에 기초하여 선형 계수(linear parameter) 및 비선형 계수(nonlinear parameter)를 산출한다. 그리고 손상 진단부(140)는 산출된 선형 계수 및 비선형 계수에 기초하여 대상 구조물(200)의 손상 여부를 검출한다.
이때, 손상 진단부(140)는 기설정된 손상 진단 알고리즘에 기초하여 대상 구조물의 손상 상태 및 정상 상태를 판단하고, 그 결과로서 손상 진단 결과를 출력할 수 있다.
구체적으로, 손상 진단부(140)는 대상 구조물(200)에 대한 피로균열 검사(즉, 손상 검사)로서의 초음파 가진 및 초음파 계측을 진행하기에 앞서, 사전에 대상 구조물(200)이 정상 상태일 때의 선형 계수 및 비선형 계수를 산출하여 기준 데이터(baseline data)로서 저장해둔다. 그리고 손상 진단부(140)는 피로균열 검사 시 산출된 선형 계수 및 비선형 계수와 기준 데이터로서 저장되어 있던 선형 계수 및 비선형 계수에 기초하여 손상 진단을 처리한다.
우선, 손상 진단부(140)가 처리하는 손상 진단 알고리즘에 대한 설명에 앞서, 손상 진단부(140)가 산출하는 선형 계수 및 비선형 계수에 대해서 상세히 설명하도록 한다.
"구조물(예를 들어, 탄성체)의 변형은 응력에 비례한다"라는 훅의 법칙(Hooke's law)에 따르면, 응력 σ와 변형률 ε사이의 관계는 매질의 탄성거동(elastic behavior)의 비선형성을 고려하여 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112016055617612-pat00001
E는 탄성계수(elastic modulus)이며, β와 δ는 각각 2차 및 3차 비선형 탄성계수이다. 여기서, 감쇠와 δ 는 σ에 미치는 영향이 매우 작으므로 생략할 수 있다.
탄성체인 얇은 원형 막대(circular rods)에서 축방향 및 평면에서의 종파 운동방정식을 고려하면 수학식 1은 다음과 같은 수학식 2로 유도된다.
<수학식 2>
Figure 112016055617612-pat00002
이때, ρ는 매질의 밀도(density)이며, x는 전파 거리, t는 시간 , u는 변위이다.
변위 u의 비선형파 방정식을 2차 비선형 계수까지 나타내면 다음의 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
<수학식 3>
Figure 112016055617612-pat00003
이때, 수학식 3의 해(solution)인 u 를 다음의 수학식 4와 같이 가정할 수 있다.
<수학식 4>
Figure 112016055617612-pat00004
이때, u 0 와 u'은 각각 초기 가진파(excitation wave)의 선형 응답과 비선형 응답의 1차 섭동(1st order perturbation)의 해이다.
수학식 4를 수학식 3에 대입하면 다음의 수학식 5를 얻을 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112016055617612-pat00005
수학식 5를 각 항별로 분류하여 다시 정리하면 다음의 수학식 6과 같다.
<수학식 6>
Figure 112016055617612-pat00006
비선형성을 나타내는 u'은 선형성을 나타내는 u 0 값보다 극소하므로, 다음의 수학식 7처럼 나타낼 수 있다.
<수학식 7>
Figure 112016055617612-pat00007
수학식 7을 수학식 6에 다시 대입하면, 아래 수학식 8과 같이 비선형성을 나타내는 항들로 표현될 수 있다.
<수학식 8>
Figure 112016055617612-pat00008
이때, β는 비선형 계수이며, u'≪u 0 이므로 수학식 8은 수학식 9와 같이 다시 표현할 수 있다.
<수학식 9>
Figure 112016055617612-pat00009
수학식 9에서, u 0 를 단일주파수 ω를 갖는 고조파(harmonic wave)로 가정하면, u는 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 10>
Figure 112016055617612-pat00010
여기에서 k는 파수(wavenumber), ω는 각주파수, A 1 은 선형 응답의 크기이며, A 2는 비선형 응답의 크기를 나타낸다.
수학식 10에 따르면, 선형 응답은 초기 가진 주파수와 동일한 주파수 대역의 응답이고, 비선형 응답은 가진 주파수의 2배에 해당하는 2차 고조파의 응답인 것을 알 수 있다. 이를 본 발명의 일 실시예에 적용하면, 가진 초음파에 대응하여 발생된 초음파 응답 중 가진 주파수와 동일한 주파수 대역의 응답은 선형 응답이며, 가진 주파수의 2배인 고조파에 의한 응답은 비선형 응답이다.
다시 수학식 10을 수학식 9에 대입하면, 아래의 수학식 11과 같다.
<수학식 11>
Figure 112016055617612-pat00011
이때, 수학식 11로부터 A 1 과 A 2 의 관계를 유도해내면 아래의 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
<수학식 12>
Figure 112016055617612-pat00012
수학식 12로부터 β를 다시 표현하면 수학식 13과 같이 표현할 수 있다.
<수학식 13>
Figure 112016055617612-pat00013
구조물의 특성 값, 압전 센서의 구조물 상의 설치 위치 값, 및 가진 주파수가 결정이 되면 k와 x는 특정 상수 값을 가지며, 이에 따라 수학식 13은 다음의 수학식 14와 같이 다시 나타낼 수 있다.
<수학식 14>
Figure 112016055617612-pat00014
여기서, ζ는 k와 x에 상응하는 임의의 상수이다.
한편, 주어진 시스템(즉, 대상 구조물)에 대한 가진파의 크기를 A 0 라 가정하면, 가진파와 선형 응답의 사이에는 다음의 수학식 15에서와 같은 비례 관계식이 성립한다.
<수학식 15>
Figure 112016055617612-pat00015
여기서 α는 선형 계수이며, η는 임의의 비례상수이다.
만약 대상 구조물이 이상적인 선형 시스템이라면 비선형 응답인 A 2 는 존재하지 않을 것이며, 비선형 계수인 β는 0이 된다. 그러나 현실에서 피로균열 검사의 대상 구조물은 재료 자체에서 비선형성이 발생되는 비선형 시스템인 경우가 대부분이며, 피로균열 검사를 위해 사용되는 센서 또는 케이블, 데이터 취득 장비들에 의해서 또 다른 비선형성이 유발될 수 있다. 이들을 "시스템 고유 비선형성"이라고 지칭할 수 있다. 이러한 시스템 고유 비선형성을 갖는 대상 구조물(200) 상에서 측정된 초음파 응답으로부터 다음의 수학식 16과 같이 표현되는 β를 산출할 수 있다.
<수학식 16>
Figure 112016055617612-pat00016
이처럼, 비선형 계수 β는 시스템 고유 비선형 계수인 β in 과 피로균열에 의해 유발된 비선형 계수 β cr 의 합으로 표현될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 손상 진단부(140)는 수학식 16의 β로부터 β cr 만을 따로 추출해내지 않고도 대상 구조물(200)에 피로균열이 발생되었는지 여부를 판단하는 손상 진단 알고리즘을 처리한다.
수학식 16에서 피로균열에 의한 비선형 계수 β cr 의 크기가 시스템 고유 비선형성 계수 β in 보다 상대적으로 크다면, β 값 자체의 변화로부터 손상 유무 판단이 가능하다. 즉, 피로균열 검사의 민감도를 높이기 위해서는 β in 을 최소화해야 한다.
비선형 계수 β는 온도 및 하중 등의 구조물 외부의 환경 영향에 따라 민감하게 변화하므로, 손상 발생 전후의 β를 단순 비교하는 방식만으로는 환경 변화에 의해 시스템 고유 비선형성이 변화된 것인지 손상에 의해 비선형성이 변화된 것인지 판단할 수 없다.
선형 계수인 α는 비선형 계수인 β in 와 β cr 에 대해 독립적이며, 외부 환경 영향에 민감하게 반응한다. 즉, 시스템(대상 구조물)이 결정된다면, 초음파 응답을 계측하는 동안 β in 은 일정하다고 가정할 수 있으며, α는 균열의 발생 유무와 관계없이 외부 환경 영향을 보정하는데 이용할 수 있다.
결과적으로, α에 상응하는 β는 외부 환경 변화 및 시스템 고유 비선형성에 관계없이 직접적으로 균열 여부를 판단하는 조건이 될 수 있다.
따라서, 손상 진단부(140)는 수학식 14 및 15에서 각각 나타낸 비선형 계수 및 선형 계수를 동시에 활용하여 신뢰도 높은 균열 진단을 처리하는 손상 진단 알고리즘을 처리한다.
이하, 도 2를 참조하여 손상 진단부(140)에 의한 손상 진단 알고리즘에 따른 처리 과정에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 초음파를 이용한 피로균열 검사 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 손상 진단부(140)는 크게 3단계(S210 내지 S230)를 처리하여 대상 구조물의 손상 여부를 검출한다.
먼저, 피로균열 검사에 앞서 정상 상태의 대상 구조물(200)에 대한 기준 데이터를 수집한다(S210).
기준 데이터는 앞서 설명한 초음파 가진부(110) 및 초음파 응답 계측부(130)를 통한 대상 구조물(200)에 대한 초음파 가진 및 초음파 응답 계측(즉, 피로균열 검사와 동일한 방식)에 의해 획득된 초음파 응답에 기초하여 산출된다.
이때, 처프 파형을 가진할 경우 가진 주파수 대역이 변화됨에 따라 가진 주파수 대역 별로 초음파 응답이 수신된다. 즉, 처프 파형인 가진파에 대해서 가진 주파수 대역 별로 선형 계수 및 비선형 계수가 산출된다.
기준 데이터는 기설정된 환경 조건 값을 변화시켜가며 초음파 응답을 계측함에 따라 수집되는 것으로서, 처프 파형에 의한 가진 주파수 별 선형 계수 및 비선형 계수가 환경 조건 값 별로 매칭되어 기준 데이터로서 저장된다.
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 단계 (S210)는 다음과 같은 세부 단계로 구현 및 처리될 수 있다.
먼저, 비손상(정상) 상태의 대상 구조물에 대해 복수의 선형 응답 크기 및 비선형 응답 크기를 수집한다(S211).
다음으로, 변경되는 환경 조건 값마다, 처프 파형에 의한 복수의 가진 주파수 별 비선형 계수 β B (이하, "기준 비선형 계수"라고 지칭함) 및 선형 계수 α B (이하, "기준 선형 계수"라고 지칭함)를 산출한다(S212, S213).
이처럼 산출된 복수의 기준 비선형 계수 β B 와 기준 선형 계수 α B 들은 환경 조건 값 및 가진 주파수에 대응하여 각각 매칭되어 기준 데이터로서 저장된다.
상기 단계 (S210)를 통해 기준 데이터가 수집 및 저장되어 있는 상태에서, 초음파 가진부(110) 및 초음파 응답 계측부(130)를 통해 피로균열 검사가 시행된다.
이때, 피로균열 검사를 통해 대상 구조물(200)의 현재 상태에 대한 초음파 응답을 획득하고, 현재 상태에 따른 선형 계수 및 비선형 계수를 산출한다(S220).
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 단계 (S220)은 다음과 같은 세부 단계로 구현 및 처리될 수 있다.
먼저, 대상 구조물에 대한 선형 응답 크기 및 비선형 응답 크기를 측정한다(S221).
이때, 처프 파형에 의한 가진 주파수 별 선형 응답 크기 및 비선형 응답 크기를 측정한다.
그런 다음, 측정된 복수의 선형 응답 크기 및 비선형 응답 크기에 기초하여 선형 계수 α T 와 비선형 계수 β T 를 산출한다(S222, S223).
위와 같은 세부 단계들을 포함하는 상기 단계 (S210) 및 (S220) 이후에, 사전에 수집해둔 기준 데이터와 현재 상태에 따른 선형 계수 및 비선형 계수를 각각 획득하여, 현재 환경 조건에 따른 비선형 계수와 정상 상태에서의 비선형 계수를 비교하여 손상 여부를 판단한다(S230).
도 2에 도시한 바와 같이, 상기 단계 (S230)은 다음과 같은 세부 단계로 구현 및 처리될 수 있다.
먼저, 기저장된 기준 데이터 중 현재 상태의 선형 계수 α T 와 가장 근접한 α B 를 검출한다(S231).
이때, 처프 파형에 의한 가진 주파수 대역 별 선형 계수 α T 들이 산출되며, 이에 따라 복수의 선형 계수 α T 들에 대응하는 복수의 기준 선형 계수 α B 들이 검출된다.
다음으로, 검출된 α B 에 매칭된 기준 비선형 계수β B 와 현재 상태에 따른 비선형 계수 β T 를 비교한다(S232).
현재 상태의 선형 계수 α T 에 대응하는 기준 선형 계수 α B 는 현재의 환경 조건에 대응하는 환경 조건에서의 선형 계수이다. 즉, α B 에 매칭된 β B 과 현재 상태에 따른 β T 를 비교함으로써, 결과적으로 환경 조건 변화 및 시스템 고유 비선형 계수의 변화와 더불어 피로균열 발생에 의한 비선형 계수값의 변화를 모두 알 수 있다.
그럼 다음, 현재 상태에 의한 β T 가 동일한 환경 조건에서의 기준 데이터인 β B 보다 큰 값을 갖는지 여부를 판단한다(S233).
상기 단계 (S233)의 판단 결과, β T 가 β B 보다 큰 경우 피로균열에 의한 비선형 계수의 값이 동일 환경 조건의 정상 상태의 비선형 계수 값보다 커진 것을 의미하므로 손상 상태로 판단한다(S241).
반면, 상기 단계 (S233)의 판단 결과, β T 가 β B 이하인 경우 동일 환경 조건에서 선형 계수 및 비선형 계수가 변화가 없는 것을 의미하므로 정상(즉, 비손상) 상태로 판단한다(S242).
한편, 손상 진단부(140)는 상기 단계 (S230)에서와 같은 기준데이터와 현재 상태에 의한 선형 계수 및 비선형 계수 값의 비교를 통한 손상 여부 판단과 더불어, 환경 조건의 변화에 따른 현재 상태의 비선형 계수의 경향성 변화 여부를 손상 여부 판단의 조건으로서 사용할 수 있다.
구체적으로, 손상 진단부(140)는 현재 상태를 측정한 비선형 계수들 및 이와 비교할 기준 비선형 계수들을 각각 매칭된 선형 응답 크기에 기준한 그래프 및 환경 조건에 기준한 그래프 상에 표현할 수 있다. 이때, 손상 진단부(140)는 선형 응답 크기에 기준한 그래프 상에서 현재 상태에 따른 비선형 계수 β들이 그에 대응하는 기준 비선형 계수 β들보다 상위(즉, 큰 값)에 위치하되, 환경 조건에 기준한 그래프 상에서 현재 상태에 따른 비선형 계수 β의 경향성이 줄어든다면 손상 상태인 것으로 판단할 수 있다. 또한, 손상 진단부(140)는 이상의 두 조건이 모두 합당하지 않을 경우 대상 구조물이 정상 상태인 것으로 판단할 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 피로균열 검사 방식에 대해서 실험 결과를 통해 좀 더 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비선형 초음파 피로균열 검사를 위한 모의 실험 절차를 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 4는 도 3의 실험 시편에 손상이 발생되기 전과 후의 초음파 응답 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3에서는, 대상 구조물로서의 가로 300mm, 세로 120mm인 알루미늄 시편(200)에, 두께 0.508mm, 직경 20mm 및 APC 850인 단일 PZT(121)가 부착된 것을 나타냈다.
먼저, 정상 상태인 알루미늄 시편(200)에 PZT(121)를 통해 초음파 가진 및 초음파 응답 계측을 통해 기준 데이터를 산출 및 저장하였다. 그런 다음, 국제시험장비(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 1.6kN ~ 16kN의 반복적인 인장하중을 10Hz 주기로 가하여 알루미늄 시편(200)에 노치(notch) 균열(P10)를 만들었다. 이때, 반복적인 하중으로 인해 가로 1mm, 세로 5mm의 초기 노치 부분에 응력집중이 생기며, 130,000번의 반복하중을 가한 결과 13mm 길이의 균열이 노치 끝으로부터 생성되었다. 이처럼 균열을 발생시킨 상태에서 피로균열 검사를 위한 초음파 가진 및 초음파 응답 계측을 수행하였다.
구체적으로, 기준 데이터를 수집하기 위하여 알루미늄 시편(200)의 손상 전 상태에서 처프 신호를 사용하여 100kHz 에서 120kHz의 주파수를 가진하였다. 가진 전압은 12Vpp ~ 36Vpp의 전압을 6Vpp씩 높여가며 측정하였으며, 5MHz의 샘플링 주파수(Sampling frequency)와 정상 상태 응답(steady-state response)을 0.2초 동안 측정하였다. 각각의 응답은 신호대비 잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 5회 반복 측정하였다.
또한, 아래의 표 1에서와 같이 환경 조건으로서 온도 조건의 값을 변경시켜가며 기준 데이터 수집 및 피로균열 검사 실험을 각각 진행하였다.
데이터 온도(°C) 상태(condition)
기준데이터 -10, 0, 10, 20, 30, 40 정상(Intact)
false-positive testing -3, 15, 22 정상(Intact)
false-negative testing 7, 18, 35 크랙(Crack)
한편, 도 4에 도시된 그래프들은 위와 같은 조건의 실험을 통해 획득한 대표 초음파 응답들의 크기를 가진 주파수에 기준하여 주파수 도메인(frequency-domain) 상에 나타낸 것이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 알루미늄 시편(200)에 손상이 발생되기 전의 1차 응답(Primary response) 및 2차 고조파 응답(2nd harmonic responses)을 나타냈다. 그리고 도 4의 (c) 및 (d)는 실험 시편(200)에 손상이 발생된 후의 1차 응답 및 2차 고조파 응답을 나타냈다.
도 4의 (a) 및 (c)를 비교하면 알루미늄 시편(200)의 손상 전후의 주파수 성분들의 값이 거의 유사한 것을 알 수 있으며, 이는 피로균열 발생에 의해 선형 응답의 크기는 크게 변화되지 않는 것을 의미한다.
반면에, 도 4의 (b)와 (d)를 비교하면 알루미늄 시편(200)의 손상 전후의 2차 고조파 응답들의 값이 변화된 것을 알 수 있으며, 특히 특정 주파수에서의 응답들이 더 민감하게 변화된 것을 알 수 있다. 이는, 피로균열의 발생에 의해 비선형 응답 크기가 민감하게 반응하는 것을 의미한다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 가진 초음파로서 넓은 주파수 대역을 갖는 처프 신호를 가진함으로써, 특정 단일 주파수만을 가진하는 것보다 피로균열의 발생 여부를 효과적으로 진단할 수 있다.
한편, 도 4와 같은 주파수 영역에서의 응답 결과들에 대해 선형 커브 피팅 기법(linear curve fitting method)을 적용하여 선형 계수 α 및 비선형 계수 β를 산출할 수 있다.
이때, 상기 수학식 8 및 9를 적용하면, 가진파 크기 A 0 에 대한 선형 응답 크기 A 1 의 변화율 관계와, A 1 2 에 대한 비선형 응답 크기 A 2 의 변화율 관계를 각각 전압 크기의 변화에 기준하여 연속적으로 산출할 수 있다. 이를 통해 산출된 결과는 도 5와 같이 그래프 상에 표현될 수 있다.
도 5는 도 3의 실험 시편의 손상 전후의 선형 계수 및 비선형 계수를 나타낸 그래프이다.
도 5의 (a)는 알루미늄 시편(200)에 손상이 발생되기 전과 후의 선형 계수를 비교한 그래프를 나타냈으며, 도 5의 (b)는 알루미늄 시편(200)에 손상이 발생되기 전과 후의 비선형 계수를 비교한 그래프를 나타냈다. 또한, 도 5의 (a) 및 (b)는 각각 온도 조건이 10°C일 때의 실험 결과를 나타냈다.
도 5의 (a)를 참조하면, 손상 전후의 α 값에 큰 변화가 없음을 알 수 있다. 즉, 대상 구조물에 발생된 미세한 피로균열은 선형계수 α만으로는 판별하기가 어렵다.
반면에 도 5의 (b)를 참조하면, 가진 전압 A 0 의 크기가 증가됨에 따라 손상 전후의 비선형 계수 β가 큰 차이가 있는 것을 알 수 있다. 즉, β를 이용하여 피로균열 검사가 가능함을 알 수 있다. 참고로, 이론적으로 손상 이전의 알루미늄 시편(200)의 β 값은 '0' 값이어야 하나, 시스템(즉, 대상 구조물)의 고유 비선형성과 측정 장비(즉, 피로균열 검사 장치 등)에 의해 실제로 β값은 0이 아닌 임의의 값을 갖는다.
한편, 도 4와 같은 주파수 영역에서의 응답 결과들에 대해 모든 선형 계수 α 및 비선형 계수 β 들이 산출되면, 환경 조건에 따른 선형 계수 α 및 비선형 계수 β 들의 경향성을 확인할 수 있다.
도 6은 도 3의 실험 결과를 통해 확인되는 온도 조건에 따른 선형 계수 및 비선형 계수의 경향성을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a) 및 (b)는 손상 전 상태의 알루미늄 시편(200)에 대한 온도 변화에 따른 선형 계수 및 비선형 계수의 변화 양상을 나타낸 그래프이다.
도 6의 (a) 및 (b)에서와 같이 손상이 없는 알루미늄 시편(200)의 경우에도 온도 조건의 값이 증가됨에 따라 α와 β 값이 변한다.
도 6의 (a)를 참조하면 α 값은 온도에 비례하게 변하는 것을 알 수 있다. 또한, 도 6의 (b)를 참조하면, β 값이 온도의 변화에 민감하게 변하되 비례적이지 않게 변화하는 것을 알 수 있다. 따라서, β는 온도의 변화에 의존하지 않고 변하는 것을 알 수 있다. 이러한 환경 조건의 변화에 따른 비선형 계수의 경향성은 시스템 고유 비선형성을 나타내는 β 값이 노이즈보다 작기 때문에 나타나는 현상이다. 참고로, 동일 환경 조건에서 손상 전 상태의 비선형 계수 β의 경향성에 비해 피로균열 검사 시 산출된 비선형 계수 β의 경향성이 작아지는 경우, 피로균열에 의한 비선형 계수의 값이 크게 변화된 것을 의미한다.
결과적으로, 도 5 및 도 6을 통해서, α는 피로균열의 존재유무에 따라 변하지 않으나 온도에 따라 비례하게 변화하는 것을 알 수 있다. 즉, α는 시스템(즉, 대상 구조물) 고유의 비선형성이나 온도 변화와 같은 의도치 않은 임의의 불확실한 특성들을 판단하는 기준이 될 수 있다. 또한, 도 5 및 도 6을 통해서, β는 시스템 고유 비선형성이 온도 변화에 민감하게 반응하는 것을 알 수 있다. 따라서, 손상 진단부(140)는 피로균열의 발생을 α 또는 β 중 어느 하나만을 기준하여 판단하지 않고, 여러 환경 변화의 조건에서 α와 β 를 둘다 활용하여 손상 여부를 판단한다.
도 7은 도 3의 실험 결과를 통해 확인되는 선형 계수와 비선형 계수 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 7의 (a) 및 (b)에서는, 알루미늄 시편(200)에 대해서 수집된 여러 온도 조건에 따른 기준 데이터(즉, α 및 β)를 그래프 상에 점선으로 표시하였다. 그리고 알루미늄 시편(200)의 손상 전과 후의 두 경우 모두에 대해 피로균열 검사를 하여 가장 비슷한 온도 조건에서의 임의의 실험 결과(즉, α 및 β)를 그래프 상에 각각 표시하였다.
도 7의 (a)에서는 알루미늄 시편(200)의 손상 전의 정상 데이터와 손상 후의 크랙 데이터를 온도 조건의 변화에 따라 표시하였다. 도 7의 (a)를 참조하면, 알루미늄 시편(200)의 손상 후 데이터(즉, 크랙 데이터)의 값은 실험한 모든 온도 조건에서 기준 데이터의 값보다 상대적으로 크게 상회하고, 반면에 손상 전 데이터(즉, 정상 데이터)의 값은 기준 데이터의 값의 이하인 것을 알 수 있다.
도 7의 (a) 상에 3차원으로 도시된 알루미늄 시편(200)의 정상 데이터와 크랙 데이터의 관계를 좀 더 직관적으로 이해할 수 있도록, 도 7의 (b)에서는 2차원 그래프 상에 각 데이터를 표시하였다.
도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, 각각 다른 온도 조건에서의 알루미늄 시편(200)의 손상 전후의 데이터들은 각각 다른 α값을 가지며, 손상 전 β값은 손상 후 β값에 비해 상대적으로 기준 β값과 근접한 반면에, 손상 후의 β값은 기준 β값 보다 현저히 큰 값이다. 이는, 피로균열로부터 유발된 β값이 시스템 고유 비선형성보다 크다는 것을 의미한다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 비선형 초음파 피로균열 검사 장치 및 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
또한, 본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수도 있다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 비선형 초음파 피로균열 검사 장치
110: 초음파 가진부
121: 압전 센서
122: 자가 센싱 회로
130: 초음파 응답 계측부
140: 손상진단부

Claims (12)

  1. 비선형 초음파 피로균열 검사 장치에 있어서,
    대상 구조물에 기설정된 가진 주파수의 초음파를 가진하는 초음파 가진부;
    상기 가진된 초음파에 대응하여 상기 대상 구조물에 발생된 초음파 응답을 측정하는 초음파 응답 계측부; 및
    상기 측정된 초음파 응답 중 상기 가진 주파수에 대응하는 고조파들에 기초하여 선형 계수 및 비선형 계수를 산출하고, 상기 산출된 선형 계수 및 비선형 계수에 기초하여 상기 대상 구조물의 손상 여부를 검출하는 손상진단부를 포함하며,
    상기 손상 진단부는,
    상기 대상 구조물의 정상 상태에서 기설정된 환경 조건의 값을 변화시켜가며 측정한 초음파 응답에 기초하여 복수의 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수를 산출하고, 상기 산출된 복수의 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수를 각각 매칭하여 저장하고,
    상기 저장된 기준 선형 계수 중 상기 대상 구조물에 대한 피로균열 검사 시 산출된 선형 계수와 가장 근접한 값을 갖는 기준 선형 계수를 검출하고, 상기 검출된 기준 선형 계수에 매칭된 기준 비선형 계수와 상기 피로균열 검사 시 산출된 비선형 계수를 비교한 결과에 따라 상기 대상 구조물의 손상 여부를 검출하는 비선형 초음파 피로균열 검사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 가진부는 상기 대상 구조물의 일측에 장착된 단일 압전 센서로 기설정된 크기의 전압을 인가하여 초음파를 가진하며,
    상기 초음파 응답 계측부는 상기 단일 압전 센서를 통해 계측된 초음파 응답을 수신하여 응답 크기를 측정하는 비선형 초음파 피로균열 검사 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상진단부는,
    상기 피로균열 검사 시 산출된 비선형 계수가 상기 기준 비선형 계수보다 큰 값을 갖는 경우 상기 대상 구조물을 손상 상태로 판단하고,
    상기 피로 균열 검사 시 측정된 비선형 계수가 상기 기준 비선형 계수 이하인 경우 상기 대상 구조물을 정상 상태로 판단하는 비선형 초음파 피로균열 검사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상 진단부는,
    상기 가진된 초음파의 크기 및 상기 측정된 초음파 응답 중 상기 가진 주파수에 대응된 1차 고조파의 응답 크기에 기초하여 상기 선형 계수를 산출하고,
    상기 가진 주파수에 대응된 1차 고조파의 응답 크기 및 2차 고조파의 응답 크기에 기초하여 상기 비선형 계수를 산출하는 비선형 초음파 피로균열 검사 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 가진부는 상기 대상 구조물로 처프(chirp) 파형의 초음파를 가진하고,
    상기 손상진단부는,
    상기 처프 파형에 의한 복수의 가진 주파수 별로 선형 계수 및 비선형 계수를 산출하되,
    상기 피로균열 검사 시 산출된 상기 복수의 가진 주파수 별 선형 계수들과 가장 근접한 값을 갖는 기준 선형 계수들을 검출하고, 상기 검출된 기준 선형 계수 별로 매칭된 기준 비선형 계수들과 상기 피로균열 검사 시 산출된 상기 복수의 가진 주파수 별 비선형 계수들을 각각 비교하여 상기 손상 여부를 검출하는 피로 균열 검사 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 손상 진단부는,
    상기 환경 조건으로서 온도 조건 또는 하중 조건을 변화시켜가며 측정된 초음파 응답에 기초하여 상기 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수를 산출하고,
    상기 산출된 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수를 상기 환경 조건의 값 별로 매칭하여 저장하는 비선형 초음파 피로균열 검사 장치.
  7. 비선형 초음파 피로균열 검사 장치를 통한 비선형 초음파 피로균열 검사 방법에 있어서,
    대상 구조물에 기설정된 가진 주파수의 초음파를 가진하는 단계;
    상기 가진된 초음파에 대응하여 상기 대상 구조물에 발생된 초음파 응답을 측정하는 단계;
    상기 측정된 초음파 응답 중 상기 가진 주파수에 대응하는 고조파들에 기초하여 선형 계수 및 비선형 계수를 산출하는 단계;
    기저장된 복수의 기준 선형 계수 중 상기 산출된 선형 계수에 가장 근접한 값을 갖는 기준 선형 계수를 검출하는 단계;
    상기 검출된 기준 선형 계수에 매칭되어 기저장된 기준 비선형 계수와 상기 산출된 비선형 계수를 비교하는 단계; 및
    상기 비교한 결과에 기초하여 상기 대상 구조물의 손상 여부를 검출하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수는,
    상기 대상 구조물의 정상상태에서 기설정된 환경 조건의 값을 변화시켜가며 측정한 초음파 응답에 기초하여 산출된 것인 비선형 초음파 피로균열 검사 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가진 주파수의 초음파를 가진하는 단계는,
    상기 대상 구조물의 일측에 장착된 단일 압전 센서로 기설정된 크기의 전압을 인가하며,
    상기 초음파 응답을 측정하는 단계는,
    상기 단일 압전 센서를 통해 계측된 초음파 응답을 수신하여 응답 크기를 측정하는 비선형 초음파 피로 균열 검사 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 손상 여부를 검출하는 단계는,
    상기 산출된 비선형 계수가 상기 비교한 기준 비선형 계수보다 큰 값을 갖는 경우 상기 대상 구조물을 손상 상태로 판단하고,
    상기 산출된 비선형 계수가 상기 비교한 기준 비선형 계수 이하인 경우 상기 대상 구조물을 정상 상태로 판단하는 비선형 초음파 피로균열 검사 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 선형 계수 및 비선형 계수를 산출하는 단계는,
    상기 가진된 초음파의 크기 및 상기 측정된 초음파 응답 중 상기 가진 주파수에 대응된 1차 고조파의 응답 크기에 기초하여 상기 선형 계수를 산출하고,
    상기 가진 주파수에 대응된 1차 고조파의 응답 크기 및 2차 고조파의 응답 크기에 기초하여 상기 비선형 계수를 산출하는 비선형 초음파 피로균열 검사 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파로서 처프(chirp) 파형의 초음파를 가진하되,
    상기 산출된 선형 계수 및 비선형 계수는 상기 처프 파형에 의한 복수의 가진 주파수 별로 산출되며,
    상기 산출된 복수의 선형 계수 별로 가장 근접한 값을 갖는 상기 복수의 가진 주파수 별 기준 선형 계수들을 검출하고, 상기 검출된 기준 선형 계수 별로 매칭된 기준 비선형 계수들과 상기 산출된 비선형 계수들을 각각 비교하여 상기 손상 여부를 검출하는 비선형 초음파 피로균열 검사 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파를 가진하는 단계 이전에,
    상기 환경 조건으로서 온도 조건 또는 하중 조건을 변화시켜가며 측정된 초음파 응답에 기초하여 상기 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 기준 선형 계수 및 기준 비선형 계수를 상기 환경 조건의 값 별로 매칭하여 저장하는 단계를 더 포함하는 비선형 초음파 피로균열 검사 방법.
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