KR102222727B1 - 구조물 두께 측정 장치 및 방법 - Google Patents

구조물 두께 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 서로 평행하게 배치된 제1 및, 제2 전극과, 일정한 간격으로 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극을 향하여 인장되는 복수의 제1 가지 전극과, 일정한 간격으로 상기 제2 전극으로부터 상기 제1 전극을 향하여 인장되며, 상기 복수의 제1 가지 전극 각각의 사이에 배치되는 복수의 제2 가지 전극을 포함하는 유연성 지지기판; 및, 상기 복수의 제1 가지 전극과 상기 복수의 제2 가지 전극 각각의 상측면에 부착되는 압전소자들을 포함하여 형성되며, 상기 구조물을 따라 표면파가 전파되도록 소정의 파동을 발생시키고, 외력이 인가되는 경우 상기 구조물 곡면의 곡률을 따라 상기 압전소자들이 부착된 유연성 지지기판이 변형되는 IDT(Interdigital transducers) 센서를 포함하며, 상기 IDT 센서에 의해 발생되는 표면파의 주파수 및 파장은, 상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 결정되는 파수민감도 및 모드분리도에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 한다.

Description

구조물 두께 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THICKNESS OF CONSTRUCTION}
본 발명은, IDT(Interdigital transducers) 센서를 이용하여, 구조물의 두께와, 감육(Wall-Thinning)의 발생 여부를 측정하기 위한 장치와, 방법 및 시스템에 관한 것이다.
원자력발전소를 포함한 플랜트에 설치되는 구조물이 노후됨에 따라, 구조물의 두께가 얇아지는 감육 현상이 발생한다. 감육된 구조물은 설계 내압을 견디지 못하고 파단되어 인명피해를 발생시킬 수 있다. 따라서 이를 막기 위해 구조물의 두께 및 결함을 사전에 측정하는 장치를 구조물 두께 측정 장치라 일컫는다.
일반적으로 구조물 두께 측정 장치는 초음파, 진동신호 및 펄스를 이용한 기법을 활용하여 구조물의 두께를 측정한다. 구체적으로, 상기 구조물 두께 측정 장치는 구조물의 초음파, 진동신호 또는 펄스 신호를 구조물에 전달시키고, 감육 또는 결함이 있는 구조물의 일부분으로부터 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 구조물의 상태를 검사하도록 이루어진다.
구조물 두께 측정 장치와 관련하여, 한국 등록특허 제10-1764706호(등록일자, 2017년 07월 28일)에는 "국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법을 이용한 구조물의 두께 측정 시스템 및 그 측정 방법"이 개시된다.
한국 등록특허 제10-1764706호에서 개시하는 구조물의 두께 측정 시스템은, 구조물의 두께와 관련된 영상 정보를 생성하기 위하여 검사 대상인 구조물에 접착되는 압전소자(Piezoelectric Element, PZT)와, 스캐닝을 구현하는 거울과, 두께와 관련된 신호를 수집하는 레이져 진동계(Laser Doppler Vibrometer, LDV)와, 수집된 신호를 처리하는 신호처리부를 포함한다.
그러나 이러한 구성만으로는 검사 대상인 구조물의 두께가 정상 두께 대비 약 25% 이상의 감소되었을 때 비로소 확인이 가능하여, 세밀한 모니터링이 어려운 문제점이 있었다. 구조물의 안전성을 담보하기 위하여, 실제 현장에서는 25% 보다 더 세밀한 두께 변화를 감지할 필요가 있으며, 이러한 두께 변화를 영상 정보로 나타낼 필요성이 대두된다.
즉, 상기 한국 등록특허 제10-1764706호에서 개시하는 가진부는 접촉식 압전소자 또는 비접촉식 진동센서로 구성될 뿐이므로, 보다 세밀한 모니터링을 수행하기에 제한된다.
한편, 최근에는 구조물 건전성 모니터링용 센서인 IDT 센서가 개발 및 연구되고 있다. IDT(Interdigital transducers) 센서는 압전 물질 상 빗살무늬로 배치된 전극에 전압을 인가하여 표면파SAW(Surface Acoustic Wave) 또는 Rayleigh wave를 발생시키는 것이고, IDT 센서를 이용한 구조물 건전성 모니터링이란, IDT 센서에서 발생시키는 표면파를 이용하여 구조물의 건전성(예를 들어, 구조물의 감육 상태 측정)을 평가하는 방법을 일컫는다. 여기서, IDT 센서는 평판 형상의 압전 기판(piezoelectric substrates) 위에 삭각 기술을 이용하여 전극을 구성하고, 상기 전극에 전압을 가해 표면파를 발진시키거나 수신하는 장치를 일컫는다.
그런데 통상적인 IDT 센서의 경우 상술한 바와 같이 평판 형상의 압전 기판 위에 삭각 기술을 통해 전극을 구성함으로써, 구조물이 곡면인 경우 구조물에 압착이 어렵다는 문제가 있다.
한편 초음파의 경우 공기중에서 전파되지 않기 때문에, IDT 센서가 구조물에 압착되지 않는 경우 IDT 센서에서 가진되는 초음파가 구조물에 전달되지 않는다는 문제가 있다. 이에 구조물이 곡면인 경우 평판 형상의 IDT 센서와 곡면의 구조물 사이에, 특정 재질, 예를 들어 아크릴 재질의 웨지(Wedge)를 삽입하여 IDT 센서에서 발진된 표면파가 곡면 구조물에 전달되도록 하여야 한다. 그러나 IDT 센서와 구조물 사이에 웨지가 삽입된 부분의 경우 웨지의 두께에 따른 경계면 손실이 발생하고, 이에 곡면 구조물의 감육 상태를 측정하기에 적합한 신호를 획득하기 위해서는, 이러한 경계면 손실을 고려하여 높은 전압의 입력 신호를 IDT 센서에 입력하여야 한다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 구조물의 두께, 구조물의 초기 두께 변화를 가시화할 수 있는 구조물 두께 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 표면파를 이용하여 구조물의 두께 또는 감육을 검출하고, 나아가 구조물의 두께 변화를 영상화할 수 있는 구조물 두께 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 곡면을 가지는 구조물의 두께 또는 감육을 검출 및 구조물의 두께 변화를 영상화할 수 있는 구조물 두께 측정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따라 곡면의 구조물의 두께를 측정하는 두께 측정 장치는, 서로 평행하게 배치된 제1 및, 제2 전극과, 일정한 간격으로 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극을 향하여 인장되는 복수의 제1 가지 전극과, 일정한 간격으로 상기 제2 전극으로부터 상기 제1 전극을 향하여 인장되며, 상기 복수의 제1 가지 전극 각각의 사이에 배치되는 복수의 제2 가지 전극을 포함하는 유연성 지지기판; 및, 상기 복수의 제1 가지 전극과 상기 복수의 제2 가지 전극 각각의 상측면에 부착되는 압전소자들을 포함하여 형성되며, 상기 구조물을 따라 표면파가 전파되도록 소정의 파동을 발생시키고, 외력이 인가되는 경우 상기 구조물 곡면의 곡률을 따라 상기 압전소자들이 부착된 유연성 지지기판이 변형되는 IDT(Interdigital transducers) 센서를 포함하며, 상기 IDT 센서에 의해 발생되는 표면파의 주파수 및 파장은, 상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 결정되는 파수민감도 및 모드분리도에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 파수민감도는 아래의 수학식에 의해 정의되고,
Figure 112020014998850-pat00001
상기 수학식에서
Figure 112020014998850-pat00002
는 파수변화율,
Figure 112020014998850-pat00003
는 두께변화율, f는 주파수인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 모드분리도는 아래의 수학식에 의해 정의되고,
Figure 112020014998850-pat00004
Figure 112020014998850-pat00005
와
Figure 112020014998850-pat00006
는 서로 다른 두 모드의 파수인 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 제1 가지 전극 또는 제2 가지 전극은, 각각 인접한 다른 가지 전극과 기 설정된 이격 거리가 유지되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝하는 스캐닝부; 상기 스캐닝부로부터 스캐닝한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하는 신호 수집부; 및 상기 신호 수집부에서 측정한 상기 진동 신호에 근거하여, 상기 구조물의 두께를 산출하는 신호 처리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 신호 처리부는, 상기 신호 수집부에서 측정한 상기 진동 신호의 단일 주파수 성분 추출을 위해 밴드패스 필터링을 수행하고, 3차원 행렬 형태의 상기 진동 신호를 2차원 행렬 형태로 변환하기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여 정상상태 응답(Steady state response) 신호를 획득하며, 기설정된 모드를 분리한 후, 국소 공간 웨이브 넘버 필터링 기법을 수행하고 상기 구조물의 두께별 분산선도를 계산한 후, 웨이브넘버와 두께의 상관식을 산출하여 상기 구조물의 두께를 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 신호 처리부는, 산출된 상기 구조물의 두께 별 분산선도를 이용하여 주파수에 따른 파수민감도 및 모드분리도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 유연성 지지기판은, 기 설정된 두께 이하의 금속 재질의 PCB(Printed Circuit Board) 기판으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 수단에 의해, 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 웨지를 삽입하지 않고서도 곡면의 구조물의 감육을 측정할 수 있도록 함으로써, 고전압의 입력 신호를 신호를 인가하지 않고서도 IDT 센서를 이용하여 곡면 구조물의 두께 측정이 가능하도록 한다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 구조물 두께 측정 장치를 나타낸 개념도.
도 2는 도 1에 도시된 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프.
도 3은 도 1에 도시된 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프.
도 4a는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치가 포함하는 플렉서블 IDT 센서를 나타내는 개념도.
도 4b는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치가 포함하는 플렉서블 IDT 센서를 나타내는 개념도.
도 4c는 본 발명에 따른 플렉서블 IDT 센서의 단면을 도시한 단면도.
도 4d는 본 발명에 따른 플렉서블 IDT 센서가 휘어지는 예를 도시한 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 플렉서블 IDT 센서를 통해 구조물의 감육 상태를 모니터링하는 방법을 나타내는 흐름도.
도 6은 본 발명에 따른 플렉서블 IDT 센서를 통해 모니터링된 배관 감육 상태의 예를 나타낸 예시도.
도 7a 내지 7c는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프.
도 8a 내지 8c는 본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프.
이하, 본 발명에 관련된 구조물 두께 측정 장치 및 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예 및 변형예라도 동일 및 유사한 구성에 대해서는 동일 및 유사한 참조번호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 종래 구조물 두께 측정 장치의 일 실시예가 도시된다.
도 1에 도시된 것과 같이, 구조물 두께 측정 장치는 검사 대상 구조물(31)에 접착되는 PZT 가진부(20)를 포함한다.
또한, 구조물 두께 측정 장치는 복수의 거울(Horizontal mirror, Vertical mirror)로 형성되는 스캐닝부, 신호 수집부(33) 및 신호 처리부(34)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, PZT 가진부(20), 스캐닝부(200), 신호 수집부(33) 및 신호 처리부(34)는 유선 또는 무선으로 연결되어, 상호간의 신호 및 데이터를 송수신할 수 있으며, 관리자(작업자)의 지시에 따라 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 신호 처리부(34)를 통해서 산출된 구조물의 최종 두께를 포함한 결함 정보는 관리자(작업자)가 용이하게 확인할 수 있도록 별도의 모니터링 수단(미도시)으로 전달되어 표시되는 것이 바람직하다.
각 구성에 대해서 자세히 알아보자면, 상기 PZT 가진부(20)는 측정하고자 하는 구조물에 연속파 가진을 전달할 수 있다. 상세하게는, 상기 PZT 가진부(20)는 접촉식 압전소자 또는 비접촉식 진동센서를 포함하여 이루어질 수 있으며, 관리자의 지시에 따라 수 kHz ~ 수 MHz의 가진을 전달할 수 있다.
상기 PZT 가진부(20)는 측정하고자 하는 구조물에 전달되는 연속파 가진의 주파수 대역을 설정하고, 설정한 주파수 대역에 맞추어 전력을 증폭시키는 전력 증폭 수단(31) 및 파형 발생 수단(32)을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 전력 증폭 수단(31) 및 파형 발생 수단(32)은 관리자의 제어에 따라, 상기 PZT 가진부(20)를 제어하여 측정하고자 하는 구조물에 전달되는 연속파 가진의 주파수 대역을 설정할 수 있다.
상기 스캐닝부(200)는 상기 PZT 가진부(20)의 연속파 가진에 의해 상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝할 수 있다. 상기 스캐닝부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 스캔하고자 하는 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝할 수 있으며, 진동하는 구조물에 레이저를 조사하는 수단과, 일정한 방향으로 구조물을 스캔하며, 반사되는 레이저를 스캔하는 수단을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 신호 수집부(33)는 상기 스캐닝부(200)로부터 스캐닝한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하여, 상기 신호 처리부(34)로 전달할 수 있다.
상기 신호 수집부(33)는 LDV(Laser Doppler Vibrometer)로 구성된다.
상기 신호 처리부(34)는 상기 신호 수집부(33)에서 측정한 상기 진동 신호를 국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법을 이용하여 분석하여, 상기구조물의 두께를 측정할 수 있다.
상세하게는, 상기 신호 처리부(34)는 상기 신호 수집부(33)에서 측정한 상기 진동 신호의 단일 주파수 성분을 추출하기 위하여, 밴드패스 필터링을 수행할 수 있으며, 3차원 행렬 형태의 상기 진동 신호를 2차원 행렬 형태로 변환하기 위하여, FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여, 정상상태 응답(Steady state response) 신호를 획득할 수 있다.
상기 정상상태 응답 신호를 이용하여, 미리 설정된 모드를 분리하고 국소 공간 웨이브넘버 필터링(Local wavenumber filter) 기법을 수행하여 상기 구조물의 두께 별 분산선도를 계산한 후, 웨이브넘버와 구조물의 두께 간의 상관식을 산출하고, 이를 이용하여 상기 구조물의 두께를 최종 산출할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 구조물의 두께를 통해서, 상기 구조물에 포함되어 있는 결함의 위치, 결함의 깊이, 크기 등을 효과적으로 예측할 수 있다.
여기서, 웨이브넘버는 파장에 반비례하므로, 두께가 얇으면 웨이브넘버가 크고 두께가 두꺼우면 웨이브넘버가 작아지는 특성이 있다. 이를 이용하여, 웨이브넘버와 구조물의 두께 간의 상관식을 산출하여, 구조물의 두께를 최종 산출할 수 있다.
다시 말하자면, 상기 신호 처리부(34)에서, 상기 스캐닝부(200)를 통해 상기 신호 수집부(33)의 LDV로부터 측정된 진동 신호는 3차원 행렬 형태인 V[x,y,t]로 나타낼 수 있으며, 밴드패스 필터링을 수행하여, 진동 신호에 포함되어 있는 단일 주파수 성분을 추출할 수 있다.
또한, 3차원 행렬 형태를 2차원 행렬 형태로 변환하기 위하여, FFT를 수행함으로써, 주파수 성분(f0)만을 가지는 정상상태 응답 신호를 획득할 수 있다.
획득한 정상상태 응답 신호에 2D FFT를 수행함으로써, V[kx,ky,f0]를 계산할 수 있으며, 미리 설정되어 있는 모드(일 예를 들자면, S0모드)를 분리한 후, S0모드를 제거하기 위한 Wh[kx,ky,f0]을 곱하는 것이 바람직하다.
모드 분리된 V[kx, ky]에 W[kx, ky, kc]을 곱한 후, 다시 한번, 2D FFT을 수행함으로써, |z[k, y, kc]|가 최대 값이 되는 kc를 계산할 수 있으며, 이를 통해 국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법을 수행함으로써, 스무딩하는 것이 바람직하다. 즉, 원신호를 왜곡하지 않고, 실제 웨이브넘버와 오차가 발생하는 것을 최소화하여 스무딩하는 것이 국소 공간 웨이브넘버 필터링 기법이다.
이 후, 두께 별 구조물의 분산선도를 계산하여, 웨이브넘버와 구조물의 두께 간의 상관관계를 나타내는 상관식을 도출할 수 있으며, 도출한 상관식을 이용하여 구조물의 두께를 산출할 수 있다.
즉, 산출된 구조물의 두께 별 분산선도를 이용하여 주파수에 따른 파수민감도 및 모드분리도를 산출할 수 있으며, 산출된 파수민감도 및 모드분리도를 이용하여, 최종적으로 구조물의 두께를 산출할 수 있다.
좀 더 상세히 알아보자면, 하기의 표와 같이, 나타낼 수 있다.
Figure 112020014998850-pat00007
도 2 및 도 3에서는 위에서 설명된 도 1의 구조물 두께 측정 장치의 동작과 관련된 그래프가 도시된다.
도 2 및 도 3에 도시된 그래프에 따르면, 도 1의 구조물 두께 측정 장치는, 검사 대상인 구조물의 두께가, 최초 두께의 약 70 % 이하로 감소해야만 비로소 두께 변화를 검출할 수 있는 문제점이 있다.
이러한 문제점은, 도 1에서 설명된 구조물 두께 측정 장치가, 검사체의 두께 별 파수(Wavenumber)의 차이를 이용한 검사 기법을 이용하는 점에서 기인한다. 즉, 도 1의 구조물 두께 측정 장치는 두께에 따른 파수의 차이가 없으면 검사가 불가능하므로, 주로 저주파(0 내지 250 kHz)를 이용하여 검사한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 250 kHz 이상인 경우 두께 변화 모니터링의 민감도가 급격히 감소한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명에서 제안하는 구조물 두께 측정 장치는 도 1에 도시된 구조물 두께 측정 장치에서 PZT 가진부(32)를 IDT 센서로 대체함으로써, 보다 세밀한 두께 변화를 감지할 수 있는 효과가 도출된다.
구조물 모니터링의 민감도를 증가시키기 위하여 두 가지 방안이 고려된다.
IDT 센서를 이용한 구조물 모니터링 방법은, 파수 민감도(Wavenumber Sensitivity)가 높은 모드를 선정하거나, 모드 분리도(Degree of Separation between modes)가 높은 모드를 선정한다.
먼저, 도 4a 내지 도 4d에서는 본 발명에서 제안하는 구조물 두께 측정 장치에 포함되는 플렉서블 IDT 센서(400)가 도시된다.
먼저 IDT 센서(400)는 압전 물질을 레이저 정밀 가공하여 제작하며, 일반 센서에 비해 단가가 저렴하고 사용자가 원하는 크기, 형상, 주파수에 맞추어 제작이 가능할 뿐만 아니라 유도초음파 (Lamb wave)를 쉽게 발생시킬 수 있다. 또한, 강구조물 복합재, 플라스틱, 콘크리트 등 다양한 재질에 적용이 가능하다는 장점이 있다.
도 4a 및 도 4b는 IDT 센서(400)의 일 실시예가 도시된다.
도 4a에 도시된 IDT 센서(400)는 소정의 파장을 갖는 표면파를 발생시킨다. 본 발명에 따른 플렉서블 IDT 센서(400)는, 휘어짐이 가능한 유연성 지지부재(지지기판) 상에 PZT를 부착하여 형성될 수 있다.
도 4b는 이처럼 유연성 지지부재 상에 부착된 PZT들로 구성되는 플렉서블 IDT 센서(400)의 예를 보다 자세히 보이고 있는 도면이다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 IDT 센서(400)는 하부의 유연성 지지부재(460)과 상기 유연성 지지기판 위에 부착된 PZT들을 포함하여 구성될 수 있다.
먼저 상기 유연성 지지부재(460)는 PZT를 지지하는 기판으로서, 외력에 의해 변형 가능하게 구성될 수 있다. 상기 변형은 유연성 지지부재(460)의 휘어짐, 구부러짐, 접힘, 비틀림, 말림 중 적어도 하나일 수 있다.
한편 상기 유연성 지지부재(460)는 변형되지 않은 상태(무한대의 곡률 반경을 가지는 상태)에서 평평한 상태가 아닌, 휘어진 상태(예를 들어, 상하 또는 좌우로 휘어진 상태)로 변형될 수 있다. 이러한 상태에서 유연성 지지부재(460)에 외력이 가해지면, 유연성 지지부재(460)는 평평한 상태(혹은 보다 덜 휘어진 상태) 또는 보다 많이 휘어진 상태로 변형될 수 있다.
상기 유연성 지지부재(460)는 PZT의 부착이 가능한 기판일 수 있다. 일 예로 상기 유연성 지지부재(460)는 일정 두께 이하의 금속 재질의 PCB(Printed Circuit Board) 기판일 수 있다. 일 예로 상기 유연성 지지부재(460)는 일정 두께 이하의 동 또는 구리 재질로 형성된 PCB 기판일 수 있다.
한편 상기 유연성 지지부재(460)는 도 4b에서 보이고 있는 바와 같이 서로 평행하도록 배치된 제1 전극(410)과 제2 전극(420)을 포함할 수 있다. 그리고 일정한 간격으로 상기 제1 전극(410)으로부터 제2 전극(420)을 향하여 인장되는 복수의 제1 가지 전극(411)과, 일정한 간격으로 상기 제2 전극(420)으로부터 상기 제1 전극(410)을 향하여 인장되며 상기 복수의 제1 가지 전극(411) 각각의 사이에 배치되는 복수의 제2 가지 전극(421)을 포함하여 형성될 수 있다.
한편 상기 복수의 제1 가지 전극(411) 각각(411-1 내지 411-5)은, 상기 제2 전극(420)과 기 설정된 제1 이격거리(We)를 유지하도록 배치될 수 있다. 또한 상기 복수의 제2 가지 전극(421) 각각(421-1 내지 421-5)은, 마찬가지로 상기 제1 전극(410)과 기 설정된 제1 이격거리(We)를 유지하도록 배치될 수 있다. 그리고 상기 제2 가지 전극(421-1 내지 421-5 중 어느 하나) 또는 제1 가지 전극(411-1 내지 411-5 중 어느 하나)은 인접한 다른 가지 전극과 기 설정된 제2 이격거리(Ws)를 유지하도록 배치될 수 있다.
한편 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 IDT 센서(400)는 이와 같이 형성된 유연성 지지부재(460) 중 각 가지 전극의 상측면에 PZT(450)를 부착하여 형성될 수 있다. 예를 들어 PZT(450)는 각각의 제1 가지 전극(411-1 내지 411-5)과 각각의 제2 가지 전극(421-1 내지 421-5)의 상측면에 에폭시 등의 접착 부재를 통해 접착될 수 있다. 따라서 도 4의 (b)에서 보이고 있는 바와 같이, 일정 간격(제2 이격거리(Ws)) 마다 제1 전극(450) 또는 제2 전극(460)에 대하여 수직 방향으로 PZT(450)들이 배치될 수 있다.
한편 각 가지 전극 사이의 거리(λ)에 따라 표면파의 파장이 변경될 수 있으며, 각 가지 전극 길이(L)와, 가지 전극의 폭(We) 및 서로 다른 가지 전극 사이의 거리(Ws)를 조정함으로써, 표면파의 세기가 변경될 수 있다.
한편 도 4c는 이러한 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 IDT 센서(400)가, 유연성 지지부재(460)의 변형이 이루어지지 않은 상태의 단면을 보이고 있는 것이다. 도 4c를 참조하여 살펴보면, PZT(450)들은 유연성 지지부재(460)의 각 가지 전극(411-1 내지 411-5, 및 421-1 내지 421-5)에 부착되어, 각 가지 전극(411-1 내지 411-5, 및 421-1 내지 421-5)을 따라 배치됨을 알 수 있다.
한편 이와 같이 유연성 지지부재(460) 상에 PZT(450)들이 부착된 상태에서, 유연성 지지부재(450)에 외력이 인가되면, 유연성 지지부재(450)는 외력에 의하여 그 형태가 변경될 수 있다. 즉, 도 4d에서 보이고 있는 바와 같이, PZT(450)들이 각 가지 전극(411, 421)에 부착된 상태에서, 상기 유연성 지지부재(450)는 외력에 의해 휘어질 수 있다. 이에 따라 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 IDT 센서(400)는 곡면을 가지는 구조물, 예를 들어 배관(Pipe) 등의 굴곡진 면을 따라 휘어질 수 있다.
그러므로 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 IDT 센서(400)는 웨지 없이도 곡면의 구조물에 압착될 수 있으며, 곡률 크기에 상관없이 곡면의 구조물에 직접 부착이 가능하다. 따라서 상기 곡면의 구조물에 직접 초음파를 가진할 수 있다. 그러므로 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 IDT 센서(400)는 경계면 손실이 발생하지 않으며, 이에 높은 전압의 입력 신호를 인가하지 않아도 곡면 구조물의 감육 상태를 측정할 수 있다.
도 5에서는 본 발명에 따른 플렉서블 IDT 센서를 이용한 구조물의 감육 상태를 모니터링하는 방법이 설명된다.
먼저, 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 플렉서블 IDT 센서는, 외력이 가해지는 경우 곡면을 가지는 구조물의 표면 형상에 따라 변형될 수 있다. 이에 변형된 플렉서블 IDT 센서는 곡면을 가지는 구조물의 표면과 유사한 형상으로 변형될 수 있으므로, 상기 곡면을 가지는 구조물의 표면에 압착이 이루어질 수 있다(S500). 즉 본 발명의 실시 예에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 플렉서블 IDT 센서를 두께를 측정하고자 하는 구조물의 표면에 위치시키고, 상기 플렉서블 IDT 센서에 외력을 가함으로써 상기 플렉서블 IDT 센서를 곡면 구조물, 예를 들어 배관의 곡률에 일치하도록 구부림으로써, 상기 배관의 표면에 IDT 센서를 압착시킬 수 있다.
그리고 검사 대상인 구조물의 재질, 두께에 근거하여 파수민감도 및 모드분리도를 산출할 수 있다(S501).
산출된 파수민감도 및 모드분리도를 이용하여 IDT 센서에 적용되는 주파수 및 파장을 산출할 수 있다(S502).
본 발명에 따른 구조물 두께 측정 장치는, 산출된 주파수 및 파장에 따라 제작된 IDT 센서를 이용하여, 검사 대상인 구조물의 감육 정보를 검출할 수 있다(S503).
아울러, 구조물 두께 측정 장치는, 검출된 감육 정보에 근거하여, 구조물의 두께와 관련된 영상 정보를 생성할 수 있다(S504).
도 1의 구조물 두께 측정 장치가 수행하는 종래의 방법에서는 굽힘모드를 가진시키기 위해 PZT를 사용했으나, 본 기술에서는 사용자가 원하는 모드를 가진하기 위한 IDT 센서(플렉서블 IDT 센서)를 이용하여 구조물을 가진시키고자 한다. 파수민감도는 아래의 수학식 1로 정의되며 파수를 두께로 미분한 값으로 표현된다.
Figure 112020014998850-pat00008
상기 수학식 1에서
Figure 112020014998850-pat00009
는 파수변화율,
Figure 112020014998850-pat00010
는 두께변화율, f는 주파수이다.
Figure 112020014998850-pat00011
가 클수록 두께변화에 민감한 파수이며,
Figure 112020014998850-pat00012
는 주파수에 따라 변화하므로, 재질과 두께가 결정되면 주파수에 따른
Figure 112020014998850-pat00013
를 계산해야 한다.
또한, 선명한 영상화를 위해서는 각 모드를 완전히 분리시켜야 하는데, 이를 "모드분리도"라고 하며 아래의 수학식 2로 표현된다.
Figure 112020014998850-pat00014
상기 수학식 2에서
Figure 112020014998850-pat00015
와
Figure 112020014998850-pat00016
는 서로 다른 두 모드의 파수이다.
Figure 112020014998850-pat00017
이 클수록 인접 모드간 분리가 잘되며,
Figure 112020014998850-pat00018
이 작으면 인접 모드간 분리가 어려워 영상으로 두께 변화를 구분하기 어렵다.
구조물의 두께 영상화 방법은 종래의 방법과 동일하다. 스캐닝을 통해 LDV로부터 측정된 신호는 v[x, y, t]의 3차원 행렬이며, 단일 주파수 성분을 추출하기 위해 밴드패스 필터링을 수행한다. 3차원 행렬을 2차원 행렬로 변환하기 위하여, FFT (Fast Fourier Transform)를 수행하여
Figure 112020014998850-pat00019
성분만을 가지는 Steady state response (정상파 응답)를 획득한다. Steady state response를 2D FFT를 수행하여
Figure 112020014998850-pat00020
를 계산하고, 모드를 분리하기 위하여 특정모드를 제거하기 위한
Figure 112020014998850-pat00021
을 곱한다. 모드 분리된
Figure 112020014998850-pat00022
에
Figure 112020014998850-pat00023
을 곱한 후, 2D IFFT를 수행하여
Figure 112020014998850-pat00024
가 최대가 되는
Figure 112020014998850-pat00025
를 계산하고, 영역을 나누어 국소공간 웨이브넘버 필터링을 하여 스무딩한다. 마지막으로, 두께 별 구조물의 분산선도를 계산한 후, 웨이브넘버와 두께의 상관식을 도출하고 이 식을 이용하여 구조물의 두께를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 플렉서블 IDT 센서를 통해 모니터링된 배관 감육 상태의 예를 나타낸 예가 도시된다.
도 6을 참조하여 살펴보면, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 플렉서블 IDT 센서를 통해 감육 결함이 서로 다른 파이프의 감육 상태를 모니터링한 예를 보이고 있다.
먼저 도 6의 상단 도면은 감육 결합이 심한 배관 (Deep wall-thinning pipe)의 경우를, 중단 도면은 감육 결함이 적은 배관(Shallow wall-thinning pipe)의 경우를, 하단 도면은 감육 결합이 없는 배관(Sound pipe)의 감육 상태를 모니터링한 예를 보이고 있다.
도 6에서 보이고 있는 바와 같이, 감육 깊이에 따라 레일리파(Rayleigh wave)가 램파(Lamb wave)로 변환되고, 레일리파(Rayleigh wave)가 배관 내측과 외측으로 나뉘어져 속도변화가 일어남을 알 수 있다. 이와 같이 모니터링된 레일리파와 램파의 속도 변화에 근거하여 배관 감육 상태의 모니터링이 이루어질 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 주파수 별 두께에 따른 파수 민감도를 나타내며, 도 8a 내지 도 8c는 주파수 별 두께에 따른 모드 분리도를 나타낸다.
도 7a 내지 도 7c 및 도 8a 내지 도 8c를 참조하면, A0 모드는 두꺼운 재질에서 파수 민감도가 낮아, 감육검사에 부적합함을 알 수 있다.
S0 모드는 주파수가 증가함에 따라 두께 별 파수 민감도가 증가하는데, 현재 검출하려는 구조물의 두께가 4.8 mm ~ 6 mm 이내인 경우 0.422 MHz로 가진 했을 때, S0 모드의 효과가 극대화될 수 있다. 반면 두께 4.8 mm ~ 6 mm 범위의 경우 A1 모드의 파수민감도가 S0 모드보다 높지만, A1 모드의 모드 분리도가 낮아 신호처리가 어려워 사용에 적합하지 않음을 알 수 있다.

Claims (8)

  1. 곡면의 구조물의 두께를 측정하는 두께 측정 장치에 있어서,
    서로 평행하게 배치된 제1 및, 제2 전극과,
    일정한 간격으로 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극을 향하여 인장되는 복수의 제1 가지 전극과,
    일정한 간격으로 상기 제2 전극으로부터 상기 제1 전극을 향하여 인장되며, 상기 복수의 제1 가지 전극 각각의 사이에 배치되는 복수의 제2 가지 전극을 포함하는 유연성 지지기판; 및,
    상기 복수의 제1 가지 전극과 상기 복수의 제2 가지 전극 각각의 상측면에 부착되는 압전소자들을 포함하여 형성되며,
    상기 구조물을 따라 표면파가 전파되도록 소정의 파동을 발생시키고, 외력이 인가되는 경우 상기 구조물 곡면의 곡률을 따라 상기 압전소자들이 부착된 유연성 지지기판이 변형되는 IDT(Interdigital transducers) 센서를 포함하며,
    상기 IDT 센서에 의해 발생되는 표면파의 주파수 및 파장은,
    상기 구조물의 재질 및 두께에 따라 결정되는 파수민감도 및 모드분리도에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파수민감도는 아래의 수학식에 의해 정의되고,
    Figure 112020014998850-pat00026

    상기 수학식에서
    Figure 112020014998850-pat00027
    는 파수변화율,
    Figure 112020014998850-pat00028
    는 두께변화율, f는 주파수인 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 모드분리도는 아래의 수학식에 의해 정의되고,
    Figure 112020014998850-pat00029

    Figure 112020014998850-pat00030
    와
    Figure 112020014998850-pat00031
    는 서로 다른 두 모드의 파수인 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 가지 전극 또는 제2 가지 전극은,
    각각 인접한 다른 가지 전극과 기 설정된 이격 거리가 유지되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 구조물에서 발생하는 진동을 스캐닝하는 스캐닝부;
    상기 스캐닝부로부터 스캐닝한 상기 구조물의 진동 신호를 측정하는 신호 수집부; 및
    상기 신호 수집부에서 측정한 상기 진동 신호에 근거하여, 상기 구조물의 두께를 산출하는 신호 처리부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 신호 수집부에서 측정한 상기 진동 신호의 단일 주파수 성분 추출을 위해 밴드패스 필터링을 수행하고,
    3차원 행렬 형태의 상기 진동 신호를 2차원 행렬 형태로 변환하기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)을 수행하여 정상상태 응답(Steady state response) 신호를 획득하며, 기설정된 모드를 분리한 후, 국소 공간 웨이브 넘버 필터링 기법을 수행하고 상기 구조물의 두께별 분산선도를 계산한 후, 웨이브넘버와 두께의 상관식을 산출하여 상기 구조물의 두께를 산출하는 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    산출된 상기 구조물의 두께 별 분산선도를 이용하여 주파수에 따른 파수민감도 및 모드분리도를 산출하는 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유연성 지지기판은,
    기 설정된 두께 이하의 금속 재질의 PCB(Printed Circuit Board) 기판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 구조물 두께 측정 장치.
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