KR101720150B1 - Measuring device and method for monitoring of stress state in concrete by applying nonlinear resonant ultrasonic method with cross correlation technique - Google Patents

Measuring device and method for monitoring of stress state in concrete by applying nonlinear resonant ultrasonic method with cross correlation technique Download PDF

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KR101720150B1 KR1020160172757A KR20160172757A KR101720150B1 KR 101720150 B1 KR101720150 B1 KR 101720150B1 KR 1020160172757 A KR1020160172757 A KR 1020160172757A KR 20160172757 A KR20160172757 A KR 20160172757A KR 101720150 B1 KR101720150 B1 KR 101720150B1
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곽효경
김규진
박선종
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Abstract

In a measuring device to determine a nonlinear history of concrete by measuring a stress state of concrete by applying a nonlinear resonant ultrasonic method with a cross correlation technique, the measuring device comprises: a first transducer; a second transducer; a deformation measuring unit; and a control unit such that a more reliable measurement result is able to be obtained when compared with a conventional method.

Description

상호 상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 판단하는 측정장치 및 방법{Measuring device and method for monitoring of stress state in concrete by applying nonlinear resonant ultrasonic method with cross correlation technique}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a measuring apparatus and a method for measuring a load of a concrete by applying a non-linear ultrasonic resonance method using a cross-

본 발명은 콘크리트의 하중상태를 판단하기 위한 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상호 상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 판단하는 측정장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a measuring apparatus and method for determining a load state of concrete, and more particularly, to a measuring apparatus and method for determining a load state of concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance method using cross correlation.

측정장치 및 방법에 상호상관이 적용된 예가 존재한다. 상호상관을 이용한 반사파 중첩에 의해 초음파 또는 탄성파 속도를 측정하기 위한 측정시스템 및 측정방법을 일 예로 들 수 있다. 본 예에서는 초음파 속도 또는 탄성파 속도를 측정하기 위한 측정시스템 및 측정방법에 관한 것으로, 본 예에 따르면, 완전한 자동화가 이루어지지 못하고 실험자가 오실로스코프에서 오프셋 시간을 조절하여 파형을 중첩시키도록 구성됨으로 인해 실험자의 주관적인 판단이 개입될 여지가 있어 정확한 측정이 이루어지기 어려웠던 종래의 반사파 중첩법이 가지는 문제점을 해결하기 위해, 반사파 신호를 A/D 변환기를 이용하여 디지털로 변환하고, 초음파의 제 1 반사파가 제 2 반사파와 온전히 중첩되기 위한 주행시간을 상호상관(cross-correlation)에 의해 자동으로 발췌하여 P-파 및 S-파 속도를 산출하도록 구성되는 상호상관을 이용한 반사파 중첩에 의해 초음파 또는 탄성파의 속도를 측정하기 위한 측정시스템 및 측정방법을 제공한다.There is an example where cross-correlation is applied to the measuring device and method. An example of a measurement system and a measurement method for measuring an ultrasonic wave or an acoustic wave velocity by superimposing a reflected wave using cross-correlation is exemplified. In this example, a measurement system and a measurement method for measuring an ultrasonic velocity or an acoustic wave velocity are provided. According to the present example, since a complete automation can not be performed and the experimenter is configured to adjust the offset time in the oscilloscope to overlap the waveform, In order to solve the problem of the conventional reflection wave superimposition method in which accurate judgment can not be made due to subjective judgment of the ultrasonic wave, the reflected wave signal is converted to digital by using an A / D converter, The speed of ultrasonic or seismic waves is calculated by cross-correlation superimposed with cross-correlation, which is configured to automatically extract the traveling time for overlapping with the two reflected waves by cross-correlation and to calculate the P-wave and S- A measuring system for measuring and a measuring method are provided.

상호상관 기법은 콘크리트의 하중상태를 판단하는 측정장치 및 방법에 대하여도 적용될 수 있다. 콘크리트는 비용 효과, 내수성, 내열성 및 인화성에 대한 장점 때문에 건설 산업에서 널리 사용되는 재료이며, 인장력 보다는 압축력에 대한 높은 내성을 갖고 있다. 일반적으로 콘크리트의 압축강도는 인장강도의 10 배이다. 따라서 대부분의 콘크리트 구조물에서 콘크리트는 구조 부재의 자중(self-weight) 및 외부 하중에 따라 압축력을 지탱하는 데 주된 역할을 한다. 그러나, 콘크리트 구조물은 콘크리트의 미세 구조 및 그에 따른 기계적 성질을 저하시키는 과도한 하중이나 콘크리트 손상을 유발하는 조건에 노출됨으로써 내구성 저하를 초래할 수 있다. 콘크리트의 미세 균열을 증가시키는 데에는 몇 가지 이유가 있다. 그것들의 대부분은 알칼리-실리카 반응, 황산염 침투, 탄화 및 화재 유발 손상과 같은 화학적 메커니즘을 기반으로 하며, 또한 동결-융해 손상 및 부하로 인한 손상과 같은 물리적인 메커니즘을 기반으로 한다. 이렇게 생성된 미세 균열은 시멘트 매트릭스의 결합력과 시멘트 매트릭스와 골재 사이의 계면 영역의 결합력을 약화시킨다. 이 중 콘크리트 구조물의 부하단계를 모니터링 하거나 부하에 의한 손상 상태를 평가하기 위해 많은 연구에서 콘크리트의 하중 의존 특성이 조사되었다. The cross-correlation technique can also be applied to a measuring apparatus and method for determining the load state of concrete. Concrete is widely used in the construction industry due to its cost effectiveness, water resistance, heat resistance and flammability, and has high resistance to compressive force rather than tensile force. Generally, the compressive strength of concrete is ten times the tensile strength. Therefore, in most concrete structures, concrete plays a major role in supporting compressive strength according to the self-weight and external load of structural members. However, the concrete structure may be exposed to the conditions causing excessive load or concrete damage, which deteriorates the microstructure of the concrete and the mechanical properties thereof, and may cause durability deterioration. There are several reasons for increasing microcracks in concrete. Most of them are based on chemical mechanisms such as alkali-silica reactions, sulphate infiltration, carbonization and fire-induced damage, and are also based on physical mechanisms such as freeze-thaw damage and damage due to load. The resulting microcracks weaken the bond strength of the cement matrix and the bond strength of the interface region between the cement matrix and the aggregate. In order to monitor the load stage of the concrete structure or to evaluate the damage status by the load, the load dependence of the concrete was investigated in many studies.

콘크리트의 하중 의존 특성을 판단하는 방법으로 콘크리트의 음향 탄성을 측정하여 압축 또는 인장 하중 이력을 모니터링 하는 연구가 주로 이루어지고 있으며, 그것은 코다 파 간섭계(coda wave interferometry)에 기초한 초음파 속도를 측정함으로써 콘크리트의 하중 의존 특성을 판단한다. In order to determine the load-dependent characteristics of concrete, a study has been made on the monitoring of the compressive or tensile load history by measuring the acoustic elasticity of the concrete. This is done by measuring the ultrasonic velocity based on the coda wave interferometry, To determine the load-dependent characteristic.

다른 방법으로는, 초음파 비선형성을 측정하기 위해 고 조화 기법(higher harmonics method), 시간 이동 기법(time-shift method) 및 비선형 초음파 공진 기법(nonlinear resonant ultrasonic method)과 같은 비선형 초음파 기법에 기초하여 콘크리트의 하중 의존 특성을 판단하는 기법들이 있다. Alternatively, to measure the ultrasonic nonlinearity, a nonlinear ultrasonic method, such as a higher harmonics method, a time-shift method, and a nonlinear resonant ultrasonic method, There are techniques for determining the load-dependent characteristics of the load.

위의 비선형 기법들은 콘크리트 내 미세한 수준에서의 균열에 따른 영향을 반영함에 있어 그 민감도가 떨어지는 것을 보완하기 위하여 적용된다. 그러나 기존 방식을 따르는 경우, 매질의 특성에 따른 공진주파수를 측정함에 있어 주파수 영역에서의 파형을 비교하기가 어려운 경우가 생긴다. 진폭이 가장 세게 나타나는 피크(peak)가 여러 개인 파형이 그 예인데, 한 점을 기준으로 파형간의 차이를 비교하는 경우에는 실질적인 편차가 크게 나타남에도 불구하고 이를 반영하지 못하는 문제점이 있다.The above nonlinear techniques are applied to compensate for the low sensitivity of the concrete to reflect the effects of cracks at fine levels. However, when the conventional method is followed, it is difficult to compare the waveforms in the frequency domain in measuring the resonance frequency according to the characteristics of the medium. For example, waveforms having a plurality of peaks having the highest amplitudes are examples. In the case of comparing the waveforms based on one point, there is a problem that the actual variation is not reflected even though the actual variation is large.

이러한 문제점을 개선하고, 콘크리트의 하중 의존 특성의 정확도를 향상시키기 위해 데이터 처리 단계에서 입력되는 주파수 신호의 효과적인 처리방법이 요구된다. In order to improve these problems and to improve the accuracy of the load-dependent characteristics of the concrete, a method for effectively processing the frequency signals inputted in the data processing step is required.

대한민국 등록특허 제1396875호 (공고일자 2014년 05월 19일)Korean Registered Patent No. 1396875 (Published on May 19, 2014)

Y. Zhang, O. Abraham, F. Grondin, A. Loukili, V. Tournat, A. Le Duff, B. Lascoup, O. Durand, Study of stress-induced velocity variation in concrete under direct tensile force and monitoring of the damage level by using thermally-compensated coda wave interferometry, Ultrasonics 52(8) (2012) 1038-1045.Y. Zhang, O. Abraham, F. Grondin, A. Louren, V. Tournat, A. Le Duff, B. Lascoup, O. Durand, Study of stress-induced velocity variation in concrete under direct tensile force and monitoring of the damage level by using thermally-compensated coda wave interferometry, Ultrasonics 52 (8) (2012) 1038-1045. P. Shokouhi, A. Zoㅻga, H. Wiggenhauser, G. Fischer, Surface wave velocity-stress relationship in uniaxially loaded concrete, ACI Materials Journal 109(2) (2012) 141-148.P. Shokouhi, A. Zo ㅻ ga, H. Wiggenhauser, G. Fischer, Surface wave velocity-stress relationship in uniaxially loaded concrete, ACI Materials Journal 109 (2) (2012) 141-148. I. Lillamand, J.-F. Chaix, M.-A. Ploix, V. Garnier, Acoustoelastic effect in concrete material under uni-axial compressive loading, NDT & E International 43(8) (2010) 655-660.I. Lillamand, J.-F. Chaix, M.-A. Ploix, V. Garnier, Acoustoelastic effect in concrete under uni-axial compressive loading, NDT & E International 43 (8) (2010) 655-660.

본 발명의 목적은 기존에 적용되던 비선형 초음파 공진 기법에 상호상관 기법을 추가하여 보다 정확하고 향상된 민감도를 통해 기술적용을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명을 통해 콘크리트의 비선형 공진 특성 측정에 관한 기존 방법에 비해 더욱 신뢰성 있는 측정 결과를 얻을 수 있다.The object of the present invention is to add a cross-correlation technique to a nonlinear ultrasonic resonance technique, which has been applied in the past, to facilitate application of the technology through more accurate and improved sensitivity. Therefore, the present invention can provide more reliable measurement results than the existing methods for measuring nonlinear resonance characteristics of concrete.

다만, 본 발명의 목적은 상기 목적들로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.It should be understood, however, that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and may be variously modified without departing from the spirit and scope of the present invention.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중 상태를 판단하는 측정장치는, 상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 측정하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는 측정장치에 있어서, 초음파 신호를 발생시키며, 콘크리트 시편의 제1면에 배치되는 제1 트랜스듀서, 제1 트랜스듀서로부터 발생된 초음파 신호를 받고, 콘크리트 시편의 제1면 맞은 편에 위치한 제2면에 배치되는 제2 트랜스듀서, 콘크리트 시편의 변형을 측정하는 변형 측정부 및 제2 트랜스듀서로부터 취득된 신호에 근거하여 주파수 스펙트럼을 구하고, 주파수 스펙트럼과 변형 측정부로부터 취득된 신호를 이용하여 비선형 인자를 산출하는 제어부를 포함하고, 제어부는, 가장 낮은 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(

Figure 112016123816945-pat00001
)을 구하고, 순차적으로 증가된 입력 진폭일 때 각각 측정된 주파수 스펙트럼(
Figure 112016123816945-pat00002
)을 구하고,
Figure 112016123816945-pat00003
와
Figure 112016123816945-pat00004
으로부터 상호상관 합을 구하며, 상호상관 합이 최대일 때의 주파수 스펙트럼의 개수(N)와 비교 횟수(k)를 구하고, 비교 횟수(k)로부터 주파수 천이(frequency shift,
Figure 112016123816945-pat00005
)를 구하고, 주파수 천이로부터 비선형 인자(
Figure 112016123816945-pat00006
)를 구하며, 비선형 인자로부터 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. 이러한 본 발명의 측정장치는 상호상관 합을 기초로 하여 데이터를 처리함으로써 보다 신뢰성 있는 주파수 스펙트럼을 얻을 수 있고, 이를 기초로 콘크리트의 비선형 인자를 구함으로써 신뢰도가 향상된 콘크리트의 비선형 이력을 판단할 수 있다. In order to accomplish the object of the present invention, a nonlinear ultrasonic resonance method using cross-correlation according to an embodiment of the present invention is applied to a measuring device for determining a load state of concrete, A first transducer disposed on a first surface of the concrete specimen and configured to receive an ultrasonic signal generated from the first transducer, the ultrasonic signal generated by the first transducer disposed on the first surface of the concrete specimen, A second transducer disposed on a second surface of the concrete specimen opposite to the first surface, a deformation measuring unit measuring deformation of the concrete specimen, and a signal obtained from the second transducer to obtain a frequency spectrum, And a control unit for calculating a nonlinear factor using the signal acquired from the strain measurement unit And, the control unit, the frequency spectrum measured when the lowest input amplitude (
Figure 112016123816945-pat00001
) Are obtained, and the measured frequency spectrums at the sequentially increased input amplitudes (
Figure 112016123816945-pat00002
),
Figure 112016123816945-pat00003
Wow
Figure 112016123816945-pat00004
(N) and the number of times of comparison (k) when the cross-correlation sum is the maximum and frequency shifts (k) from the frequency of comparison (k)
Figure 112016123816945-pat00005
) Is obtained, and a nonlinear factor (
Figure 112016123816945-pat00006
), And the nonlinear history of the concrete is determined from the nonlinear factor. According to the measuring apparatus of the present invention, a more reliable frequency spectrum can be obtained by processing the data on the basis of the cross-correlation sum, and the nonlinear history of the concrete with improved reliability can be determined by obtaining the nonlinear factor of the concrete on the basis of the frequency spectrum .

일 실시 예에 의하면, 상호상관 합은 아래의 수학식 1에 의해 산출되고, 상호상관 합을 기초로 하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. According to one embodiment, the cross-correlation sum is calculated by the following equation (1), and the nonlinear history of the concrete is determined based on the cross-correlation sum.

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112016123816945-pat00007
Figure 112016123816945-pat00007

(

Figure 112016123816945-pat00008
: 상호상관 합(cross-correlation sum),
Figure 112016123816945-pat00009
: 가장 낮은 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(frequency spectrum measured from the lowest input amplitude),
Figure 112016123816945-pat00010
: n번째로 증가된 입력파 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(frequency spectrum measured from the n-th increase input amplitude))(
Figure 112016123816945-pat00008
: Cross-correlation sum,
Figure 112016123816945-pat00009
: The frequency spectrum measured from the lowest input amplitude at the lowest input amplitude,
Figure 112016123816945-pat00010
: the frequency spectrum measured from the n- th increase input amplitude at the n- th increased input wave amplitude)

일 실시 예에 의하면, 비교 횟수(k)는 아래의 수학식 2에 의해 산출되고, 비교 횟수(k)를 기초로 하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. According to one embodiment, the number of times of comparison k is calculated by the following equation (2), and the nonlinear history of the concrete is determined based on the number of times of comparison k.

[수학식 2]&Quot; (2) "

k=N-1 k = N-1

(k: 비교 횟수, N: 주파수 스펙트럼의 개수)(k: number of comparisons, N: number of frequency spectra)

일 실시 예에 의하면, 주파수 천이는 아래의 수학식 3에 의해 산출되고, 주파수 천이를 기초로 하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. According to one embodiment, the frequency transition is calculated by the following equation (3), and the nonlinear history of the concrete is determined based on the frequency transition.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112016123816945-pat00011
Figure 112016123816945-pat00011

(

Figure 112016123816945-pat00012
: 주파수 천이, k: 비교 횟수,
Figure 112016123816945-pat00013
: 주파수 스펙트럼의 주파수 해상력(frequency resolution))(
Figure 112016123816945-pat00012
: Frequency shift, k: comparison frequency,
Figure 112016123816945-pat00013
: Frequency resolution of the frequency spectrum)

일 실시 예에 의하면, 비선형 인자는 아래의 수학식 4에 의해 산출되고, 비선형 인자를 기초로 하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. According to one embodiment, the nonlinear factor is calculated by Equation (4) below and determines the nonlinear history of the concrete based on the nonlinear factor.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112016123816945-pat00014
Figure 112016123816945-pat00014

(

Figure 112016123816945-pat00015
: 주파수 천이,
Figure 112016123816945-pat00016
: 선형 공진 주파수,
Figure 112016123816945-pat00017
: 비선형 인자,
Figure 112016123816945-pat00018
: 변형 값)(
Figure 112016123816945-pat00015
: Frequency shift,
Figure 112016123816945-pat00016
: Linear resonance frequency,
Figure 112016123816945-pat00017
: Nonlinear factor,
Figure 112016123816945-pat00018
: Strain value)

일 실시 예에 의하면, 변형 측정부는 콘크리트 시편의 제1 트랜스듀서 옆과 제3, 4면 중앙부에 위치하고, 하중방향과 평형하게 배치된다. 이러한 본 발명의 측정장치는 변형 측정부를 콘크리트 시편의 여러 곳에 설치하여 압축하중 하에서 콘크리트 시편의 변형을 좀 더 정확히 측정할 수 있다. According to one embodiment, the deformation measuring unit is located on the side of the first transducer of the concrete specimen and at the center of the third and fourth surfaces, and is arranged to be in equilibrium with the direction of the load. Such a measuring apparatus of the present invention can more accurately measure the deformation of a concrete specimen under a compression load by providing a deformation measuring unit at various places of the concrete specimen.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 콘크리트의 하중 상태를 판단하는 측정방법은, 상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중 상태를 측정하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. In order to accomplish another object of the present invention, a measuring method for determining a load state of concrete according to an embodiment of the present invention includes measuring a load state of a concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance method using cross- .

일 실시 예에 의하면, 상호상관 합은 아래의 수학식 5에 의해 산출되고, 상호상관 합을 기초로 하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다.According to one embodiment, the cross correlation sum is calculated by the following equation (5), and the nonlinear history of the concrete is determined based on the cross correlation sum.

[수학식 5] &Quot; (5) "

Figure 112016123816945-pat00019
Figure 112016123816945-pat00019

(

Figure 112016123816945-pat00020
: 상호상관 합(cross-correlation sum),
Figure 112016123816945-pat00021
: 가장 낮은 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(frequency spectrum measured from the lowest input amplitude),
Figure 112016123816945-pat00022
: n번째로 증가된 입력파 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(frequency spectrum measured from the n-th increase input amplitude))(
Figure 112016123816945-pat00020
: Cross-correlation sum,
Figure 112016123816945-pat00021
: The frequency spectrum measured from the lowest input amplitude at the lowest input amplitude,
Figure 112016123816945-pat00022
: the frequency spectrum measured from the n- th increase input amplitude at the n- th increased input wave amplitude)

일 실시 예에 의하면, 비교 횟수(k)는 아래의 수학식 6에 의해 산출되고, 비교 횟수(k)를 기초로 하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. According to an embodiment, the number of comparisons k is calculated by the following equation (6), and the nonlinear history of the concrete is determined based on the number of comparisons k.

[수학식 6]&Quot; (6) "

k=N-1k = N-1

(k: 비교 횟수, N: 주파수 스펙트럼의 개수)(k: number of comparisons, N: number of frequency spectra)

일 실시 예에 의하면, 주파수 천이는 아래의 수학식 7에 의해 산출되고, 주파수 천이를 기초로 하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. According to one embodiment, the frequency transition is calculated by the following equation (7), and the nonlinear history of the concrete is determined based on the frequency transition.

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112016123816945-pat00023
Figure 112016123816945-pat00023

(

Figure 112016123816945-pat00024
: 주파수 천이, k: 비교 횟수,
Figure 112016123816945-pat00025
: 주파수 스펙트럼의 주파수 해상력(frequency resolution))(
Figure 112016123816945-pat00024
: Frequency shift, k: comparison frequency,
Figure 112016123816945-pat00025
: Frequency resolution of the frequency spectrum)

일 실시 예에 의하면, 비선형 인자는 아래의 수학식 8에 의해 산출되고, 비선형 인자를 기초로 하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단한다. According to one embodiment, the nonlinear factor is calculated by Equation (8) below and determines the nonlinear history of the concrete based on the nonlinear factor.

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure 112016123816945-pat00026
Figure 112016123816945-pat00026

(

Figure 112016123816945-pat00027
: 주파수 천이,
Figure 112016123816945-pat00028
: 선형 공진 주파수,
Figure 112016123816945-pat00029
: 비선형 인자,
Figure 112016123816945-pat00030
: 변형 값)(
Figure 112016123816945-pat00027
: Frequency shift,
Figure 112016123816945-pat00028
: Linear resonance frequency,
Figure 112016123816945-pat00029
: Nonlinear factor,
Figure 112016123816945-pat00030
: Strain value)

본 발명의 실시 예들에 따른 상호 상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 판단하는 측정장치 및 방법은 기존에 적용되던 비선형 초음파 공진 기법에 상호상관 기법을 추가하여 보다 정확하고 향상된 민감도를 통해 기술적용을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명을 통해 콘크리트의 비선형 공진 특성 측정에 관한 기존 장치 및 방법에 비해 더욱 신뢰성 있는 측정 결과를 얻을 수 있다.The measuring device and method for determining the load state of concrete by applying the non-linear ultrasonic resonance method using the cross-correlation according to the embodiments of the present invention can be applied to the conventional non-linear ultrasonic resonance method by adding the cross- It is possible to facilitate the application of the technology. Therefore, it is possible to obtain more reliable measurement results than the existing apparatus and method for measuring non-linear resonance characteristics of concrete through the present invention.

다만, 본 발명의 효과는 상기 효과들로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.However, the effects of the present invention are not limited to the above effects, and may be variously extended without departing from the spirit and scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 콘크리트 시편에 관해 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 측정하는 개략적인 장치도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 콘크리트 시편에 관해 상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 판단하는 개략적인 실험장치이다.
도 3은 상호상관 기법이 적용되기 전 비선형 초음파 공진 기법으로 측정된 주파수 스펙트럼이다.
도 4는 상호상관 기법을 적용하여 비선형 인자를 구하는 단계를 나타내는 절차도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic view of a concrete specimen according to an embodiment of the present invention, in which a load state of a concrete is measured by applying a nonlinear ultrasonic resonance method. FIG.
FIG. 2 is a schematic experimental apparatus for evaluating the load state of concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance method using cross-correlation with respect to a concrete specimen according to an embodiment of the present invention.
3 is a frequency spectrum measured by a nonlinear ultrasonic resonance technique before the cross-correlation technique is applied.
FIG. 4 is a flowchart showing a step of obtaining a nonlinear factor by applying a cross-correlation technique.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 통상의 기술자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관하여는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다.Embodiments of the present invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The detailed description of the components of the present invention will be omitted so as not to obscure the gist of the present invention with respect to what can be clearly understood and easily reproduced by the conventional art by the prior art.

이하에서는, 본 발명에 따른 상호 상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 판단하는 측정장치 및 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a measuring apparatus and a method for determining a load state of concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance method using cross-correlation according to the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 콘크리트 시편(10)에 관해 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 측정하는 개략적인 장치도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 콘크리트 시편(10)에 관해 상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중상태를 판단하는 개략적인 실험장치이다.FIG. 1 is a schematic view of a concrete method for measuring a load state of concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance technique to a concrete sample 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic view of a concrete sample 10) is a rough experimental system for determining the load condition of concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance method with cross correlation.

도 1을 참조하면, 실험장치는 콘크리트 시편(10), 제1 트랜스듀서(20), 제2 트랜스듀서(30), 변형 측정부(40), 가압부(130), 로드 셀(50), 베어링 블록(60), 신호 발생기(70), 증폭기(80), 제1 디지털변환기(90), 제2 디지털변환기(100), 제어부(110), 모니터(120)를 포함할 수 있다. 1, the experimental apparatus includes a concrete specimen 10, a first transducer 20, a second transducer 30, a deformation measuring unit 40, a pressing unit 130, a load cell 50, A bearing block 60, a signal generator 70, an amplifier 80, a first digital converter 90, a second digital converter 100, a controller 110, and a monitor 120.

본 발명의 실시 예에 따라, 측정장치를 설명하면, 상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중 상태를 측정하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는 측정장치에 있어서, 가압부(130)는 콘크리트 시편(10) 상하에 베어링 블록(60)을 배치하고, 상부 베어링 블록(60) 상에 로드 셀(50)을 배치하며, 로드 셀(50) 상부와 하부 베어링 블록(60) 하부에서 콘크리트 시편(10)에 압축하중을 가한다. 신호 발생기(70)는 입력신호를 발생시키고, 증폭기(80)는 신호 발생기(70)로부터 입력신호를 받아 신호를 증폭한다. 제1 트랜스듀서(20)는 증폭기(80)로부터 증폭된 입력 신호를 받아 초음파 신호를 발생시키며, 콘크리트 시편(10)의 제1면 중앙부에 배치되고, 제2 트랜스듀서(30)는 콘크리트 시편(10)을 통해 전파된 초음파 신호를 받고, 콘크리트 시편(10)의 제1면 맞은 편에 위치한 제2면 중앙부에 배치된다. 변형 측정부(40)는 콘크리트 시편(10)의 제1 트랜스듀서(20) 옆과 제3, 4면 중앙부에 위치하고, 하중방향과 평형하게 배치되며, 콘크리트 시편(10)의 변형을 측정한다. 제1 디지털변환기(90)는 제2 트랜스듀서(30)로부터 출력되는 초음파 신호를 받아 디지털 신호로 전환하고, 제2 디지털변환기(100)는 변형 측정부(40)로부터 출력되는 신호를 받아 디지털 신호로 전환한다. 제어부(110)는 제1 디지털변환기(90)로부터 취득된 데이터에 근거하여 주파수 스펙트럼을 구하고, 주파수 스펙트럼과 제2 디지털변환기(100)로부터 취득된 데이터를 이용하여 비선형 인자를 산출한다.According to an embodiment of the present invention, a measuring apparatus for measuring a non-linear history of concrete by measuring a load state of concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance method using cross- The load cell 50 is disposed on the upper bearing block 60 and the concrete specimen 60 is disposed on the upper portion of the load cell 50 and the lower bearing block 60. [ (10) is subjected to a compressive load. The signal generator 70 generates an input signal, and the amplifier 80 receives an input signal from the signal generator 70 and amplifies the signal. The first transducer 20 generates an ultrasonic signal by receiving the amplified input signal from the amplifier 80 and is disposed at the center of the first surface of the concrete specimen 10 and the second transducer 30 is disposed at the center of the concrete specimen 10 and is disposed at the center of the second surface located opposite the first surface of the concrete specimen 10. The ultrasonic wave propagates through the first surface of the concrete specimen 10, The deformation measuring unit 40 is disposed on the side of the first transducer 20 and the third and fourth surfaces of the concrete specimen 10 and is disposed in a balanced manner with respect to the direction of load so as to measure the deformation of the concrete specimen 10. The first digital converter 90 receives the ultrasonic signal output from the second transducer 30 and converts the ultrasonic signal into a digital signal. The second digital converter 100 receives the signal output from the deformation measuring unit 40, . The control unit 110 obtains the frequency spectrum based on the data acquired from the first digital converter 90 and calculates the nonlinear factor using the frequency spectrum and the data acquired from the second digital converter 100. [

콘크리트 시편(10)은 실험을 위해 준비된다. 구체적으로 [표 1]과 같은 배합으로 제작되었으며, 19mm 이하의 굵은 골재(Coarse aggregate)의 최대 크기는 19mm이고, 잔 골재(Fine aggregate)의 최대 크기는 4mm이다. 콘크리트 시편(10)에는 혼합물(admixtures) 또는 추가 물질을 포함시키지 않았다. The concrete specimen 10 is prepared for the experiment. The maximum size of the coarse aggregate of 19 mm or less is 19 mm and the maximum size of the fine aggregate is 4 mm. The concrete specimen 10 did not include admixtures or additional materials.

[표 1][Table 1]

Figure 112016123816945-pat00031
Figure 112016123816945-pat00031

콘크리트 시편(10)은 2가지 형태의 거푸집에서 제작되었고 수중양생과정을 거쳤다. 콘크리트의 압축강도를 측정하기 위한 콘크리트 시편(10)은 직경 100mm, 높이 200mm의 원기둥 시편으로 제작되었고, 본 실험인 콘크리트의 비선형 인자 하중 의존성을 확인하기 위한 콘크리트 시편(10)은 단면 100mmⅹ100mm, 높이 30mm의 육면체 시편으로 제작되었다. 이러한 육면체 시편의 규격은 하중을 가하는 가압부(130)의 상하에 위치한 베어링 블록(60)과 콘크리트 시편(10) 사이에서 발생하는 구속효과에 의해, 콘크리트 시편(10) 중심부에 압력이 집중되는 현상을 최소화한다. 수중양생이 끝난 28일 후, 콘크리트 시편(10)은 상온 및 상대습도 50%의 조건에서 2달간 보관되었고, 표준 시험방법인 ASTM C39에 따라 5개의 원기둥 시편의 압축 강도를 측정한 결과 평균 압축강도는 50.0MPa로 확인되었다. 본 실험에서는 3개의 육면체 시편이 사용되었으며, 그 중 2개는 위에 언급된 것과 같은 일반적 조건에서 보관되었고, 나머지 한 개의 시편은 화로를 사용해 섭씨 200도에서 가열함으로써 콘크리트 시편(10) 내부의 미세균열을 유도하였다. 문헌에 따르면, 섭씨 200도의 열에 노출된 콘크리트의 압축 강도는 약간 감소하거나 거의 비슷한 수준을 유지하는 것으로 확인되었으나, 전자주사현미경 촬영 사진을 보면, 미세 균열은 빠르게 진행되고 부피가 변하는 것을 알 수 있다. 이는 비선형 초음파 공진 실험에 큰 영향을 미치고, 또한 역으로 비선형 초음파 공진 실험에 의해 파악될 수 있다. 섭씨 200도씨까지 도달하기 위해 걸린 초기 20분을 포함하여 총 5시간동안 가열하였는데, 이는 콘크리트의 내부 온도가 외부 온도와 같이 가열되기에 충분한 시간이다. 이후, 가열된 콘크리트는 상온에서 충분히 식혔다.The concrete specimen (10) was fabricated in two types of molds and underwent underwater curing. The concrete specimen (10) for measuring the compressive strength of concrete was made of a cylindrical specimen with a diameter of 100 mm and a height of 200 mm, and the concrete specimen (10) for confirming the nonlinear factor load dependency of the experiment was 100 mm × 100 mm in section, Of hexagonal specimens. The specifications of such a hexahedral specimen are such that the pressure is concentrated at the central portion of the concrete specimen 10 due to the restraining effect generated between the bearing block 60 and the concrete specimen 10 located above and below the pressing portion 130 to which the load is applied . After 28 days of underwater curing, the concrete specimen (10) was stored for 2 months at room temperature and relative humidity of 50%. The compressive strength of five cylindrical specimens was measured according to ASTM C39 Was found to be 50.0 MPa. Three hexahedral specimens were used in this experiment, two of them were stored under the general conditions as mentioned above, and the other specimen was heated at 200 degrees Celsius using a furnace to cause microcracks in the concrete specimen 10 Lt; / RTI > According to the literature, the compressive strength of concrete exposed to heat at 200 degrees Celsius was found to be slightly reduced or maintained at about the same level, but the electron micrographs show that the microcracks progress rapidly and the volume changes. This has a great influence on the nonlinear ultrasonic resonance experiment, and conversely, it can be grasped by the nonlinear ultrasonic resonance experiment. It was heated for a total of 5 hours including the initial 20 minutes to reach 200 degrees Celsius, which is a sufficient time for the internal temperature of the concrete to heat up like the external temperature. Thereafter, the heated concrete was sufficiently cooled at room temperature.

제1 트랜스듀서(20)(transducer)는 초음파 신호를 발생시키고, 제2 트랜스듀서(30)는 초음파 신호를 수신한다. 본 발명의 실시 예에 따른, 제1 트랜스듀서(20)는 초음파 신호를 전송하기 위해 40kHz를 중심으로 하는 협 대역 초음파 트랜스듀서(narrow-band ultrasonic transducer)이며, 육면체로 이루어진 콘크리트 시편(10)의 측면인 제1면 중앙부에 배치된다. 제2 트랜스듀서(30)는 전파된 초음파 신호를 수신하기 위해 100kHz를 중심으로 하는 광 대역 초음파 트랜스듀서(broad-band ultrasonic transducer)이며, 콘크리트 시편(10)의 제1면 맞은 편에 위치한 제2면 중앙부에 배치된다. 트랜스듀서는, 본 실험에서 사용된 제1 트랜스듀서(20) 및 제2 트랜스듀서(30) 이외에 다른 트랜스듀서도 실험환경에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 실험이 진행되는 동안, 두 트랜스듀서와 콘크리트 시편(10) 사이의 접촉을 유지하기 위해 점도가 높은 접촉매질(couplant)이 사용될 수 있다. The first transducer (20) generates an ultrasonic signal, and the second transducer (30) receives an ultrasonic signal. The first transducer 20 according to an embodiment of the present invention is a narrow-band ultrasonic transducer centered at 40 kHz for transmitting an ultrasonic signal, and a concrete specimen 10 made of a hexahedron And is disposed at the center of the first surface which is the side surface. The second transducer 30 is a broad-band ultrasonic transducer centered at 100 kHz to receive the propagated ultrasonic signal, and the second transducer 30 is located at the second And is disposed at the center of the surface. In addition to the first transducer 20 and the second transducer 30 used in the present experiment, the transducer may be variously selected depending on the experimental environment. In an embodiment of the present invention, a highly viscous couplant may be used to maintain contact between the two transducers and the concrete specimen 10 during the course of the experiment.

변형 측정부(40)는 콘크리트 시편(10)의 변형을 측정한다. 대표적으로 스트레인 게이지(strain gauge)가 사용되며, 본 발명의 실시 예에 따라, 콘크리트 시편(10)의 변형을 측정할 수 있다면, 다른 형태의 장치들도 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 변형 측정부(40)는 콘크리트 시편(10)의 3면에 배치될 수 있다. 구체적으로 제1 트랜스듀서(20)가 부착되는 제2면 중앙부의 옆, 제3면 및 제4면의 중앙부에 배치될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라 제2 트랜스듀서(30)가 부착되는 제2면에는 부착되지 않을 수 있다. 변형 측정부(40)는 하중방향과 평행하게 배치 될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따라, 변형 측정부(40)의 위치는 실험환경에 따라 달리 할 수 있으며, 콘크리트 시편(10)의 변형이 효과적으로 측정될 수 있는 위치라면 어디든 문제되지 않는다. 하중이 가해지는 동안 온도는 20도, 습도는 50%로 거의 일정하게 유지될 수 있다. 각각의 변형 측정부(40)에서 출력되는 신호는 제2 디지털변환기(100)에서 디지털 신호로 변환되고, 변환된 신호는 제어부(110)로 입력된다. 제어부(110)에서는 3개의 값을 평균하여 변형 값(

Figure 112016123816945-pat00032
)으로 사용한다.The deformation measuring unit 40 measures the deformation of the concrete specimen 10. Other types of devices may be used as long as strain gauges are typically used, and deformation of the concrete specimen 10 can be measured according to an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, the deformation measuring unit 40 may be disposed on three sides of the concrete specimen 10. Specifically, the first transducer 20 may be disposed on the side of the central portion of the second surface to which the first transducer 20 is attached, the third surface, and the central portion of the fourth surface. But may not be attached to the second surface to which the second transducer 30 is attached according to the embodiment of the present invention. The deformation measuring unit 40 may be disposed parallel to the load direction. According to the embodiment of the present invention, the position of the deformation measuring unit 40 can be varied according to the experimental environment and is not a problem at any position where the deformation of the concrete specimen 10 can be effectively measured. While the load is applied, the temperature can be kept almost constant at 20 degrees and the humidity at 50%. The signal output from each of the strain measuring units 40 is converted into a digital signal by the second digital converter 100, and the converted signal is input to the controller 110. The control unit 110 averages the three values to obtain the deformation value (
Figure 112016123816945-pat00032
).

가압부(130)는 로드 셀(50) 상부와 하부 베어링 블록(60) 하부에서 콘크리트 시편(10)을 향해 압축하중을 가한다. 압축하중은 상하 베어링 블록(60)을 통해 베어링 블록(60) 사이에 위치한 콘크리트 시편(10)에 전달된다. 가압부(130)에 의해 가해지는 하중(압력)은 로드 셀(50)(Load cell)을 통해 측정된다.The pressing portion 130 applies a compressive load to the concrete specimen 10 from the upper portion of the load cell 50 and the lower portion of the lower bearing block 60. The compression load is transmitted to the concrete specimen 10 located between the bearing blocks 60 via the upper and lower bearing blocks 60. The load (pressure) applied by the pressing portion 130 is measured through the load cell 50 (Load cell).

로드 셀(50)(Load cell)은 콘크리트나 철근 등 시편의 역학적 성질을 시험하는 측정 기기의 일종이다. 일 예로, 하중 측정 기구는 시편에 선 변형 게이지를 부착하고, 힘을 가하여 생기는 축 방향의 변형을 측정하여 하중으로 환산한다. 인장형, 압축형 및 양자 겸용의 로드 셀(50)이 있으며, 대략 5㎏~200t 정도까지 측정할 수 있는 여러 가지 종류가 존재한다. 본 발명의 실시 예에 따라, 로드 셀(50)은 상부 베어링 블록(60) 상에 배치되며, 가압부(130)를 통해 가해지는 하중(압력)은 모니터(120)를 통해 숫자로 나타난다.The load cell 50 (load cell) is a kind of measuring instrument for testing the mechanical properties of a specimen such as concrete or steel bar. For example, a load measuring instrument attaches a strain gage to a specimen and converts the strain in the axial direction caused by the application of force into a load. There are a tensile type, a compression type, and a combined type load cell 50, and there are various kinds that can measure from about 5 kg to about 200 t. According to an embodiment of the present invention, the load cell 50 is disposed on the upper bearing block 60, and the load (pressure) exerted through the pressing portion 130 appears numerically through the monitor 120.

베어링 블록(60)은 콘크리트 시편(10)을 고정하고, 가압부(130)로부터 가해지는 압축하중을 콘크리트 시편(10)에 전달하는 역할을 한다. The bearing block 60 serves to fix the concrete specimen 10 and to transmit the compressive load applied from the pressing portion 130 to the concrete specimen 10.

신호 발생기(70)는 연속적인 펄스파를 발생시킬 수 있는 장치이다. 본 발명의 실시 예에서는 National Instruments Crop. PXI 5421 모델이 사용되었으며, 펄스파를 발생시킬 수 있는 장치라면 어떤 모델이든 본 발명의 실시 예로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 10ms의 간격으로 디지털 펄스 신호가 발생되었으며, 증폭기(80)를 통해서 진폭이 증대되었다. The signal generator 70 is a device capable of generating a continuous pulse wave. In an embodiment of the present invention, National Instruments Crop. A PXI 5421 model was used and any model could be used as an embodiment of the present invention as long as it is capable of generating a pulsed wave. In the embodiment of the present invention, a digital pulse signal is generated at intervals of 10 ms, and the amplitude is amplified through the amplifier 80.

제1 디지털변환기(90)(analogue-to-digital converter) 및 제2 디지털변환기(100)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 장치이다. 본 발명의 실시 예에 따라, 제1 디지털변환기(90)(High Sampling Rate A/D)는 제2 트랜스듀서(30)로부터 측정된 신호를 받고, 제2 디지털변환기(100)(Low Sampling Rate A/D)는 변형 측정부(40)로부터 측정된 신호를 수신한다. 본 발명의 실시 예에 따라, 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 높이기 위해서 초음파 신호는 100배 평균될 수 있다.The first digital-to-digital converter 90 and the second digital-to-digital converter 100 are devices for converting an analog signal into a digital signal. According to an embodiment of the present invention, a first digital converter 90 (High Sampling Rate A / D) receives a signal measured from a second transducer 30 and a second digital converter 100 / D) receives the measured signal from the deformation measuring unit 40. [ In accordance with an embodiment of the present invention, the ultrasound signal may be averaged over 100 times in order to increase the signal-to-noise ratio.

도 2를 참조하면, 제어부(110)는 제1 디지털변환기(90) 및 제2 디지털변환기(100)로부터 입력된 신호를 주파수 신호로 변환하고, 주파수로 변환된 신호에 상호상관 기법을 적용하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단할 수 있는 비선형 인자를 구한다. 본 발명의 실시 예에 따라, 제어부(110)는 일반적으로 PC를 나타내지만, 이에 국한되는 것은 아니며 연산을 할 수 있는 장치라면 어떠한 것이든 본 발명에 사용될 수 있다. 2, the controller 110 converts a signal input from the first digital converter 90 and the second digital converter 100 into a frequency signal and applies a cross-correlation technique to the frequency- Nonlinear history of the nonlinear history. According to an embodiment of the present invention, the controller 110 generally represents a PC, but is not limited thereto, and any device capable of performing calculations can be used in the present invention.

제1 디지털변환기(90) 및 제2 디지털변환기(100)로부터 제어부(110)로 입력된 디지털 신호는 시간축에 대한 주파수 스펙트럼(frequency spectrum)을 얻기 위해 퓨리에 변환(fast-Fourier Transform)된다. 본 발명의 실시 예에 따라, 주파수 변환 전에, 측정결과는 주파수 해상력(frequency resolution)을 향상시키기 위해 499번 제로 패딩(zero-padded) 될 수 있다. 이는 본 신호 앞 또는 뒤에 세기 0을 갖는 신호를 499회 반복 송출하여 해상력을 향상시킨 후, 데이터 분석 시에는 제외하는 방법을 뜻한다.The digital signals input from the first digital converter 90 and the second digital converter 100 to the controller 110 are fast-Fourier transformed to obtain a frequency spectrum for the time axis. According to an embodiment of the present invention, before frequency conversion, the measurement result may be zero padded 499 to improve frequency resolution. This means that the signal having the intensity 0 before or after this signal is repeatedly transmitted 499 times to enhance the resolution and exclude it from the data analysis.

퓨리에 변환된 주파수 신호에 비선형 초음파 공진 기법(Nonlinear Resonant Ultrasonic Method)을 적용하여 콘크리트의 비선형 이력 효과를 판단할 수 있는 비선형 인자를 구하는 방법을 설명하기로 한다. 이는 제어부(110)에서 이루어질 수 있다. Nonlinear Resonant Ultrasonic Method is applied to the Fourier transformed frequency signal to obtain a nonlinear factor for determining the nonlinear hysteresis effect of concrete. This can be done in the controller 110.

비선형 초음파 공진 기법은 콘크리트 시편(10) 통과 후에 측정되는 주파수 스펙트럼의 비교를 기반으로 하며, 이러한 주파수 스펙트럼은 입력파의 진폭이 변화함으로써 임펄스 응답(impulse response)이 다르게 측정된다. 시멘트를 주 재료로 하는 콘크리트는 비선형적 이력 효과(nonlinear hysteretic behaviors)를 보이는 대표적인 물질이며, 비선형 이력 효과는 압력-변형(stress-strain) 관계 상에서 이력 현상(hysteretic behaviors) 및 압력 기억 효과(stress memory effect)를 나타낸다. 이러한 현상은 비선형 초음파 공진 기법 실험을 통해 입력파의 진폭의존 주파수 천이(amplitude-dependent frequency shift)에 근거한 비선형 인자(nonlinear parameter)를 측정함으로써 효과적으로 평가될 수 있다. The nonlinear ultrasonic resonance technique is based on a comparison of the frequency spectra measured after passing the concrete specimen 10, and the impulse response is measured differently by changing the amplitude of the input wave. Concrete using cement as a main material is a representative material showing nonlinear hysteretic behaviors. Nonlinear hysteresis effects are caused by hysteretic behaviors and stress memory in a stress-strain relationship. effect. This phenomenon can be effectively evaluated by measuring the nonlinear parameter based on the amplitude-dependent frequency shift of the input wave through nonlinear ultrasonic resonance technique experiments.

본 발명의 실시 예에 따라, 제어부(110)는 주파수 천이(frequency shift)로부터 비선형 인자(

Figure 112016123816945-pat00033
)를 구할 수 있다. 본 발명에서 비선형 인자는 아래의 식(수학식 1, 2)에 의해 산출될 수 있다. 아래 식(수학식 1, 2)은 비선형 이력 효과(M)와 이에 상응하는 비선형 인자(
Figure 112016123816945-pat00034
)를 포함하는 탄성계수의 1차원 표현식이다. According to an embodiment of the present invention, the control unit 110 may convert a frequency shift from a frequency shift to a non-
Figure 112016123816945-pat00033
) Can be obtained. In the present invention, the nonlinear factor can be calculated by the following equations (1) and (2). The following equations (1) and (2) show the nonlinear hysteresis effect (M) and the corresponding nonlinear factor
Figure 112016123816945-pat00034
) ≪ / RTI >

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112016123816945-pat00035
Figure 112016123816945-pat00035

[수학식 2] &Quot; (2) "

Figure 112016123816945-pat00036
Figure 112016123816945-pat00036

변형속도(

Figure 112016123816945-pat00037
)가 0보다 크면 sign (
Figure 112016123816945-pat00038
) = 1 이고, 변형속도(
Figure 112016123816945-pat00039
)가 0보다 작으면 sign (
Figure 112016123816945-pat00040
) = -1이다.
Figure 112016123816945-pat00041
는 선형 공진 주파수(linear resonant frequency)이며,
Figure 112016123816945-pat00042
는 진폭이 변화함에 따라 측정되는 공진 주파수이다. 이때, 선형 공진 주파수는 콘크리트가 완전히 탄성적인 성질을 보인다고 가정할 때에 나타나는 공진 주파수이며, 본 발명의 실시 예에 따라, 선형 공진 주파수는 입력파의 진폭이 가장 작은 경우에 측정된 주파수 값으로 대체할 수 있다. 입력파 진폭이 점차 증가함에 따라 주파수 차(frequency difference,
Figure 112016123816945-pat00043
)는 일반적으로 측정되었을 때에 주파수 스펙트럼에서 가장 높은 피크(peak) 값을 기준으로 결정된다. 자유 진동을 하는 콘크리트 시편(10)의 경우, 피크 주파수(peak frequency)는 오직 하나만 나타난다. 그러나, 본 발명의 실시 예의 경우, 주파수 응답 스펙트럼(frequency response spectrum)은 여러 개의 피크를 나타내는데, 이는 압축력을 가할 때에 콘크리트 시편(10)을 위 아래에서 고정하는 구속조건 등에 의해 나타나는 것으로 추정할 수 있다. Strain rate
Figure 112016123816945-pat00037
) Is greater than 0, sign (
Figure 112016123816945-pat00038
) = 1, the strain rate (
Figure 112016123816945-pat00039
) Is less than 0, sign (
Figure 112016123816945-pat00040
) = -1.
Figure 112016123816945-pat00041
Is a linear resonant frequency,
Figure 112016123816945-pat00042
Is the resonant frequency measured as the amplitude changes. In this case, the linear resonance frequency is a resonance frequency that appears when the concrete is supposed to exhibit a completely elastic property. According to the embodiment of the present invention, the linear resonance frequency is replaced with the measured frequency value when the amplitude of the input wave is the smallest . As the input wave amplitude gradually increases, the frequency difference (frequency difference,
Figure 112016123816945-pat00043
) Is generally determined based on the highest peak value in the frequency spectrum when measured. For the concrete specimen 10 with free vibration, only one peak frequency appears. However, in the case of the embodiment of the present invention, the frequency response spectrum shows a plurality of peaks, which can be assumed to appear due to constraints or the like which fix the concrete specimen 10 at the top and bottom when compressive force is applied .

본 발명의 실시 예와 마찬가지로 피크가 오직 하나만 나타나는 이상적인 경우는 드물다고 볼 수 있다. 입력 파의 진폭이 변화함에 따라 여러 주파수 스펙트럼 하의 측정 값들이 한 그래프 안에 나타나게 되고, 피크 영역에서도 그래프가 중첩되거나 서로 간섭되는 경우가 있음을 알 수 있다. 이러한 주파수 스펙트럼의 불확실성을 피하기 위하여, 상호상관 기법(Cross-correlation method)을 적용할 수 있다. As in the embodiment of the present invention, the ideal case in which only one peak appears is rare. As the amplitude of the input wave changes, the measured values under various frequency spectra appear in one graph, and the graphs overlap in the peak region or interfere with each other. In order to avoid the uncertainty of the frequency spectrum, a cross-correlation method can be applied.

본 발명의 실시 예에 따라, 제어부(110)는 가장 낮은 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼을 구하고, 순차적으로 증가된 입력 진폭일 때 각각 측정된 주파수 스펙트럼을 구할 수 있다. 제어부(110)는 이 주파수 스펙트럼으로부터 상호상관 합을 구할 수 있다. 본 발명에서 상호상관 합은 아래의 식(수학식 3)에 의해 산출될 수 있다. 상호상관 기법은 일반적으로 두 주파수 스펙트럼 배열의 시간 천이를 계산하기 위해 사용되는 기법으로, 아래의 식(수학식 3)과 같이 서로 다른 두 주파수 값들 사이에서 k-shift를 계산한다. According to an embodiment of the present invention, the controller 110 may obtain the frequency spectrum measured when the input amplitude is the lowest and the frequency spectrum measured when the input amplitude is sequentially increased. The control unit 110 can obtain a cross-correlation sum from the frequency spectrum. In the present invention, the cross-correlation sum can be calculated by the following equation (3). The cross-correlation technique is generally used to calculate the time shift of two frequency spectrum arrays, and calculates a k-shift between two different frequency values as shown in the following equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112016123816945-pat00044
Figure 112016123816945-pat00044

여기서,

Figure 112016123816945-pat00045
는 두 주파수 스펙트럼 배열간의 상호상관 합(cross-correlation sum)이고,
Figure 112016123816945-pat00046
는 가장 낮은 입력파 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(frequency spectrum measured from the lowest input amplitude)이고,
Figure 112016123816945-pat00047
는 n번째로 증가된 입력파 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(frequency spectrum measured from the n-th increase input amplitude)을 나타낸다. here,
Figure 112016123816945-pat00045
Is a cross-correlation sum between two frequency spectrum arrays,
Figure 112016123816945-pat00046
Is the measured frequency spectrum from the lowest input amplitude at the lowest input wave amplitude,
Figure 112016123816945-pat00047
Represents the measured frequency spectrum from the n- th increase input amplitude at the n- th increased input wave amplitude.

본 발명의 실시 예에 따라, 제어부(110)는

Figure 112016123816945-pat00048
와
Figure 112016123816945-pat00049
으로부터 상호상관 합을 구할 수 있고, 상호상관 합이 최대일 때의 주파수 스펙트럼의 개수와 비교 횟수를 구할 수 있다. 본 발명에서 비교 횟수는 아래의 식(수학식 4)에 의해 산출될 수 있다. 실험과정에서 측정된 주파수 스펙트럼의 개수가 N개 일 때에 k=N-1([수학식 4])이 될 때까지 반복 비교를 수행함으로써, 특정 번째의 입력파 진폭일 때 상호상관 합의 최대값을 찾아낸다. 구체적으로 설명하면, 퓨리에 변환은 제어부(110)에서 이루어지고, 제어부(110)(일 예로써 컴퓨터) 내의 코딩 프로그램에 의해 자동으로 실행되어 퓨리에 변환된다. 변환된 데이터는 제어부(110)에 저장된다. 1회 실험에서 주파수 스펙트럼의 개수 N은 제어부(110)에서 설정할 수 있다. 예를 들어, 같은 조건하에 입력파 진폭만 바꿔가며 16회 측정을 한 경우, 측정된 주파수 스펙트럼의 개수 N은 16이 되고, 비교 횟수 k는 16-1=15회가 된다. 비교를 15회 반복하는 과정에서, 기존 상호상관의 최대 합이 A이고, 다음 순서의 상호상관의 최대 합이 B일 때에 A>B 인지를 비교하여 16개의 값 중 최대값을 찾을 수 있다. 도 3은 상호상관 기법이 적용되기 전 비선형 초음파 공진 기법으로 측정된 주파수 스펙트럼이다. 즉, 콘크리트 시편(10)을 N회 연속으로 측정하고, 측정된 데이터를 퓨리에 변환을 하여 함께 그려놓은 주파수 대역의 비선형 초음파 공진 기법 측정결과이다. 도 3의 파형을 바탕으로 상호상관 기법을 적용하여 주파수 천이(frequency shift)를 계산할 수 있다. 도 3을 참조하면, 가장 높은 진폭을 보이는 산 봉우리 모양의 피크 값이 해당 주파수 스펙트럼에서의 공진 주파수 값을 나타낸다. 이는 모든 주파수 영역대로 송신된 초음파가 매질을 통과하면서 특정 주파수 영역대의 파만 남기 때문이다. 이러한 공진 주파수는 입력파의 진폭이 증가하여도 그래프의 개형 등 그 경향성이 유지가 되나, 이와 동시에 특정 방향으로 천이되는 현상이 나타난다.According to an embodiment of the present invention,
Figure 112016123816945-pat00048
Wow
Figure 112016123816945-pat00049
And the number of frequency spectra and the number of times of comparison when the cross-correlation sum is maximum can be obtained. In the present invention, the number of times of comparison can be calculated by the following equation (4). When the number of frequency spectrums measured in the experiment is N, the iterative comparison is performed until k = N-1 (Equation (4)), so that the maximum value of the cross- Find out. More specifically, the Fourier transform is performed in the control unit 110, and is automatically executed and Fourier transformed by a coding program in the control unit 110 (e.g., a computer). The converted data is stored in the control unit 110. The number N of frequency spectra in one experiment can be set in the control unit 110. [ For example, if the measurement is performed 16 times while changing the input wave amplitude under the same condition, the number N of the measured frequency spectra is 16, and the number of comparison k is 16-1 = 15 times. In the process of repeating the comparison 15 times, the maximum value of the 16 values can be found by comparing whether the maximum sum of the existing cross-correlations is A and the maximum sum of the cross-correlations in the next step is B, A> B. 3 is a frequency spectrum measured by a nonlinear ultrasonic resonance technique before the cross-correlation technique is applied. That is, the result of measurement of the nonlinear ultrasonic resonance technique of the frequency band in which the concrete specimen 10 is measured N times continuously and the measured data is Fourier transformed and drawn together. The frequency shift can be calculated by applying the cross-correlation technique based on the waveform of FIG. Referring to FIG. 3, the peak value of the peak of the peak showing the highest amplitude represents the resonance frequency value in the corresponding frequency spectrum. This is because ultrasonic waves transmitted through all the frequency ranges pass through the medium and remain only in a specific frequency band. This resonance frequency maintains its tendency such as the opening of the graph even if the amplitude of the input wave increases, but at the same time, the phenomenon of transition to a specific direction appears.

본 발명의 실시 예에 따라, 제어부(110)는 비교 횟수로부터 주파수 천이를 구할 수 있다. 본 발명에서 두 주파수 스펙트럼간의 주파수 천이(

Figure 112016123816945-pat00050
)는 아래의 식(수학식 5)에 의해 산출 될 수 있다. According to the embodiment of the present invention, the control unit 110 can obtain the frequency transition from the number of times of comparison. In the present invention, the frequency shift between two frequency spectra (
Figure 112016123816945-pat00050
Can be calculated by the following equation (5). &Quot; (5) "

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112016123816945-pat00051
Figure 112016123816945-pat00051

여기서,

Figure 112016123816945-pat00052
는 측정된 주파수 스펙트럼의 값들이 얼마나 촘촘한 간격으로 구성되어 있는지를 나타내는 주파수 해상력(frequency resolution)을 나타내며, 실험으로부터 알 수 있다. 본 실험에서 주파수 해상력(
Figure 112016123816945-pat00053
)은 측정된 주파수 값들의 샘플링 간격을 나타낸다. 본 발명의 실시 예에 따라, 실험에서 주파수 변환 전에, 측정결과는 주파수 해상력(
Figure 112016123816945-pat00054
)을 향상시키기 위해 499번 제로 패딩(zero-padded)될 수 있다. 이때, 수학식 5에서의 df는 0.2Hz이다. 비교 횟수인 k값과 주파수 해상력인 df값을 수학식 5에 입력하여 주파수 천이(
Figure 112016123816945-pat00055
) 값을 계산할 수 있다. here,
Figure 112016123816945-pat00052
Shows the frequency resolution indicating how closely spaced the values of the measured frequency spectrum are, and it can be known from experiments. In this experiment,
Figure 112016123816945-pat00053
) Represents the sampling interval of the measured frequency values. According to an embodiment of the present invention, before the frequency conversion in the experiment, the measurement result is a frequency resolution
Figure 112016123816945-pat00054
Padded < / RTI > to improve < RTI ID = 0.0 > At this time, df in the equation (5) is 0.2 Hz. The k value as the number of times of comparison and the df value as the frequency resolution are input to the equation (5)
Figure 112016123816945-pat00055
) Can be calculated.

본 발명의 실시 예에 따라, 주파수 천이(

Figure 112016123816945-pat00056
)로부터 비선형 인자를 구할 수 있다. 주파수 천이(
Figure 112016123816945-pat00057
) 값을 수학식 2에 입력하여 비선형 인자(
Figure 112016123816945-pat00058
)를 구할 수 있다. 수학식 2에서 값으로 주파수 천이(
Figure 112016123816945-pat00059
) 값을 입력하고,
Figure 112016123816945-pat00060
값으로 입력파의 진폭이 가장 작은 경우에 측정된 주파수 값을 입력할 수 있으며, 변형 값(
Figure 112016123816945-pat00061
)은 제2 디지털변환기(100)로부터 취득된 데이터 값을 입력할 수 있다. 각각의 변형 측정부(40)에서 출력되는 신호는 제2 디지털변환기(100)에서 디지털 신호로 변환되고, 변환된 신호는 제어부(110)로 입력된다. 제어부(110)는 3개의 값을 평균하여 변형 값(
Figure 112016123816945-pat00062
)으로 사용한다. 이렇게 입력된 데이터 값으로부터 콘크리트의 비선형 이력 효과를 판단할 수 있는 비선형 인자(linear parameter)를 구할 수 있다. According to an embodiment of the present invention,
Figure 112016123816945-pat00056
The nonlinear factor can be obtained. Frequency shift (
Figure 112016123816945-pat00057
) Into the equation (2) to obtain the nonlinear factor (
Figure 112016123816945-pat00058
) Can be obtained. The frequency shift in the equation (2)
Figure 112016123816945-pat00059
) Value,
Figure 112016123816945-pat00060
Value, the measured frequency value can be input when the amplitude of the input wave is the smallest, and the deformation value
Figure 112016123816945-pat00061
Can input the data value acquired from the second digital converter 100. [ The signal output from each of the strain measuring units 40 is converted into a digital signal by the second digital converter 100, and the converted signal is input to the controller 110. The control unit 110 averages the three values to obtain the deformation value (
Figure 112016123816945-pat00062
). A linear parameter that can be used to determine the nonlinear hysteresis effect of the concrete can be obtained from the input data values.

상기와 같은 상호상관 기법을 적용하여 콘크리트의 비선형 이력 효과를 판단할 수 있는 비선형 인자를 구하는 방법을 도 4에 나타내었다. 도 4는 상호상관 기법을 적용하여 비선형 인자를 구하는 단계를 나타내는 절차도이다. 도 4를 참조하여 단계별로 설명하면 다음과 같다.FIG. 4 shows a nonlinear factor determining method for determining the nonlinear hysteresis effect of concrete by applying the above-mentioned cross-correlation technique. FIG. 4 is a flowchart showing a step of obtaining a nonlinear factor by applying a cross-correlation technique. Referring to FIG. 4, description will be made as follows.

본 발명의 실시 예에 따라, 제2 트랜스듀서(30)로부터 출력된 신호는 제1 디지털 변환기(90)에 입력되고, 제1 디지털 변환기(90)를 통해 디지털 신호가 획득된다(S01). 이 디지털 신호는 제어부(110)에서 주파수 스펙트럼으로 변환되고, 가장 낮은 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(

Figure 112016123816945-pat00063
) 데이터와, 순차적으로 증가된 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(
Figure 112016123816945-pat00064
) 데이터를 구하는 단계(S02)를 거친다. 그 다음,
Figure 112016123816945-pat00065
와
Figure 112016123816945-pat00066
데이터를 수학식 3에 입력하여 상호상관 합(
Figure 112016123816945-pat00067
)을 구한다(S03). 상호상관 합을 비교하여 상호상관 합의 최대값을 구하고, 상호상관 합이 최대일 때의 주파수 스펙트럼의 개수(N) 및 비교 횟수(k)를 구한다(S04). N값을 수학식 4에 입력하여 비교 횟수(k)를 구하는 것이다. 그 다음, 비교 횟수를 수학식 5에 입력하여 주파수 천이(
Figure 112016123816945-pat00068
)를 구하는 단계(S05)를 수행한다. 마지막으로, 주파수 천이(
Figure 112016123816945-pat00069
)를 수학식 2에 입력하여 비선형 인자(
Figure 112016123816945-pat00070
)를 구하는 단계(S06)를 수행한다. 이와 같은 단계에서, 주파수 해상력(
Figure 112016123816945-pat00071
)은 측정된 주파수 값들의 샘플링 간격을 나타내며, 선형 공진 주파수(
Figure 112016123816945-pat00072
)는 가장 낮은 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼 데이터이며, 변형 값(
Figure 112016123816945-pat00073
)은 제2 디지털변환기(100)로부터 취득된 데이터를 의미한다. 상기에서 검토된 비선형 인자를 구하는 S01부터 S06까지의 단계는 순서가 정해진 확정적인 단계는 아니다. 본 발명의 실시 예에 따라, 단계별 순서를 달리 정할 수 있다. 일 예로, 주파수 스펙트럼 개수(N) 및 비교 횟수(k) 값을 구한 다음(S04), 상호상관 합을 구하고(S03), 상호상관 합을 비교하여 상호상관 합의 최대값을 찾을 수 있다. 각각의 값을 구할 수 있다면 단계별 순서를 달리하더라도 본 발명의 실시 예에 속한다 할 것이다. According to the embodiment of the present invention, the signal output from the second transducer 30 is input to the first digital converter 90, and the digital signal is obtained through the first digital converter 90 (S01). The digital signal is converted into a frequency spectrum by the control unit 110, and the frequency spectrum measured at the lowest input amplitude (
Figure 112016123816945-pat00063
) Data, and a frequency spectrum measured at sequentially increasing input amplitudes (
Figure 112016123816945-pat00064
(S02). ≪ / RTI > next,
Figure 112016123816945-pat00065
Wow
Figure 112016123816945-pat00066
The data is input to equation (3)
Figure 112016123816945-pat00067
(S03). The maximum value of the cross-correlation sum is obtained by comparing the cross-correlation sum, and the number (N) of frequency spectrums and the number of times of comparison (k) when the cross-correlation sum is maximum are obtained (S04). N is input to Equation (4) to obtain the number of times of comparison (k). Then, the number of times of comparison is input to Equation (5)
Figure 112016123816945-pat00068
(Step S05). Finally, the frequency shift (
Figure 112016123816945-pat00069
) Into the equation (2) to obtain a nonlinear factor
Figure 112016123816945-pat00070
(Step S06). In this step, the frequency resolution (
Figure 112016123816945-pat00071
) Represents the sampling interval of the measured frequency values, and the linear resonance frequency (
Figure 112016123816945-pat00072
) Is frequency spectrum data measured at the lowest input amplitude, and the deformation value (
Figure 112016123816945-pat00073
Means data acquired from the second digital converter 100. [ The steps from S01 to S06 for obtaining the nonlinear factors discussed above are not definite definitive steps. According to the embodiment of the present invention, the stepwise order can be set differently. For example, the number of frequency spectra N and the number of times of comparison k are obtained (S04), the cross-correlation sum is obtained (S03), and the cross-correlation sum is compared to find the maximum value of the cross-correlation sum. If the respective values can be obtained, the steps will be different according to the embodiment of the present invention.

상호상관이 적용되지 않은 데이터를 분석하는 경우 측정된 주파수 스펙트럼 중 피크가 두 개 이상 나오거나, 겹치는 경우에 문제가 발생될 수 있다. 이론상으로 진폭이 증가함에 따라 한 방향으로 천이되는 주파수의 대역이 오히려 반대 방향으로 천이되는 것으로 나타나거나, 결과가 과대 혹은 과소 평가될 수 있기 때문이다. 이는 오직 피크 값의 한 점을 기준으로 파형을 비교할 때에 흔히 나타날 수 있는 경우이다. 그러나 상호상관을 적용하여 주파수 스펙트럼을 상호 비교하는 경우에는 한 점을 기준으로 하지 않고, 주파수 영역의 전체(또는 대표적 기준점 몇 개)를 기반으로 서로를 비교하기 때문에 이러한 오류가 발생하지 않는다.When analyzing data without cross-correlation, problems may arise when two or more of the peaks of the measured frequency spectrum overlap or overlap. Theoretically, as the amplitude increases, the band of frequencies shifted in one direction may appear to be shifted in the opposite direction, or the result may be over- or underestimated. This is a common case when comparing waveforms based on only one point of peak value. However, when cross-correlation is used to compare frequency spectra, this error does not occur because they are compared with each other based on the entire frequency range (or a few representative reference points) instead of one point.

상기와 같이, 상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중 상태를 측정하고, 이를 근거로 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는 측정장치 및 방법은, 비선형 공진 현상 중 진폭의존성인 공진주파수 천이 현상에 대한 정확도가 향상되며, 비선형 공진특성을 이용한 콘크리트의 손상 정도 파악에 대한 가능성이 확보되고, 상호상관 기법 단계 추가에 따른 시간소요가 크지 않은 효과가 있다. 또한, 기존에 적용되던 비선형 초음파 공진 기법에 상호상관 기법을 추가하여, 보다 정확하고 향상된 민감도를 통해 기술적용을 용이하게 할 수 있고, 상호상관 기법을 적용한 본 발명을 통해 더욱 신뢰성 있는 측정결과를 얻을 수 있다.As described above, the measuring apparatus and method for measuring the load state of concrete by applying the nonlinear ultrasonic resonance method using the cross-correlation and determining the nonlinear history of the concrete based on the measured load state include a method of measuring the amplitude dependent resonance frequency transition And the possibility of understanding the degree of damage of the concrete using the nonlinear resonance characteristics is secured, and the time required for the addition of the cross correlation technique step is not large. In addition, by applying a cross-correlation technique to the existing non-linear ultrasonic resonance technique, it is possible to facilitate application of the technology through more accurate and improved sensitivity, and more reliable measurement results can be obtained through the present invention using the cross- .

이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The features, structures, effects and the like described in the embodiments are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects and the like illustrated in the embodiments can be combined and modified by other persons skilled in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be appreciated that many variations and applications not illustrated are possible. That is, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

10: 콘크리트 시편 20: 제1 트랜스듀서
30: 제2 트랜스듀서 40: 변형 측정부
50: 로드 셀 60: 베어링 블록
70: 신호 발생기 80: 증폭기
90: 제1 디지털변환기 100: 제2 디지털변환기
110: 제어부 120: 모니터
130: 가압부10: Concrete specimen 20: 1st transducer
30: second transducer 40: deformation measuring unit
50: load cell 60: bearing block
70: Signal generator 80: Amplifier
90: first digital converter 100: second digital converter
110: control unit 120: monitor
130:

Claims (11)

상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중 상태를 측정하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는 측정장치에 있어서,
초음파 신호를 발생시키며, 콘크리트 시편의 제1면에 배치되는 제1 트랜스듀서;
상기 제1 트랜스듀서로부터 발생된 초음파 신호를 받고, 상기 콘크리트 시편의 제1면 맞은 편에 위치한 제2면에 배치되는 제2 트랜스듀서;
상기 콘크리트 시편의 변형을 측정하는 변형 측정부; 및
상기 제2 트랜스듀서로부터 취득된 신호에 근거하여 주파수 스펙트럼을 구하고, 상기 주파수 스펙트럼과 상기 변형 측정부로부터 취득된 신호를 이용하여 비선형 인자를 산출하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는, 가장 낮은 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(
Figure 112017022549295-pat00074
)을 구하고, 순차적으로 증가된 입력 진폭일 때 각각 측정된 주파수 스펙트럼(
Figure 112017022549295-pat00075
)을 구하고, 상기
Figure 112017022549295-pat00076
와
Figure 112017022549295-pat00077
으로부터 상호상관 합을 구하며, 상기 상호상관 합이 최대일 때의 주파수 스펙트럼의 개수(N)와 비교 횟수(k)를 구하고, 상기 비교 횟수(k)로부터 주파수 천이(frequency shift,
Figure 112017022549295-pat00078
)를 구하고, 상기 주파수 천이로부터 비선형 인자(
Figure 112017022549295-pat00079
)를 구하고,
상기 변형 측정부로부터 취득된 신호는 상기 제어부로 입력되고, 상기 제어부는 상기 변형 측정부로부터 취득된 신호를 변형 값으로 사용하며,
상기 비선형 인자는 아래의 수학식 1에 의해 산출되고, 상기 비선형 인자로부터 상기 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는, 측정장치.
[수학식 1]
Figure 112017022549295-pat00114

(
Figure 112017022549295-pat00115
: 주파수 천이,
Figure 112017022549295-pat00116
: 선형 공진 주파수,
Figure 112017022549295-pat00117
: 비선형 인자,
Figure 112017022549295-pat00118
: 변형 값)
1. A measuring device for measuring a non-linear history of a concrete by measuring a load state of the concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance method using cross-
A first transducer for generating an ultrasonic signal and disposed on a first surface of the concrete specimen;
A second transducer that receives the ultrasonic signal generated from the first transducer and is disposed on a second surface located opposite the first surface of the concrete specimen;
A deformation measuring unit for measuring a deformation of the concrete specimen; And
And a controller for obtaining a frequency spectrum based on the signal acquired from the second transducer and calculating a nonlinear factor using the frequency spectrum and the signal obtained from the deformation measuring unit,
Wherein the control unit is operable to determine a frequency spectrum measured at the lowest input amplitude
Figure 112017022549295-pat00074
) Are obtained, and the measured frequency spectrums at the sequentially increased input amplitudes (
Figure 112017022549295-pat00075
) Is obtained,
Figure 112017022549295-pat00076
Wow
Figure 112017022549295-pat00077
(N) and the number of times of comparison (k) when the cross-correlation sum is the maximum and a frequency shift (k) is calculated from the comparison frequency (k)
Figure 112017022549295-pat00078
) From the frequency shift, and a nonlinear factor (
Figure 112017022549295-pat00079
),
Wherein the signal obtained from the deformation measuring unit is input to the control unit, and the control unit uses the signal acquired from the deformation measuring unit as a deformation value,
Wherein the nonlinear factor is calculated by the following equation (1), and the nonlinear history of the concrete is determined from the nonlinear factor.
[Equation 1]
Figure 112017022549295-pat00114

(
Figure 112017022549295-pat00115
: Frequency shift,
Figure 112017022549295-pat00116
: Linear resonance frequency,
Figure 112017022549295-pat00117
: Nonlinear factor,
Figure 112017022549295-pat00118
: Strain value)
제1항에 있어서,
상기 상호상관 합은 아래의 수학식 2에 의해 산출되고, 상기 상호상관 합을 기초로 하여 상기 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는, 측정장치.
[수학식 2]
Figure 112017022549295-pat00080

(
Figure 112017022549295-pat00081
: 상호상관 합(cross-correlation sum),
Figure 112017022549295-pat00082
: 가장 낮은 입력 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(frequency spectrum measured from the lowest input amplitude),
Figure 112017022549295-pat00083
: n번째로 증가된 입력파 진폭일 때 측정된 주파수 스펙트럼(frequency spectrum measured from the n-th increase input amplitude))
The method according to claim 1,
Wherein the cross correlation sum is calculated by the following equation (2), and the nonlinear history of the concrete is determined based on the cross correlation sum.
&Quot; (2) "
Figure 112017022549295-pat00080

(
Figure 112017022549295-pat00081
: Cross-correlation sum,
Figure 112017022549295-pat00082
: The frequency spectrum measured from the lowest input amplitude at the lowest input amplitude,
Figure 112017022549295-pat00083
: the frequency spectrum measured from the n- th increase input amplitude at the n- th increased input wave amplitude)
제1항에 있어서,
상기 비교 횟수(k)는 아래의 수학식 3에 의해 산출되고, 상기 비교 횟수(k)를 기초로 하여 상기 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는, 측정장치.
[수학식 3]
k=N-1
(k: 비교 횟수, N: 주파수 스펙트럼의 개수)
The method according to claim 1,
Wherein the comparison frequency k is calculated by the following equation 3 and the nonlinear history of the concrete is determined based on the comparison frequency k.
&Quot; (3) "
k = N-1
(k: number of comparisons, N: number of frequency spectra)
제1항에 있어서,
상기 주파수 천이는 아래의 수학식 4에 의해 산출되고, 상기 주파수 천이를 기초로 하여 상기 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는, 측정장치.
[수학식 4]
Figure 112017022549295-pat00084

(
Figure 112017022549295-pat00085
: 주파수 천이, k: 비교 횟수,
Figure 112017022549295-pat00086
: 주파수 스펙트럼의 주파수 해상력(frequency resolution))
The method according to claim 1,
Wherein the frequency shift is calculated by the following expression (4), and the nonlinear history of the concrete is determined based on the frequency transition.
&Quot; (4) "
Figure 112017022549295-pat00084

(
Figure 112017022549295-pat00085
: Frequency shift, k: comparison frequency,
Figure 112017022549295-pat00086
: Frequency resolution of the frequency spectrum)
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 변형 측정부는 상기 콘크리트 시편의 제1 트랜스듀서 옆과 제3, 4면 중앙부에 위치하고, 하중방향과 평형하게 배치되는, 측정장치.
The method according to claim 1,
Wherein the deformation measuring unit is located on the side of the first transducer of the concrete specimen and in the center of the third and fourth surfaces and is arranged to be in equilibrium with the direction of load.
청구항 제1항 내지 제4항, 제6항 중 어느 한 항의 측정장치를 통해 상호상관이 적용된 비선형 초음파 공진 기법을 적용하여 콘크리트의 하중 상태를 측정하여 콘크리트의 비선형 이력을 판단하는, 측정방법.A method for measuring a nonlinear history of a concrete by measuring a load state of the concrete by applying a nonlinear ultrasonic resonance method using cross-correlation through the measuring device of any one of claims 1 to 4. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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