KR102225514B1 - 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드 및 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드 및 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도초음파와 복수의 강연선이 삽입되어 고정되는 앵커헤드에 일체화된 센서모듈부를 이용하여 강연선으로 이루어진 현수교, 사장교, 라멘교, 복합교와 같은 교량의 주케이블 또는 헹어 케이블과 같이 콘크리트 구조물 내에 힘이 작용하는 케이블 또는 텐던 상에 작용하는 긴장력을 정확하고 용이하게 측정, 진단 및 지속적으로 모니터링 할 수 있는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드 및 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법에 관한 것이다.

Description

일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드 및 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법{SMART ANCHOR HEAD WITH INTEGRATED TENSILE MEASUREMET SENSOR AND STRAND TENSILE FORCE MEASUREMENT AND DIAGNOSIS METHOD USING THEREOF}

본 발명은 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드 및 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유도초음파와 복수의 강연선이 삽입되어 고정되는 앵커헤드에 일체화된 센서모듈부를 이용하여 강연선으로 이루어진 현수교, 사장교, 라멘교, 복합교와 같은 교량의 주케이블 또는 헹어 케이블과 같이 콘크리트 구조물 내에 힘이 작용하는 케이블 또는 텐던 상에 작용하는 긴장력을 정확하고 용이하게 측정, 진단 및 지속적으로 모니터링 할 수 있는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드 및 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법에 관한 것이다.

일반적으로 유도초음파란 평판에 적용하던 판파의 기술을 배관 등에 응용하여 발전시킨 것으로, 배관과 같은 구조물의 기하학적 구조를 따라 길이 방향으로 전파하는 초음파 진동의 형태를 말한다.

이러한 유도초음파는 특정 매질을 거쳐 주파수 스펙트럼이 변화하게 되는 분산특성을 나타내게 되는데, 이 때문에 이러한 분산특성의 수치를 잘 이용할 경우 실용적이고 현실적인 다양한 의미 있는 수치들을 도출해낼 수 있는 장점이 있다.

한편, 현수교, 사장교, 라멘교, 복합교와 같은 교량의 지지용 주 케이블 또는 헹어케이블과, 하중 지지용 와이어 로프 또는 사면 보강재 또는 힘이 작용하는 모든 콘크리트 구조물 내 케이블 또는 텐던의 경우 주로 강연선으로 이루어져 있으며, 이러한 강연선은 긴장력이 항상 작용하고 있는 만큼 구조물의 건전성 등을 위하여 진단 및 모니터링이 필요하다.

이에, 상기한 강연선의 긴장력을 포함하는 구조물의 건전성 등을 진단 및 모니터링하기 위하여 상기한 분산특성을 갖는 유도초음파를 이용한 방법이 연구되고 있다.

그런데, 종래에는 상기한 과정에서 유도초음파 신호의 세기를 실용적으로 측정하기가 어려웠으며, 측정하더라도 비용 또는 시간이 매우 많이 투입되는 문제점이 있었으며, 또한 초음파가 강연선을 따라 제대로 유도되지 않고 왜곡된 신호의 세기가 수신되거나 수신된 신호의 주파수 스펙트럼을 분석하기가 어려워 이를 긴장력 수치에 대응되는 유의미한 값으로 도출해내기가 복잡하고 어려운 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1716717호 대한민국 등록특허공보 제10-1256501호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 강연선이 삽입되어 고정되는 앵커헤드에 센서모듈부가 일체화되도록 구성되어 강연선에 유도초음파를 송수신하여 긴장력을 효과적으로 측정 및 진단할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 센서모듈이 적용 가능하여 기설치된 구조물에도 바로 적용이 가능하고 비용 또는 시간을 단축시킬 수 있는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드 및 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀이 구비되고, 쐐기(wedge)를 이용하여 상기 홀에 삽입되는 강연선이 고정되도록 구성된 앵커헤드(anchor head)와; 상기 앵커헤드의 내부에 결합되며, 상기 강연선을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부와; 상기 센서모듈부를 통하여 상기 강연선으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부; 및 상기 신호처리부를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부를; 포함하고, 상기 센서모듈부는, 상기 강연선의 외주면을 감싸도록 형성되는 센서부와; 전자석을 이용하여 인가되는 전류에 따라 상기 센서부에 자기력을 제공하는 자기부와; 링 형태로 형성되어 센서모듈부의 양 끝단에 각각 결합되는 요크부를 포함하며, 상기 자기부의 내측으로 상기 센서부가 슬라이딩되어 삽입되고, 자기부의 내측에 삽입된 상기 센서부에 센서코일이 권선되는 병렬형 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀이 구비되고, 쐐기(wedge)를 이용하여 상기 홀에 삽입되는 강연선이 고정되도록 구성된 앵커헤드(anchor head)와; 상기 앵커헤드의 내부에 결합되며, 상기 강연선을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부와; 상기 센서모듈부를 통하여 상기 강연선으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부; 및 상기 신호처리부를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부를; 포함하고, 상기 센서모듈부는, 상기 강연선의 외주면을 감싸도록 형성되는 센서부와; 전자석을 이용하여 인가되는 전류에 따라 상기 센서부에 자기력을 제공하는 자기부와; 링 형태로 형성되어 센서모듈부의 양 끝단에 각각 결합되는 요크부를 포함하며, 상기 센서부는 센서코일이 감겨진 복수의 센서보빈이 상기 자기부의 내측으로 각각 슬라이딩 삽입되는 적층형 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀이 구비되고, 쐐기(wedge)를 이용하여 상기 홀에 삽입되는 강연선이 고정되도록 구성된 앵커헤드(anchor head)와; 상기 앵커헤드의 내부에 결합되며, 상기 강연선을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부와; 상기 센서모듈부를 통하여 상기 강연선으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부; 및 상기 신호처리부를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부를; 포함하고, 상기 센서모듈부는, 상기 강연선의 외주면을 감싸도록 형성되는 센서부와; 전자석을 이용하여 인가되는 전류에 따라 상기 센서부에 자기력을 제공하는 자기부로; 구성되고 상기 강연선에 고정된 센서부의 상측에 자기부가 탈착 가능한 거치형 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀이 구비되고, 쐐기(wedge)를 이용하여 상기 홀에 삽입되는 강연선이 고정되도록 구성된 앵커헤드(anchor head)와; 상기 앵커헤드의 내부에 결합되며, 상기 강연선을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부와; 상기 센서모듈부를 통하여 상기 강연선으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부; 및 상기 신호처리부를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부를; 포함하고, 상기 센서모듈부는, 압전센서(PZT sensor)로 구비되고, 상기 쐐기와 결합되어 상기 앵커헤드와 일체화되는 센서부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일실시예에 따르면, 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법은, 복수의 홀에 관통되어 삽입되는 복수의 강연선의 긴장력을 각각 측정할 수 있도록 센서모듈부가 내장되어 일체화된 앵커헤드에 강연선을 삽입하고, 쐐기를 이용하여 삽입된 강연선을 고정하는 단계와; 상기 센서모듈부를 통하여 상기 강연선에 유도초음파를 발진 및 수신하여 상기 강연선에 의하여 유도된 신호를 신호처리부를 통하여 측정하고, 측정된 상기 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 단계와; 및 스펙트럼 진단부를 통하여 신호처리부에서 변환된 주파수영역의 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드 및 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법은 앵커헤드에 EMAT(Electromagnatic acoustic transducer) 또는 PZT(Piezoelectric sensor)가 일체화되어 외력이 작용하더라고 유동이 방지되며, 이로 인해 강연선 세밀한 측정 및 진단이 가능하여 정확도가 향상된다는 이점이 있다.

또한, 유도초음파의 송수신을 하나의 단일 센서를 통해 이루어지도록 하여, 대상물의 긴장력 측정에 사용되는 장비 설치 비용을 절감할 수 있으며, 유도초음파의 분산특성을 이용하여 대상물의 긴장력을 측정하는 방식을 통해 정확한 신호 측정이 가능하고 주파수 스펙트럼으로부터 실제 긴장력 수치에 근접한 긴장력 진단 수치를 도출해낼 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 전체적인 구성을 도시한 참고도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 병렬형 센서모듈부를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 병렬형 센서모듈부의 단면을 도시한 단면도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 센서모듈부 구성을 설명하기 위한 사시도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 센서모듈부의 단면을 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 거치형 센서모듈부를 설명하기 위한 사시도.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 일체형 센서모듈부를 설명하기 위한 사시도.
도 8 내지 도 14는 강연선 긴장력 측정 시스템이 설치되는 다양한 대상시설들을 나타내는 도면,
도 15는 센서모듈부를 시험적으로 실시한 시험장비를 나타내는 사진,
도 16은 센서모듈부의 설치된 상태 및 이에 따른 다양한 초음파의 발진방법을 나타내는 도면,
도 17 내지 도 18은 언로딩 및 로딩 조건 및 다양한 작용힘에 대한 시간대 진폭/주파수 신호 및 주파수 크기를 나타내는 그래프,
도 19는 주파수 응답특성을 나타내는 그래프,
도 20은 다양한 인장력에 따른 시간별 특이영역 주파수 추이를 나타내는 그래프,
도 21은 긴장력에 따른 특이영역 및 특이점별 주파수특성을 나타내는 그래프,
도 22 및 도 23은 실제 긴장력과 측정예측된 긴장력을 비교 분석한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

먼저 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 전체적인 구성을 도시한 참고도이며, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 병렬형 센서모듈부를 도시한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 병렬형 센서모듈부의 단면을 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 센서모듈부 구성을 설명하기 위한 사시도이며, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 센서모듈부의 단면을 도시한 단면도이며, 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 거치형 센서모듈부를 설명하기 위한 사시도이며, 도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드의 일체형 센서모듈부를 설명하기 위한 사시도이다.

본 발명에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드(100)는, 유도초음파를 이용한 모든 센서를 이용하여 강연선(10)의 긴장력 손실 또는 부식결합을 탐지할 수 있다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선(10)이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀(110)이 구비되고, 쐐기(wedge)(120)를 이용하여 상기 홀(110)에 삽입되는 강연선(10)이 고정되도록 구성된 앵커헤드(anchor head)(100)와, 상기 앵커헤드(100)의 내부에 결합되며, 상기 강연선(10)을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선(10)에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부(200)와, 상기 센서모듈부(200)를 통하여 상기 강연선(10)으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부(300) 및 상기 신호처리부(300)를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선(10)의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부(400)를 포함한다.

이처럼, 상기 복수의 센서모듈부(200)가 단일의 앵커헤드(100) 내부에 지지되고, 앵커헤드(100)는 쐐기(wedge)(120)를 통하여 강연선(10)에 고정 지지되는 구조 즉, 센서모듈부(200)가 앵커헤드(100)를 통하여 강연선(10)에 간접 지지되는 구조를 가진다.

이에 복수의 강연선(10)이 단일의 앵커헤드(100)에 의해 일정한 간격으로 연결 지지되므로 강풍을 포함하는 외력이 작용하더라도 독립적으로 유동이 방지되고, 이로 인해 앵커헤드(100)에 설치된 센서모듈부(200)와 강연선(10) 사이 간격이 항상 일정하게 유지되면서 강연선 긴장력 측정 및 진단 정확도 향상을 도모한다. 또 센서모듈부(200)가 강연선(10) 외주면과 이격 설치되어 현장 운용 중에 강연선(10)을 통하여 전해지는 충격, 진동을 포함하는 외력으로부터 안전성이 확보됨과 더불어 수명이 장구히 연장되는 이점이 있다.

먼저, 상기 센서모듈부(200)는 강연선(10)으로 이루어진 강연선(10)에 정착되어 상기 강연선(10)에 분산성(Dispersion)을 갖는 유도초음파를 발진하고, 상기 강연선(10)을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선(10)에 가해지는 긴장력(Tensile force)을 측정하는 역할을 한다.

이때, 상기 센서모듈부(200)는, 구조물에 상기 강연선(10)을 설치하기 전 구조물의 초기 설치 시 상기 강연선(10)에 정착하거나 또는 구조물의 완공 후에 노출되는 상기 강연선(10)에 정착할 수 있다.

상세하게, 도 2 내지 도 3을 참조하면, 상기 센서모듈부(200)는, 상기 대상물인 강연선(10)을 감싸도록 형성되는 센서부(210)와, 전자석을 이용하여 인가되는 전류에 따라 상기 센서부(210)에 자기력을 제공하는 자기부(220)를 포함하여 상기 강연선(10)의 자기변형(MS, Magnetostriction) 원리를 이용하도록 되어 있다.

상기 센서모듈부(200)는, 상기 강연선(10)의 외주면을 감싸도록 형성되는 센서부(210)와, 전자석을 이용하여 인가되는 전류에 따라 상기 센서부(210)에 자기력을 제공하는 자기부(220)와, 강연선(10)이 삽입될 수 있도록 링 형태로 형성되어 센서모듈부(200)의 양끝단에 각각 결합되는 요크부(230)를 포함하며, 병렬형 구조로 형성된다.

또한, 상기 센서부(210)는, 상기 앵커헤드(100)의 내부에 구비되며, 상기 앵커헤드(100)의 홀(110)에 삽입되는 복수의 강연선(10)에 각각 설치된다.

그리고, 상기 센서부(210)는, 중공의 원통형으로 형성되어 상기 강연선(10)이 내측으로 길이방향을 따라 관통되어 삽입되는 돌출부가 형성된 센서보빈(211)과, 상기 센서보빈(211)의 외주면에 원주방향을 따라 권선되는 리시브 코일(Receive coil) 및 드라이브 코일(Drive coil)로 구성된 센서코일(212)을 포함한다.

또한, 상기 센서보빈(211)은, 상기 외주면의 일측 외주면에는 복수개로 상기 외주면의 길이방향을 따라 서로 이격되게 배열되고, 상기 외주면의 원주방향을 따라 환형으로 형성되어 상기 리시브 코일이 감겨지는 복수개의 와인딩홈이 형성되고, 상기 외주면의 타측 외주면에는 상기 드라이브 코일이 감겨지도록 권선홈이 형성된 병렬형 구조를 갖는다.

여기서, 상기 센서보빈(211)은 상기 자기보빈과 동일한 길이로 형성되어 있으며, 상기 리시브 코일 및 드라이브 코일은 강연선(10)을 동일축으로 하여 환형으로 감겨진다.

그리고, 상기 자기부(220)는, 중공의 원통형으로 이루어져 내측으로 상기 센서부(210)가 길이방향을 따라 내측으로 관통되게 삽입된다.

또한, 상기 자기부(220)는, 중공의 원통형으로 이루어져 상기 센서부(210)를 감싸도록 형성되며 전자석으로 이루어진다.

이때, 상기 자기부(220)는, 내주측면을 따라 상기 센서부(210)가 슬라이딩 방식으로 탈착되도록 구성되고 상기 센서부(210)가 자기부(220)의 내주측면에 모두 삽입되는 구조로 구성된다.

여기서 상기 자기부(220)는 센서부(210)가 슬라이딩되어 삽입되는 일측은 개방되어 있고, 타측은 막혀있어 상기 센서부(210)의 슬라이딩 이동을 제한할 수 있다.

한편, 여기서, 도시하지 않았지만 상기 센서모듈부(200)는 상기 전자석으로 이루어진 센서부(210)로 고전류를 인가하기 위한 공지의 전류공급장치가 연결되며, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

상기 신호처리부(300)는, 상기 강연선(10)을 따라 유도되어 수신된 유도초음파의 신호를 측정하는 신호측정부(310)와, 상기 신호측정부(310)로부터 수신된 신호를 주파수영역(Frequency domain)의 스펙트럼으로 변환하는 주파수 변환부를 포함한다.

상기 신호처리부(300)는, 상기 센서모듈부(200)를 통하여 상기 강연선(10)로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 상기 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 역할을 한다.

상기 스펙트럼 진단부(400)는, 상기 신호처리부(300)에서 변환된 주파수영역의 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선(10)의 긴장력을 산출하는 역할을 하며, 변환된 스펙트럼 상에 나타나는 패턴을 분석하여 상기 강연선(10)에 가해지는 긴장력을 산출한다.

이러한 스펙트럼 진단부(400)는 로딩 및 언로딩에 따른 주파수 응답 특성을 분석한 후 특이점을 추출하고, 이러한 특이점의 패턴분석 후 피팅 커브를 설정하여 긴장력을 측정하며, 이러한 스펙트럼 진단부(400)의 세부적인 긴장력 측정 방법 및 절차에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드(100)를 살펴보기로 한다.

도 4에서, 상기 제2 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드(100)는 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선(10)이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀(110)이 구비되고, 쐐기(wedge)(120)를 이용하여 상기 홀(110)에 삽입되는 강연선(10)이 고정되도록 구성된 앵커헤드(anchor head)(100)와, 상기 앵커헤드(100)의 내부에 결합되며, 상기 강연선(10)을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선(10)에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부(200)와, 상기 센서모듈부(200)를 통하여 상기 강연선(10)으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부(300) 및 상기 신호처리부(300)를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선(10)의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부(400)를 포함하고, 상기 센서모듈부(200)는, 상기 강연선(10)의 외주면을 감싸도록 형성되는 센서부(210)와, 전자석을 이용하여 인가되는 전류에 따라 상기 센서부(210)에 자기력을 제공하는 자기부(220)와, 강연선(10)이 삽입될 수 있도록 링 형태로 형성되어 센서모듈부(200)의 양끝단에 각각 결합되는 요크부(230)를 포함하며, 적층형 구조로 형성된다.

여기서, 상기 신호처리부(300)와 상기 스펙트럼 진단부(400)는 전술한 구성과 실질적으로 동일하므로 이하에서는 이와 대별되는 상기 센서모듈부(200)에 대하여 살펴보기로 한다.

도 5에서 상기 센서부(210)는, 중공의 원통형으로 형성되어 내측으로 상기 강연선(10)이 길이방향을 따라 관통되도록 삽입되는 제1 센서보빈(213)과, 중공의 원통형으로 형성되어 내측으로 상기 제1 센서보빈(213)이 길이방향을 따라 관통되게 삽입되는 제 2센서보빈(214)과, 상기 제 1센서보빈(213) 및 제2 센서보빈(214)의 외주면에 원주방향을 따라 권선되는 센서코일(212)을 포함한다.

그리고 상기 센서코일(212)은, 상기 제1 센서보빈(213)의 외주면에 원주방향을 따라 권선되는 리시브 코일(Receive coil)과, 상기 제2 센서보빈(214)의 외주면에 원주방향을 따라 권선되는 드라이브 코일(Drive coil)을 포함하며, 상기 제1 센서보빈(213)은 복수개로 외주면에 길이방향을 따라 서로 이격되게 배열되고, 원주방향을 따라 환형으로 형성되어 상기 리시브 코일이 감겨지는 와인딩홈이 형성되며, 상기 제2 센서보빈(214)은 외주면에 길이방향을 따라 상기 드라이브 코일이 감겨지는 권선홈이 형성된다.

또한, 상기 자기부(220)는, 전자석으로 형성되고, 일측이 개방된 중공의 원통형으로 이루어져 내측으로 상기 센서부(210)가 길이방향을 따라 관통되게 삽입되도록 구성된다.

그리고 상기 자기부(220)는 내주측면을 따라 상기 센서부(210)가 슬라이딩 방식으로 탈착되도록 형성되도록 구성된다.

상기 제1 실시예와 동일하게, 상기 신호처리부(300)는, 상기 강연선(10)을 따라 유도되어 수신된 유도초음파의 신호를 측정하는 신호측정부(310)와, 상기 신호측정부(310)로부터 수신된 신호를 주파수영역(Frequency domain)의 스펙트럼으로 변환하는 주파수 변환부를 포함한다.

다음으로 본 발명의 제3 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드(100)를 살펴보기로 한다.

도 6에서, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선(10)이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀(110)이 구비되고, 쐐기(wedge)(120)를 이용하여 상기 홀(110)에 삽입되는 강연선(10)이 고정되도록 구성된 앵커헤드(100)(anchor head)와, 상기 앵커헤드(100)의 내부에 결합되며, 상기 강연선(10)을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선(10)에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부(200)와, 상기 센서모듈부(200)를 통하여 상기 강연선(10)으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부(300) 및 상기 신호처리부(300)를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선(10)의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부(400)를 포함하고, 상기 센서모듈부(200)는, 상기 강연선(10)의 외주면을 감싸도록 형성되는 센서부(210)와 전자석을 이용하여 인가되는 전류에 따라 상기 센서부(210)에 자기력을 제공하는 자기부(220)로 구성되어 상기 강연선(10)에 고정된 센서부(210)의 상측에 자기부(220)가 탈착 가능한 거치형 구조로 형성된다.

여기서, 상기 신호처리부(300)와 상기 스펙트럼 진단부(400)는 본 발명에 따른 제1 실시예 및 제2 실시예의 구성과 실질적으로 동일하므로 이하에서는 이와 대별되는 상기 센서모듈부(200)에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저, 상기 센서부(210)는, 중공의 원통형으로 형성되어 내측에 상기 강연선(10)이 관통되어 삽입되며, 외주면에는 복수개로 외주면에 길이방향을 따라 서로 이격되게 배열되고, 원주방향을 따라 환형의 와인딩홈이 형성된 센서보빈(211)과, 상기 와인딩홈에 권선되는 리시브 코일(Receive coil)을 포함한다.

그리고 상기 자기부(220)는, 싱기 강연선(10)의 길이방향을 따라 바형으로 형성된 요크(Yoke)부와, 복수개의 영구자석으로 형성되어 상기 요크부(221)의 하측면 양끝단에 각각 이격되어 부착되는 자석(Magnet)부 및 상기 자석부(222)의 하면에 상측면이 부착되고, 상기 강연선(10)에 타측면이 거치되도록 하측방향으로 돌출되고 타측면이 상기 강연선(10)의 외주면의 형상에 대응되는 형상으로 형성된 슈(Shoe)부를 포함한다.

여기서, 상기 자기부(220)는, 상기 자석부(222)로부터 상기 슈부(223)로 전달된 자성을 이용하여 상기 강연선(10)에 탈부착 되도록 거치된다.

또한, 상기 신호처리부(300)는, 상기 대상물을 따라 유도되어 수신된 유도초음파의 신호를 측정하는 신호측정부(310) 및 상기 신호측정부(310)로부터 수신된 신호를 주파수영역(Frequency domain)의 스펙트럼으로 변환하는 주파수 변환부를 포함한다.

한편, 도시하지 않았지만, 상기 제 1, 2, 3실시예에서, 상기 센서부(210)를 구성하는 센서보빈(211)은 한 쌍의 반구형 보빈을 결합하여 진원의 보빈을 형성하고, 이때 센서보빈(211) 내경은 강연선(10) 외경에 헐거운 끼움결합으로 설치되며, 센서보빈(211) 일단은 휴대용 권취기(예컨대, 강연선에 지지되어 모터에 의해 회전되는 벨트 또는 고무롤러를 센서보빈 일단에 걸거나 밀착시킨 상태로 구동력이 전달되어 센서보빈을 회전시키는 장치)에 의해 연결되어, 센서보빈(211)이 강연선(10)을 축으로 회전되면서 리시브 코일이 감겨져 센서코일(212)이 형성된다. 이에 현장에서 센서보빈(211)에 리시브 코일을 감아서 센서부(210)가 형성되므로 이미 시공된 강연선(10)에 간단하게 적용되어 긴장력 측정 및 진단이 가능하게 된다. 이때 자기부(220)도 한 쌍의 반구형으로 분할 형성하여 조립 설치하도록 구비된다.

도 7에서, 이하 본 발명의 제4 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드(100)를 설명하고자 한다.

먼저, 상기 제1 실시예 내지 제3 실시에와 동일하게 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선(10)이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀(110)이 구비되고, 쐐기(wedge)(120)를 이용하여 상기 홀(110)에 삽입되는 강연선(10)이 고정되도록 구성된 앵커헤드(100)(anchor head)와, 상기 앵커헤드(100)의 내부에 결합되며, 상기 강연선(10)을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선(10)에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부(200)와, 상기 센서모듈부(200)를 통하여 상기 강연선(10)으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부(300) 및 상기 신호처리부(300)를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부(400)를 포함한다.

여기서 본 발명의 제4 실시예에 따르면 상기 센서모듈부(200)는, 상기 쐐기(120)와 결합되어 상기 앵커헤드(100)와 일체화되는 센서부(210)를 포함한다.

상기 센서부(210)는, 압전센서(PZT sensor)로 구비되며, 상기 쐐기(120)에 고정된 상태로 앵커헤드(100)에 삽입될 수 있도록 강연선의 외주면에 고정된다.

또한, 상기 센서부(210)는, 상기 앵커헤드(100)에 구비된 홀(110)의 내측면과 맞닿는 상기 쐐기(120)의 일측면에 구비되어 상기 쐐기(120)가 홀(110)에 삽입되어지면 압력에 의해 유도초음파를 발생하도록 구성된다.

그리고, 제1 실시예 내지 제3 실시예와 동일하게 상기 신호처리부(300)는, 상기 대상물을 따라 유도되어 수신된 유도초음파의 신호를 측정하는 신호측정부(310) 및 상기 신호측정부(310)로부터 수신된 신호를 주파수영역(Frequency domain)의 스펙트럼으로 변환하는 주파수 변환부를 포함한다.

본 발명에 따른 상기 제1 실시예 내지 제4 실시예에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법을 설명하고자 한다.

먼저, 복수의 홀(110)에 관통되어 삽입되는 복수의 강연선의 긴장력을 각각 측정할 수 있도록 센서모듈부(200)가 내장되어 일체화된 앵커헤드(100)에 강연선(10)을 삽입하고, 쐐기(120)를 이용하여 삽입된 강연선을 고정하는 단계와, 상기 센서모듈부(200)를 통하여 상기 강연선에 유도초음파를 발진 및 수신하여 상기 강연선에 의하여 유도된 신호를 신호처리부(300)를 통하여 측정하고, 측정된 상기 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 단계와 및 스펙트럼 진단부(400)를 통하여 신호처리부(300)에서 변환된 주파수영역의 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 단계로 이루어진다.

여기서 본 발명에서 설명하는 상기 강연선은, 현수교, 사장교, 라멘교, 복합교를 포함하는 교량의 지지용 케이블 또는 헹어케이블 또는 하중 지지용 와이어 로프 또는 사면 보강재 또는 힘이 작용하는 콘크리트 구조물 내의 케이블 또는 텐던(Tendon)을 포함한다.

그리고, 상기 센서모듈부(200)는, 상기 강연선(10)이 앵커헤드(100)에 삽입되어 고정되기 전 구조물의 초기 설치 시 강연선에 고정하거나 또는 상기 앵커헤드(100) 설계 시 미리 고정되어 일체화되도록 제작되어 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 제1 실시예 내지 제4 실시예에 따르면, 유도초음파와 센서모듈부(200)를 이용하여 강연선의 긴장력을 측정하도록 되어 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 상기 제1 실시예 내지 제4 실시예에 사용될 수 있는 측정센서는 긴장력 측정에 적용될 수 있는 유도초음파를 이용한 모든 센서가 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 신호처리부(300)는, 푸리에 변환(FT, Fourier Transform), 고속 푸리에 변환(FFT, Fast Fourier Transform), STFT(Short-Time Fourier Transform) 중 적어도 어느 하나의 변환방식을 이용하여 주파수 변환하는 것이 바람직하지만, 이외 상기한 목적을 달성할 수 있다면 다른 방식으로의 변환도 가능함은 물론이다.

이렇게 신호처리부(300)에서 신호를 변환하면 상기 스펙트럼 진단부(400)를 통하여 상기 신호처리부(300)에서 변환된 주파수영역의 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선(10)의 긴장력을 산출한다.

여기서, 상기 스펙트럼 진단부(400)는, 변환된 스펙트럼 상에 나타나는 특이점(Singular point)과 특이영역(Singular valley)의 패턴을 분석하여 상기 강연선(10)에 가해지는 긴장력을 산출한다.

그리고 도 8 내지 도 18을 참조하여 본 발명에 따른 유도초음파 및 일체형 긴장력 센서가 구비된 스마트 앵커헤드(100)를 이용한 강연선(10) 긴장력 측정 시스템이 적용되는 대상물 및 이의 구조물의 다양한 실시예에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저, 도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 긴장력 측정 시스템은 도 8의 현수교(Suspension bridge)에 적용할 수 있으며, 세부적인 정착위치는 도 9에 나타난 바와 같이 주 케이블(Main cable) 정착구 또는 행어 케이블(Hanger cable)에 적용할 수 있으며, 정착부 룸 내의 케이블에 접근이 가능한 경우 초기 현수교 설치 시 또는 완공 후에 설치 가능하다.

도 10은 현수교의 행어 케이블에 적용한 예로 노출 케이블에 직접 설치할 수 있으며, 이러한 경우 상기 센서모듈부(200)는 방수 및 마모방지 설계가 되어 있으며, 유도초음파 방식의 긴장력 측정이 가능하다.

또한, 도 11 및 도 12는 각각 사장교(Cable-stayed bridge)와 라멘교(Rahmen bridge)에 각각 적용한 경우로서, 케이블 정착구 접근이 가능하여, 정착구 내 삽입형/웨지 외부의 노출 강연선에 설치할 수 있으며, 유도초음파 방식의 긴장력 측정이 가능하다.

그리고 도 13은 사면 보강대에 적용한 경우로서, 사면 보강 외벽에서 접근 가능하여, 정착구 내 삽입형 또는 앵커 보호캡 제거후 노출 케이블에 설치 가능하며, 유도초음파 방식을 이용하여 긴장력 측정이 가능하다.

도 14은 대형 빌딩이나 원자력 돔/풍력 타워와 같은 발전시설에 적용한 예를 나타낸 도면으로, 힘을 받는 모든 PSC구조물에 적용 가능하며, 마찬가지로 본 발명에 따른 유도초음파 방식을 이용한 긴장력 측정이 가능하다.

이하에서는, 시험을 통해 상기한 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드를 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법을 상세히 설명하고자 한다.

시험은 강연선(10)에 센서모듈부(200)를 정착한 후 대상물에 일정 힘이 작용하여 긴장력이 발휘될 수 있도록 로딩 및 언로딩 작업을 실시하고, 이에 따른 신호를 측정하는 것을 주요 작업으로 하되, 그 과정은 하중의 언로딩/로딩을 실시하여 특이점에서의 궤도를 포함하는 특성곡선을 추출하고, 추출된 특성곡선에서 커브/함수에 대한 피팅을 설정하여 측정함으로써 인장력을 측정 및 예측할 수 있도록 한다.

먼저, 도 15는 전술한 센서모듈부(200)를 적용하여 시험 대상물에 설치하여 시험하기 위한 시험장비를 나타낸 사진으로, 발진된 초음파의 시간, 거리, 속도, 평균속도 등 분산특성에 대한 기초 파라미터 값을 산출한다.

한편, 이러한 체험조건은 도면에 나타난 바와 같이 단일 스트렌드에 대하여 약 11.22톤으로 110KN을 허용하중으로 하고, 110KN의 하중으로 로딩과 언로딩을 실시하고, 펄서 / 리시버(Pulser/Receiver)는 RPR-4000, 주파수(Frequency)는 여기 버스트3 사이클(burst 3 cycle excitation) 500KHz, 출력비는 40, 리시빙 게인(Receiving gain)은 60dB, 센서부모듈은 솔레노이드 코일 송신기와, 솔레노이드 코일(PCS) 리시버의 장비 및 시험조건으로 설정한다.

이렇게 센서모듈부(200)를 비롯한 시험장비가 세팅되면 본 발명에 따른 초음파를 발진 및 수신한다.

이때 유도초음파의 발진방법은 도 16을 참조하면, ①의 경우, Transmitter에서 발생된 초음파가 긴장력이 작용하지 않는 구간의 강연선 끝단에서 반사되어 긴장력이 작용하고 있는 구간 내의 Receiver에 도달할 때까지 비행한 거리를 나타내며, 실제로 긴장력을 측정할 때 분석 신호로 이용된다.

②의 경우, 실험을 위하여 강연선이 절단되어있으므로 ①과 다른 방향으로 반사신호가 존재하지만, 실제로 긴장력 측정 데이터로 활용하지 않는 부분이다.

이때, 초음파의 시간, 거리, 속도, 평균속도 등 분산특성에 대한 기초 파라미터 값을 산출해내는 것이다.

그리고 도 17 (a)는 유도초음파의 발진 주파수별 시험데이터와 시간대 진폭 신호를 나타내고 있으며, 이렇게 진폭신호 데이터를 확보하면 도 17 (b)에서와 같이 이를 주파수 신호로 변환한다. 17 (a)의 A-scan signal에서 ①, ②는 앞의 도16에서 비행 거리에 따른 유도초음파의 계측 신호 및 그 신호의 시간 주파수 해석 결과이다.

여기서, 도 17 (a)는 강연선에서 전파하는 초음파의 시간대 진폭 신호 및 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.

도 18은 언로딩 및 로딩 조건 및 다양한 작용힘에 대한 시간대 진폭/주파수 신호 및 주파수 크기를 나타내는 그래프이다. 즉, 강연선에 작용하는 긴장력이 변함에 따른 유도초음파 측정신호와 측정신호를 시간-주파수 해석한 결과이며, 시간-주파수 해석 결과 Singularities가 출현하여 이동하는 결과를 나타내는 그래프이다.

도 19는 강연선에 작용하는 긴장력에 따라 측정신호의 주파수 특성을 나타내는 그래프로서, 그래프 상에서 특이영역(Singular valley)을 발견할 수 있다.

이후, 도 20은 강연선에 작용하는 긴장력을 순차적으로 변화시켜가면서 수 회 유도초음파 신호를 측정하고, 측정신호의 주파수 특성에서 특이점(Singularity)들이 변화하는 궤적을 그리고 그 반복성을 평가한 그래프이고, 도 21에 나타난 바와 같이 긴장력을 높여감에 따라 변화하는 피크투피크(Peak-to-Peak) 값을 여러 가지 로딩(loading), 언로딩(unloading) 상태에서 비교한 그래프를 통해 긴장력에 따른 특이영역 및 특이점(Singular point)별 주파수특성을 획득한다.

상기한 바에 따라 강연선에 긴장력을 임의로 인가하면서 측정한 유도초음파 신호로부터 긴장력을 추정한 결과 그래프를 이용하여 도 22에 나타난 바와 같이 피팅커브를 설정하여 긴장력을 측정 및 예측하고, 이는 결과적으로 도 23에 나타난 바와 같이 실제 긴장력과 거의 유사한 값을 갖는 다는 것을 확인할 수 있다.

상기한 바에 따라 특이점별 주파수특성을 획득하면, 피팅커브를 설정하여 긴장력을 측정 및 예측하고, 이는 결과적으로 실제 긴장력과 거의 유사한 값을 갖는 다는 것을 확인할 수 있다.

상기의 시험을 통한 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드를 이를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법을 보충하여 설명하자면 다음과 같다.

먼저 강연선의 긴장력 측정을 위한 유도초음파 센서(EMAT) 기술로 강연선을 따라 전파하는 유도초음파는 구조물의 형상 및 주파수에 따라 유도초음파의 분산 특성 및 주파수 응답 특성이 다르기 때문에, 긴장력 측정을 위한 특성 파라미터를 산출하기 위해서는 해당 구조물 내에서 효율적으로 초음파를 송/수신할 수 있는 기술이 필요하다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 센서모듈부를 이용하여 특정 주파수 대역의 선택성을 높이고 민감도를 향상시키기 위해 특정 배열을 갖는 코일을 사용함으로써 공간상에서 주파수와 초음파 모드를 제어할 수 있다.

또한 입력 주파수 신호와 정합을 위해 별도의 임피던스 정합(Impedance matching) 기술을 적용할 수 있으며, 유도초음파 센서(EMAT)는 초음파 모드와 주파수의 선택이 용이하기 때문에 해당 강연선에서 특정 주파수 대역에 국한되지 않고 다양한 주파수 대역과 초음파 모드를 선택하여 이용할 수 있다.

또한 시간-주파수 스펙트럼상에 나타나는 특이점(Singular point)과 특이영역(Singular valley)을 분석하는 방법으로, 유도초음파 센서(EMAT)로부터 측정되는 유도초음파 신호는 초음파가 전파하는 거리에 따라 특정 시간영역에서 측정되는 것이며, 도파 구조물의 형상과 주파수에 따라 도 18의 시간-주파수 해석 결과와 같이 유도초음파의 분산특성이 나타난다.

이러한 유도초음파의 분산특성은 측정된 신호의 주파수 영역에서 넓게 분포하고 있으며, 긴장력이 작용함에 따라 분산특성이 변화하게 되는데, 상기 특이점 및 특이영역은 시간-주파수 해석상에서 에너지가 집중된 영역의 주파수 대역에서 변화하고, 이 변화 특성은 강연선의 형상 및 주파수에 따라 다르기 때문에 특정 주파수 대역에 국한되지 않는다.

즉, 본 발명에 따른 긴장력 측정은 특정 규격의 강연선과 주파수에만 한정되지 않으며, 임의의 형상의 강연선과 주파수에 따라 유동적으로 적용될 수 있다.

그리고 임의의 하중에서 특성 파라미터 값을 산출하는 방법으로 긴장력에 따라 분산특성을 주파수 영역으로 도시하면 도 19와 같이 나타나며, 이 주파수 응답특성 곡선의 전체 또는 일부 영역의 변화를 긴장력 측정 파라미터로 이용할 수 있다.

여기서 긴장력 측정을 위한 상기 특이영역 및 특이점은 해당 신호의 주파수 영역 하나에 국한되지 않으며, 동시 또는 개별적으로 활용될 수 있다.

또한, 상기 특성 파라미터 값을 산출하는 일예로 도 20과 같이 몇 개의 특성 파라미터 곡선을 산출하여 도시하였으나, 주파수 응답 특성 곡선의 임의의 점 또는 임의의 구간으로도 특성 파라미터를 산출할 수 있으며, 특정 수학식으로 표현되는 하나의 수치값에 국한되지 않는다.

한편 본 명세서에 개시된 기술에 관한 설명은 단지 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 개시된 기술에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

또한, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다. “제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소로 제1구성요소로 명명될 수 있다.

나아가 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 “~사이에”와 “~사이에”또는 “~에 이웃하는” 과 “~에 직접 이웃하는” 등도 마찬가지로 해석되어 야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않은 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 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.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 강연선
100 : 앵커헤드 110 : 홀
120 : 쐐기
200 : 센서모듈부 210 : 센서부
211 : 센서보빈 211a, 213a : 와인딩홈
211b, 214b : 권선홈
212 : 센서코일 213 : 제1 센서보빈
214 : 제2 센서보빈
220 : 자기부 221, 230 : 요크부
222 : 자석부 223 : 슈부
300 : 신호처리부 310 : 신호측정부
320 : 주파수 변환부
400 : 스펙트럼 진단부

Claims (26)

1. 원기둥의 형상으로 형성되어 일측 단면에 미리 정해진 수의 강연선(10)이 관통되어 삽입되도록 복수의 홀(110)이 구비되고, 쐐기(wedge)(120)를 이용하여 상기 홀(110)에 삽입되는 강연선(10)이 고정되도록 구성된 앵커헤드(anchor head)(100)와; 상기 앵커헤드(100)의 내부에 결합되며, 상기 강연선(10)을 통하여 전달되는 유도초음파를 수신하여 상기 강연선(10)에 가해지는 긴장력(tensile force)을 측정하기 위한 센서모듈부(200)와; 상기 센서모듈부(200)를 통하여 상기 강연선(10)으로부터 수신된 유도초음파의 신호를 측정하고, 측정된 유도초음파 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 신호처리부(300); 및 상기 신호처리부(300)를 통해 획득한 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 스펙트럼 진단부(400)를; 포함하고,
   상기 센서모듈부(200)는, 상기 강연선의 외주면을 감싸도록 형성되는 센서부(210)와; 전자석을 이용하여 인가되는 전류에 따라 상기 센서부(210)에 자기력을 제공하는 자기부(220)와; 링 형태로 형성되어 센서모듈부(200)의 양 끝단에 각각 결합되는 요크부(230)를 포함하며, 상기 자기부(220)의 내측으로 상기 센서부(210)가 슬라이딩되어 삽입되고, 자기부(220)의 내측에 삽입된 상기 센서부(210)에 센서코일(212)이 권선되는 병렬형 구조를 갖으며,
   상기 센서부(210)는, 중공의 원통형으로 형성되어 상기 강연선(10)이 내측으로 길이방향을 따라 관통되어 삽입되도록 형성된 센서보빈(211)과; 상기 센서보빈(211)의 외주면에 원주방향을 따라 권선되는 리시브 코일(Receive coil) 및 드라이브 코일(Drive coil)로 구성된 센서코일(212)을 포함하되,
   상기 센서보빈(211)은, 상기 외주면의 일측에는 복수개로 상기 외주면의 길이방향을 따라 서로 이격되게 배열되고, 상기 외주면의 원주방향을 따라 환형으로 형성되어 상기 리시브 코일이 감겨지는 복수개의 와인딩홈(211a)이 형성되고, 상기 외주면의 타측에는 상기 드라이브 코일이 감겨지도록 권선홈(211b)이 형성된 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서부(210)는,
   상기 앵커헤드(100)의 내부에 구비되며, 상기 앵커헤드(100)의 홀(110)에 삽입되는 복수의 강연선(10)에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 자기부(220)는,
   중공의 원통형으로 이루어져 내측으로 상기 센서부(210)가 길이방향을 따라 내측으로 관통되게 삽입되는 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 자기부(220)는,
   중공의 원통형으로 이루어져 상기 센서부(210)를 감싸도록 형성되며 전자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 자기부(220)는,
   내주측면을 따라 상기 센서부(210)가 슬라이딩 방식으로 탈착되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 신호처리부(300)는,
   상기 강연선을 따라 유도되어 수신된 유도초음파의 신호를 측정하는 신호측정부(310)와, 상기 신호측정부(310)로부터 수신된 신호를 주파수영역(Frequency domain)의 스펙트럼으로 변환하는 주파수 변환부(320)를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 하나의 항에 따른 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법은,
   복수의 홀(110)에 관통되어 삽입되는 복수의 강연선(10)의 긴장력을 각각 측정할 수 있도록 센서모듈부(200)가 내장되어 일체화된 앵커헤드(100)에 강연선(10)을 삽입하고, 쐐기(120)를 이용하여 삽입된 강연선(10)을 고정하는 단계와;
   상기 센서모듈부(200)를 통하여 상기 강연선(10)에 유도초음파를 발진 및 수신하여 상기 강연선(10)에 의하여 유도된 신호를 신호처리부(300)를 통하여 측정하고, 측정된 상기 신호를 주파수영역의 스펙트럼으로 변환하는 단계와; 및
   스펙트럼 진단부(400)를 통하여 신호처리부(300)에서 변환된 주파수영역의 스펙트럼을 분석하여 상기 강연선의 긴장력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 강연선(10)은,
   현수교, 사장교, 라멘교, 복합교를 포함하는 교량의 지지용 케이블 또는 헹어케이블 또는 하중 지지용 와이어 로프 또는 사면 보강재 또는 힘이 작용하는 콘크리트 구조물 내의 케이블 또는 텐던(Tendon)을 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 센서모듈부(200)는,
   상기 강연선(10)이 앵커헤드(100)에 삽입되어 고정되기 전 구조물의 초기 설치 시 강연선(10)에 고정하거나 또는 상기 앵커헤드(100) 제작 시 미리 고정되어 일체화되는 것을 특징으로 하는 일체형 긴장력 측정센서가 구비된 스마트 앵커헤드를 이용한 강연선 긴장력 측정 및 진단 방법.
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