KR102310053B1 - 압전 복합체 손상 감지 센서, 비파괴 검사 장치 및 비파괴 검사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 압전 복합체 손상 감지 센서, 비파괴 검사 장치 및 비파괴 검사 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고신뢰성의 유연한 압전 복합체 손상 감지 센서, 이를 이용한 비파괴 검사 장치 및 비파괴 검사 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서는, 복수의 압전소자; 상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및 상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함할 수 있다.

Description

압전 복합체 손상 감지 센서, 비파괴 검사 장치 및 비파괴 검사 방법{Piezocomposite damage detecting sensor, non-destructive inspection apparatus and non-destructive inspection method}
본 발명은 압전 복합체 손상 감지 센서, 비파괴 검사 장치 및 비파괴 검사 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고신뢰성의 유연한 압전 복합체 손상 감지 센서, 이를 이용한 비파괴 검사 장치 및 비파괴 검사 방법에 관한 것이다.
종래의 비파괴 검사 기술은 구조물 표면의 국부적인 위치의 손상만을 검사할 수 있었으나, 최근의 비파괴 검사 기술은, 예를 들어, 초음파 두께 탐지 등을 이용하여 구조물의 건전성 상태를 평가하여, 그 구조물의 잔류 수명을 예측할 수 있도록 도와줄 수 있고, 기존의 스케줄에 따른 검사(Schedule-driven inspections)가 아닌 조건 기반의 유지보수(Condition-based maintanece)가 가능할 수 있다.
이러한, 비파괴 검사 기술은 관련 센서 기술과 밀접한 관계가 있다. 센서는 구조물을 모니터링하고, 안전성과 건전성을 평가하기 위한 기본적인 도구로 사용되고 있다. 각종 센서 개발 및 센싱 기술은 현대의 모든 산업과 연구 분야에 사용되는 핵심 기술로서 구조물의 건전성 및 손상 탐지 분야에 적극적으로 활용되고 있으며, 비파괴검사 기술의 발전을 위해서는 새롭고 효율적인 센서의 개발이 병행되어야 한다.
이에, 최근의 요구 사항을 반영하여 Lamb wave와 같은 Guided wave를 활용한 비파괴 검사 기술이 크게 주목받고 있다. Lamb wave는 얇은 벽으로 이루어진 구조물 내에서 먼 거리까지 전파가 가능한 탄성파이다. Lamb wave 사용시 기존에 비하여 손상 탐지에 필요한 센서의 수를 대폭 줄일 수 있으며, 특히 PWAS(Piezoelectric Wafer Active Sensors)는 소형, 경량, 저가격, 다양한 형상 등의 장점과 함께 구조물 건전성 모니터링, 손상 감지, 비파괴 검사 등에 유용한 기술로 부각되고 있다.
Lamb wave를 포함한 초음파 방식 비파괴 검사에서는 주로 디스크 형상의 압전 세라믹을 활용한 트랜스듀서와 센서가 사용되고 있다. 이러한, 압전 세라믹을 이용한 비파괴 검사에는 대표적으로 파동의 전파, 주파수 응답특성, 임피던스 변화를 활용하는 방법 등이 있다.
그러나, 압전 세라믹은 세라믹이 가지는 전형적인 특성인 높은 취성으로 인하여 외부의 큰 충격으로 깨지기 쉽다는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 압전센서에 사용되는 압전 세라믹의 높은 취성 문제를 해결하는 기술이 요구된다.
한국등록특허공보 제10-1346557호
본 발명은 고신뢰성의 유연한 압전 복합체 손상 감지 센서, 이를 이용한 비파괴 검사 장치 및 비파괴 검사 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서는 복수의 압전소자; 상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및 상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함할 수 있다.
상기 복수의 압전소자는 각각 펠렛 형상으로 제공되며, 상기 기지부는 판상일 수 있다.
상기 기지부의 두께는 상기 복수의 압전소자 평균 두께의 90% 내지 110%일 수 있다.
상기 압전소자는 세라믹 물질로 이루어진 압전 세라믹스를 포함할 수 있다.
상기 기지부는 유연할 수 있다.
상기 기지부는 상기 지지필름보다 높은 탄성률을 나타낼 수 있다.
상기 기지부는 상기 압전소자보다 낮은 탄성률을 나타낼 수 있다.
상기 기지부는 이격된 복수의 관통홀;을 포함하고, 상기 복수의 압전소자는 각각 상기 복수의 관통홀 각각에 수용될 수 있다.
상기 압전소자는 측면 일부가 돌출된 형태로 제공되는 돌출부;를 포함하고, 상기 돌출부의 단부는 상기 관통홀의 내벽 일부와 접할 수 있다.
상기 복수의 압전소자는 각각 일정한 간격으로 이격되어 제공될 수 있다.
상기 기지부는 일방향으로 연장된 스트립 형태이고, 상기 복수의 압전소자가 상기 일방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치는, 복수의 압전소자; 상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및 상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함하는 압전 복합체 손상 감지 센서; 상기 복수의 압전소자 중 선택된 적어도 어느 하나의 압전소자가 탄성파를 발생시키도록 전압을 인가하는 전원부; 발생된 상기 탄성파가 선택된 상기 압전소자에 인접한 주변의 압전소자에 도달하여 출력된 전기 신호를 측정하는 신호 측정부; 및 상기 복수의 압전소자를 각각 상기 전원부 또는 상기 신호 측정부에 선택적으로 연결시키는 스위치부;를 포함할 수 있다.
상기 신호 측정부에서 측정된 데이터를 전달받으며, 상기 측정된 데이터를 기준 데이터와 비교하여 미리 설정된 범위를 벗어날 경우 손상이 존재하는 것으로 판단하는 손상 판단부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 방법은, 복수의 압전소자; 상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및 상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함하는 압전 복합체 손상 감지 센서; 상기 압전 복합체 손상 감지 센서를 사용하는 비파괴 검사 방법에 있어서, 상기 복수의 압전소자 중 적어도 어느 하나의 압전소자를 선택하는 과정; 선택된 상기 압전소자에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시키는 과정; 및 선택된 상기 압전소자에 인접한 압전소자에서 상기 탄성파에 의해 출력된 전기신호를 측정하는 과정;을 포함할 수 있다.
선택된 상기 압전소자와 상이한 위치의 압전소자 중 적어도 어느 하나의 압전소자를 다시 선택하는 과정;을 더 포함하고, 상기 탄성파를 발생시키는 과정, 및 상기 전기 신호를 측정하는 과정을 반복할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 방법은, 복수의 압전소자; 상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및 상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함할 수 있고, 상기 기지부는 일방향으로 연장된 스트립 형태이고, 상기 복수의 압전소자가 상기 일방향을 따라 일렬로 배치되는 압전 복합체 손상 감지 센서; 상기 압전 복합체 손상 감지 센서를 사용하는 비파괴 검사 방법에 있어서, 서로 평행하도록 복수개의 상기 압전 복합체 손상 감지 센서를 배치하는 과정; 복수의 압전소자 중 적어도 어느 하나를 선택하는 과정; 선택된 상기 압전소자에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시키는 과정; 및 선택된 상기 압전소자를 포함하는 압전 복합체 손상 감지 센서 및 그에 이웃한 압전 복합체 손상 감지 센서에 구비되는 복수의 압전소자 중, 상기 선택된 압전소자와 인접한 압전소자에서 상기 탄성파에 의해 출력된 전기 신호를 측정하는 과정;을 포함하는 비파괴 검사 방법.
본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서는 복수의 압전소자를 이격되도록 수용하는 기지부를 제공하여 압전 복합체를 형성함으로써, 압전 세라믹스의 취성이 보완된 손상 감지 센서를 제공할 수 있으며, 각 압전소자 사이의 거리는 기지부에의해 이격된 상태로 유지되므로, 손상 감지를 위한 별도의 거리측정 절차가 불필요할 수 있고, 편리한 손상 감지를 제공할 수 있다.
이때, 기지부의 탄성률은 압전소자보다 낮게 함으로써, 탄성파를 이용한 대상물의 손상 감지 시 압전소자와 맞닿아 있는 지지부를 통해 탄성파가 주변의 다른 압전소자로 직접 전파되는 것을 방지할 수 있고, 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서는 유연할 수 있도록 제공됨으로써, 곡면의 대상물 표면에도 부착될 수 있으며, 다양한 형상의 대상물에서 손상을 감지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서를 이용한 비파괴 검사 장치는, 각각의 압전소자가 탄성파를 발생시키는 액추에이팅 또는 탄성파에 의해 전기 신호를 출력하는 센싱 중 선택적으로 기능을 변경할 수 있고, 하나의 압전소자가 액추에이터 및 센서로서 기능할 수 있으므로, 복잡한 설계를 축소시킬 수 있고, 장치를 경량화할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서를 이용한 비파괴 검사 방법은 복수의 압전소자에서 액추에이팅 및 센싱 상태를 순차적으로 교번함으로써, 넓은 면적의 대상물의 손상감지 시에도 손상 발생 여부와 손상이 발생한 위치를 편리하게 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서를 이용한 비파괴 검사 방법은 복수개로 사용할 수 있는 압전 복합체 손상 감지 센서를 스트립 형상으로 제공함으로써, 압전 복합체 손상 감지 센서와 규격이 맞지 않는 대상물에서도 손상 감지가 제공되지 못하는 영역을 최소화할 수 있으므로, 편리한 손상 감지 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지지필름을 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서의 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서의 분해사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서의 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치를 나타낸 구성도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치에서 시간에 따라 측정된 전기 신호를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치의 손상 데이터 생성 방법을 나타낸 개념도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 방법을 나타낸 개념도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 방법을 나타낸 개념도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서의 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 지지필름의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서는, 복수의 압전소자; 상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및 상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함할 수 있다.
압전소자는 전기에너지가 기계적 에너지로 또는 그 반대로 기계적 에너지가 전기적 에너지로 변환되는 특성을 나타내는 재료이며, 압전효과는 압전소자에 외부로부터 전압을 걸어주면 상기 압전소자가 기계적 변위를 일으키는 현상을 말한다. 이러한 압전효과에는 압전소자에 외부 응력, 진동 변위 등을 주면 그 출력단자에서 전기 신호가 발생하는 압전직접효과와, 압전소자에 외부로부터 전압을 걸어주면 소자가 기계적 변위를 일으키는 역압전효과가 있다.
이와 같은, 압전효과에 의해 압전소자는 전압을 걸어주면 기계적 변위를 일으키며 탄성파를 발생시킬 수 있고, 예를 들어, Lamb Wave와 같은 두 개의 평행하고 근접한 자유 경계면을 나타내는 얇은 플레이트 등의 고체 내에서, 먼 거리까지 전파가 가능한 탄성파를 이용하여, 상기 탄성파를 대상물에 전파하고, 상기 탄성파의 변화를 측정하는 방법으로 비파괴 검사가 진행될 수 있다.
이러한, 압전체의 종류에는 Quartz, 로셀염, 티탄산바륨(PbTiO3), PZT, Non-Pb계 압전 세라믹스 등이 있으며, 이 중 PZT 및 Non-Pb계 압전 세라믹스 등의 압전 세라믹스는 전기기계 변환효율이 매우 높고, 정밀제어가 가능한 재료이므로, 정밀함이 요구되는 센서 기술에 사용하기 적합할 수 있다.
이에, 상기 압전소자를 손상을 감지하고자 하는 대상물의 표면에 이격되도록 복수개 부착하여, 상기 압전소자에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시킬 수 있고, 상기 탄성파가 상기 대상물의 표면을 따라 전파되어 이격된 다른 압전소자에서 전기 신호를 발생시킬 수 있으며, 상기 전기 신호를 분석하여 상기 대상물의 손상을 감지할 수 있다.
하지만, 이와 같은 손상 감지 센서에서는 각각의 압전소자 사이의 거리를 직접 측정하여 데이터를 분석해야 하는 번잡한 절차가 필요할 수 있으며, 압전 세라믹스는 취성이 있는 재료이므로, 상기 압전소자가 외부환경에 그대로 노출되며, 쉽게 파괴될 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위해 복수의 압전소자의 적어도 일면 상에 부착될 수 있는 얇은 두께의 필름 등을 사용하여, 상기 복수의 압전소자 사이의 간격을 일정하게 배치시킴으로써, 각각의 압전소자 사이의 거리를 매번 측정해야 하는 번잡한 작업절차를 축소시키려는 시도가 있을 수 있다.
그러나, 상기 필름 등을 이용한 압전소자의 배치만으로는 압전 세라믹스의 취성 문제는 해결되기 어려울 수 있고, 센서의 수명이 감소할 수 있으며, 신뢰성 또한 떨어질 수 있다. 또한, 상기 필름이 대상물의 형태에 따라 연신될 수 있으므로, 상기 압전소자 사이의 간격은 일정하게 유지되기 어려울 수 있다.
따라서, 상기 압전 세라믹스의 취성을 보완해줄 수 있는 기술과 상기 압전소자 사이의 간격을 일정하게 유지할 수 있는 기술이 추가적으로 요구될 수 있다.
반면, 본 발명의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는 이러한 압전소자의 취성을 보완할 수 있도록, 우수한 기계적 특성을 갖는 재료를 기지상으로 제공하고, 압전소자를 상기 기지상 내부에 배치함으로써, 상기 압전소자와 상기 기지상이 압전 복합체를 형성할 수 있으며, 압전소자의 취성이 보완된 센서 기술을 제공할 수 있다. 또한, 상기 기지상에 의해 상기 복수의 압전소자의 간격이 일정하게 유지될 수 있으므로, 상기 복수의 압전소자 사이의 거리 측정이 불필요할 수 있으며, 편리한 센서 기술을 제공할 수 있다.
압전소자(110)는 복수로 제공되며 기지부(120)에 의해 이격되어 수용될 수 있고, 상기 압전소자(110)와 상기 기지부(120) 각각의 상부면과 대향하는 하부면은 각각 지지필름(130)으로 지지되어, 상기 압전소자(110)가 외부로부터 절연될 수 있다. 상기 지지필름(130)은 손상을 감지하고자 하는 대상물의 표면에 부착될 수 있으며, 상기 압전소자(110)의 양단에는 전극(111)이 연결되고, 상기 전극(111)은 상기 지지필름(130)에 형성된 전극패턴(141)과 연결된다. 상기 전극패턴(141)은 배선(142)에 의해 단자(143)로 연결되어, 상기 단자(143)를 통해 상기 압전소자(110)는 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 상기 단자(143)에 연결된 외부 장치로부터 상기 배선(142)을 통해 전압을 인가받아 탄성파를 발생시킬 수 있다.
이에, 상기 탄성파는 손상을 감지하고자 하는 대상물과 상기 지지필름(130)의 접촉면을 따라 전파될 수 있고, 상기 탄성파의 발생 지점으로부터 인접한 주변의 다른 압전소자(110)는 상기 탄성파에 의해 전기 신호를 출력할 수 있다. 상기 전기 신호는 상기 배선(142) 및 단자(143)를 통해 외부 장치에 전달될 수 있고, 상기 전기 신호를 분석하여 상기 대상물의 손상을 감지할 수 있다.
상기 기지부(120)와 상기 다수의 압전소자(110)는 동일한 평면을 공유하는 일면 상에 각각 배치될 수 있고, 상기 배치되는 형태는 상기 기지부(120) 내부에 상기 압전소자(110)가 분산되며 삽입되는 형태일 수 있으며, 상기 기지부(120)와 상기 다수의 압전소자(110)는 동일한 평면인 상기 일면 상에서 압전 복합체를 형성할 수 있다.
이때, 상기 기지부(120)는 유연성(Flexibility)이 있는 물질일 수 있고, 상기 기지부(120)의 구조적 지지에 의해 상기 압전소자(110)에 가해지는 응력이 분산됨으로서, 상기 압전소자(110)의 취성이 보완될 수 있고, 외부의 충격에 의해 상기 압전소자(110)가 깨지는 것을 방지할 수 있으며, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
이러한, 기지부(120)는 유연성이 우수한 폴리머 또는 폴리머를 포함하는 복합체를 사용할 수 있고, 예를 들어, FRP(Fiber reinforced plastics) 등의 외부충격에 강하고 유연성이 있는 물질을 사용할 수 있으며, 특히, FR4(Flame retardant 4) 등의 글라스 에폭시(Glass epoxy)를 이용하면, 높은 기계적 강도뿐만 아니라 전기 절연성을 나타내므로 본 발명에 더욱 적합할 수 있다.
또한, 상기 기지부(120)에 의해 상기 복수의 압전소자(110)가 이격된 거리를 일정하게 유지할 수 있으므로, 각각의 상기 압전소자(110) 사이의 거리를 매번 측정해야 하는 번잡한 작업절차를 축소 시킬 수 있다.
그리고, 상기 기지부(120)와 상기 다수의 압전소자(110)가 공유하는 동일한 평면인 상기 일면과 대향하는 이면에는 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)를 구조적으로 지지하고, 외부로부터 보호할 수 있는 지지필름(130)이 각각 부착될 수 있으며, 상기 지지필름(130)은 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)의 상기 일면 및 이면이 외부에 직접 노출되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)가 결합된 압전 복합체가 굴곡 되더라도 상기 기지부(120)에서 상기 압전소자(110)가 이탈하지 않도록 구조적으로 보호할 수 있으며, 압전 복합체 손상 감지 센서의 외형을 안정적으로 유지할 수 있다.
또한, 상기 지지필름(130)은 절연성이 있는 물질로 이루어질 수 있으며, 상기 압전소자(110)의 전기적 연결을 유지시킬 수 있고, 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)를 외부로부터 보호할 수 있다. 이러한 지지필름(130)으로는 예를 들어, PI(Polyimide)필름 등을 이용할 수 있으나, 이에 특별히 한정하지 않는다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 단면도로, 도 3의 (a)는 시트 형상의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)를 나타내고, 도 3의 (b)는 스트립 형상의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는, 감지하고자 하는 대상물의 형태에 따라 상기 압전소자(110)를 배치하는 형태를 다양하게 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 3의 (a)와 같은 시트 형상의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는 넓은 면적의 대상물에 사용할 수 있으며, 도 3의 (b)와 같은 스트립 형상의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는 폭이 좁고 길이 방향으로 연장된 형태의 대상물에 사용할 수 있다.
이러한, 기지부(120)는 예를 들어, 상기 복수의 압전소자(110)를 몰드에 배열하고 상기 기지부(120)를 상기 몰드에 사출하여 성형하는 방법으로 제공될 수 있고, 상기 압전소자(110)의 액추에이팅 및 센싱 기능을 방해하지 않으며, 복수로 제공되는 압전소자(110) 사이에 오차공간이 발생하지 않도록 제공될 수 있고, 손상을 감지하고자 하는 대상물의 표면에 부착시키기에 방해되지 않는 형태로 제공될 수 있으면 족하다.
예를 들어, 상기 압전소자(110) 및 상기 지지필름(130)만으로 구성된 센서를 사용할 경우, 복수로 제공되는 각각의 압전소자(110) 사이 빈 공간은 상기 압전소자(110)의 상부면에 부착된 지지필름(130)과 상기 압전소자(110)의 하부면에 부착된 지지필름(130)이 서로 맞닿는 형태로 제공될 수 있으며, 상기 압전소자(110)의 주위에는 상기 압전소자(110)의 두께에 의해 지지필름(130)들이 맞닿지 않으며 공기를 포함하는 공간이 발생할 수 있다.
이러한, 공기를 포함하는 공간에 의해 대상물과 부착되는 접촉면의 형태가 왜곡(예를 들어, 지지필름(130)이 대상물의 표면과 접촉하지 못하고 들뜨는 등)될 수 있으며, 이에, 상기 대상물과 상기 지지필름(130) 사이의 접촉면 일부에 공기에 노출되는 면이 형성될 수 있으며, 상기 대상물의 손상을 감지하기 위해 상기 압전소자(110)에서 발생되는 탄성파의 형태가 변형되거나 전파 속도가 감소할 수 있고, 센서의 신뢰성이 저하될 수 있다.
한편, 낙뢰시험 등의 가혹한 외부 환경에서의 센서 사용 시 상기 공기를 포함하는 공간이 존재할 경우, 낙뢰 전기에 의해 상기 공간의 공기가 급속히 팽창하며 충격파가 발생할 수 있고, 이러한 충격파에 의해 센서의 성능이 저하될 수 있다.
이에, 상기 기지부(120)가 상기 복수의 압전소자(110)를 수용하도록 제공함으로써, 상기 압전소자(110)의 주변에 공기를 포함하는 상기 공간이 발생하지 않을 수 있으며, 대상물과의 접촉면 일부에 공기에 노출되는 면이 형성되지 않을 수 있고, 가혹한 외부 환경에서 이용 시 센서의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있으며, 센서의 신뢰성이 증가할 수 있다.
이때, 상기 복수의 압전소자(110)는 각각 펠렛 형상으로 제공되며, 상기 기지부(120)는 판상일 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 하나의 압전소자(110) 자체에서는 동일한 두께를 나타내는 형태로 제공될 수 있다. 즉, 상부면과 하부면이 편평한 형태인, 예를 들어, 펠렛 형상일 수 있으나, 이에 특별히 한정하지 않는다.
압전효과에 의한 압전소자(110)의 변위량은 압전소자의 두께에 비례할 수 있고, 압전소자(110)의 두께가 일정하지 않은 경우, 변위량이 일정하지 못할 수 있고, 이때 발생하는 탄성파의 형태 또한 균질하지 못할 수 있다. 따라서, 하나의 압전소자(110)에서 압전효과에 의한 상기 압전소자(110)의 두께 방향으로의 변위량이 일정하도록 제공함으로써, 하나의 압전소자(110) 내에서 두께방향의 변위량은 일정하게 제공될 수 있고, 상기 압전소자(110)에 전압이 인가되며 발생하는 탄성파의 세기 또한 일정할 수 있으며, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성이 향상될 수 있다.
따라서, 상기 기지부(120)도 상기 압전소자(110)와 동일한 평면상에 존재할 수 있도록 판상의 형태로 제공될 수 있으며, 이에, 상기 지지필름(130)이 지지하기 용이할 수 있고, 감지하려는 대상물의 표면에 부착되기 용이하도록 제공될 수 있다.
이때, 상기 기지부(120)의 두께는 상기 복수의 압전소자(110)의 평균 두께의 90% 내지 110%일 수 있다. 다수의 압전소자(110) 각각은 동일한 두께로 제공될 수 있으며, 상기 동일의 의미는 물리적 동일만을 의미하는 것이 아니고, -5% 내지 +5%의 오차범위에서는 기능적으로 동일하다는 것을 의미할 수 있다.
상기 복수의 압전소자(110)와 기지부(120) 사이에 두께 차이가 발생할 경우, 지지필름(130)이 상기 압전소자(110) 및 기지부(120) 각각의 상부면과 하부면에 각각 부착되었을 때, 상기 지지필름(130)은 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)의 두께 차에 의해 휘어지게 될 수 있고, 공기를 포함하는 공간이 발생하여 탄성파의 전달에 오류가 발생할 수 있다.
이에, 상기 기지부(120)의 두께는 상기 복수의 압전소자(110)의 평균 두께와 기능적으로 동일할 수 있도록 상기 압전소자(110)의 평균두께의 90% 내지 110%로 제공될 수 있고, 상기 압전소자(110) 및 기지부(120)의 높이 차이에 의해 상기 지지필름(130)이 휘어지는 것을 방지할 수 있으며, 공기를 포함하는 공간이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 탄성파 전달의 오류를 방지하여 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고, 상기 압전소자(110)는 세라믹 물질로 이루어진 압전 세라믹스를 포함할 수 있다. 압전체의 종류에는 Quartz, 로셀염, 티탄산바륨(PbTiO3), PZT, Non-Pb계 압전 세라믹스 등이 있으며, 이 중 PZT 및 Non-Pb계 압전 세라믹스 등의 압전 세라믹스는 전기기계 결합계수가 높고, 압전성이 우수하여 본 발명에 사용하기 적합할 수 있다.
그러나, 상기 압전 세라믹스는 세라믹이 가지는 전형적인 특성인 높은 취성으로 인하여, 외부의 충격에 의해 깨지기 쉬울 수 있으며, 센서로서 사용 시 센서장치의 내구성을 감소시키는 문제점이 발생할 수 있다.
따라서, 상기 기지부(120)는 유연할 수 있다. 본 발명의 기지부(120)는 유연성(Flexibility)이 있도록 제공될 수 있고, 상기 압전소자(110)와 압전 복합체를 형성하여, 상기 압전소자(110)에 작용하는 응력을 분산시킬 수 있으며, 압전 세라믹의 취성을 보완할 수 있고, 외부의 충격으로부터 상기 압전소자(110)가 깨지는 것을 방지할 수 있다.
이러한, 기지부(120)는 유연성이 우수한 폴리머 또는 폴리머를 포함하는 복합체를 사용할 수 있고, 예를 들어, FRP(Fiber reinforced plastics) 등의 외부충격에 강하고 유연성이 있는 물질을 사용할 수 있으며, 특히, FR4(Flame retardant 4) 등의 글라스 에폭시(Glass epoxy)를 이용하면, 높은 기계적 강도뿐만 아니라 전기 절연성을 나타내므로 본 발명에 더욱 적합할 수 있다.
이때, 상기 기지부(120)는 상기 지지필름(130)보다 높은 탄성률을 나타낼 수 있다. 상기 지지필름(130)은 다양한 형상의 대상물의 표면에 밀착하며 부착될 수 있도록 굴곡 내지는 연신할 수 있는 재료로 제공될 수 있으며, 상기 대상물이 곡면을 나타내더라도 상기 지지필름(130)이 굴곡되며 상기 대상물에 부착될 수 있다.
반면, 상기 기지부(120)는 대상물의 손상을 감지하기 위해 상기 복수의 압전소자(110) 사이의 거리를 측정해야 하는 번잡한 절차가 발생하지 않도록, 상기 복수의 압전소자(110)가 일정한 거리를 유지하도록 수용할 수 있으며, 또한 센서 전체 부품 중 가장 큰 비중을 차지할 수 있으므로, 형태가 지나치게 연신되면 일정하게 유지되어야 하는 상기 거리가 유지되지 못할 수 있고, 상기 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 오작동을 일으킬 수 있다.
이에, 상기 기지부(120)는 상기 지지필름(130)보다는 높은 탄성률을 나타낼 수 있으며, 상기 지지필름(130)이 연신되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 전체 구조를 안정적으로 유지할 수 있다. 또한, 상기 복수의 압전소자(110) 사이의 거리가 일정하게 유지할 수 있고, 상기 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 오류가 발생하는 것을 감소시킬 수 있고, 상기 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 지지필름(130)은 손상을 감지하고자 하는 대상물과 직접적으로 접촉할 수 있으며, 이때, 상기 압전소자(110)로부터 발생한 탄성파가 상기 대상물에 전달되기 위해 상기 지지필름(130)을 통과할 수 있다.
상기 압전소자(110)에서 발생하는 탄성파는, 매질에 변형을 가했을 경우 원래의 상태로 되돌아가려는 복원력에 의해 전파되므로, 매질의 탄성률이 작을 경우 변형에 대한 회복속도가 감소하며 탄성파의 전달되기 어려워질 수 있다.
상기 지지필름(130)은 다양한 형상의 대상물 표면에 부착될 수 있도록 변형이 쉬운 물질로 제공될 수 있어야 하므로, 즉, 낮은 탄성률을 나타내는 물질을 사용할 수 있으며, 따라서, 상기 지지필름(130)의 낮은 탄성률에 의해 상기 탄성파가 통과하기 어려울 수 있으며, 상기 대상물로의 상기 탄성파 전파에 방해가 되는 문제가 발생할 수 있고, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성이 감소할 수 있다.
이에, 상기 지지필름(130)의 두께를 얇게 제공할 수 있으며, 상기 지지필름(130)의 탄성률에 의한 영향을 최소화하여, 상기 탄성파가 상기 지지필름(130)을 통과하기 어려워지는 것을 방지할 수 있고, 상기 대상물로 상기 탄성파가 원활히 전파될 수 있으며, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 상기 기지부(120)는 상기 압전소자(110)보다 낮은 탄성률을 나타낼 수 있다. 압전소자(110)에 전압을 인가하여 탄성파가 발생할 때, 손상을 감지하고자 하는 대상물과의 접촉면이 아닌, 상기 압전소자(110)와 접촉하고 있는 상기 기지부(120)를 통해 상기 탄성파가 전파될 수 있고, 상기 대상물에 손상정보를 측정하지 못할 수 있으며, 전파의 간섭이 발생할 수 있으므로, 인접한 주변의 다른 압전소자(110)에서 출력되는 전기 신호가 왜곡될 수 있고, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성이 감소할 수 있다.
이에, 상기 기지부(120)는 상기 압전소자(110)보다 낮은 탄성률을 나타내도록 제공될 수 있으며, 전술한 바와 같이 탄성파는 탄성률이 낮을수록 전파되기 어려워질 수 있으므로, 상기 압전소자(110)에서 발생한 탄성파는 낮은 탄성률을 나타내는 상기 기지부(120)에서는 전파되기 어려워지며, 다른 압전소자(110)에서 출력되는 전기신호가 왜곡되는 것을 최소화할 수 있으며, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그러므로, 상기 기지부(120)의 탄성률은 상기 지지필름(130) 및 압전소자(110)의 탄성률에 의해 결정될 수 있고, 상기 지지필름(130)보다는 높은 탄성률을 나타내며, 상기 압전소자(110)보다는 낮은 탄성률을 나타내는 범위에서 결정될 수 있다.
이때, 본 발명의 지지필름(130)으로 쓰일 수 있는 물질의 바람직한 탄성률은 수GPa의 탄성률을 나타낼 수 있으며, 예를 들어, PI필름 등을 사용할 수 있고, 이에, 적합하게는 1 내지 5 GPa의 탄성률을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 압전소자(110)의 탄성률은 바람직하게는 수 백GPa의 높은 탄성률일 수 있으며, 이러한 높은 탄성률에 의해, 상기 탄성파의 발생이 용이할 수 있으며, 손상을 감지하고자 하는 대상물로 상기 탄성파가 전달되기 수월할 수 있고, 이에, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성이 향상될 수 있다.
따라서, 상기 기지부(120)는 상기 지지필름(130) 및 압전소자(110)의 탄성률을 고려하여, 바람직하게는 10GPa 내지 50GPA 의 탄성률을 나타낼 수 있으며, 상기 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 내부구조를 지지하여 상기 압전 복합체 손상 감지 센서(100)가 기능하지 못할 정도로 변형되는 것을 방지할 수 있고, 상기 압전소자(110)에서 발생한 탄성파가 상기 기지부(120)를 통해 전달되는 것을 방지할 수 있으며, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서의 분해사시도이다.
도 4를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는, 상기 기지부(120)는 이격된 복수의 관통홀(121);을 포함하고, 상기 복수의 압전소자(110)는 각각 상기 복수의 관통홀(121) 각각에 수용될 수 있다.
상기 기지부(120)는 상기 압전소자(110)를 수용하기 위한 복수의 관통홀(121)을 구비할 수 있으며, 상기 관통홀(121)에 의해 상기 압전소자(110)의 상부면과 대향하는 하부면이 상기 기지부(120)에서 노출되도록 제공될 수 있다. 이에, 상기 기지부(120)에 의해 탄성파가 전파되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 기지부(120)를 통과하는 탄성파에 의해 신호의 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 압전 복합체 손상 감지 센서(100)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
상기 지지필름(120)은 전극패턴(141)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 지지필름(130)의 일면에는 예를 들어, 금속성 물질이 프린팅되어 제공될 수 있는 전극패턴(141) 및 배선(142)이 형성될 수 있고, 상기 압전소자(110)와 외부 장치가 전기 신호를 주고받을 수 있다. 이러한 지지필름(130)의 상기 전극패턴(141) 및 배선(142)은 상기 압전소자(110)의 상부면 및 하부면에 각각 제공될 수 있으며, 각각 서로 대칭하는 형태로 형성되어, 압전 복합체 손상 감지 센서(100) 내부에 복수의 압전소자(110)가 배치되더라도 상기 압전소자(110)를 외부장치로 연결 시키기 위한 단자(143)까지의 전기적 연결을 편리하게 제공할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는 상기 압전소자는 측면 일부가 돌출된 형태로 제공되는 돌출부(112);를 포함하고, 상기 돌출부(112)의 단부는 상기 관통홀(121)의 내벽 일부와 접할 수 있다.
상기 압전소자(110)는 전압을 인가받아 탄성파를 발생시킬 수 있으며, 이러한 탄성파가 상기 압전소자(110)와 접촉되어있는 상기 기지부(120)를 통해 직접 주변의 다른 압전소자(110)로 전파되지 않도록, 상기 압전소자(110)에 돌출부(112)를 제공할 수 있으며, 상기 돌출부(112)의 단부에 의해서만 상기 기지부(120)와 압전소자(110)가 접촉할 수 있고, 상기 기지부(120)를 통해 상기 탄성파가 전달되는 것을 최소화할 수 있다.
상기 복수의 압전소자(110)는 각각 일정한 간격으로 이격되어 제공될 수 있다. 상기 복수의 압전소자(110)는 각각이 액추에이터 및 센서로서 기능해야하므로 복수의 압전소자(110)들이 일정한 간격으로 이격됨으로써, 상기 액추에이터 및 센서로서의 기능이 상호 전환되더라도 액추에이터와 센서 사이는 동일한 거리를 유지할 수 있다. 이에, 상기 탄성파의 변화를 판단하기 위한 기준 데이터로서 동일한 거리 값을 사용할 수 있고, 대상물의 손상을 감지하기 위한 데이터 처리를 편리하게 제공할 수 있다.
상기 기지부(120)는 일방향으로 연장된 스트립 형태이고, 상기 복수의 압전소자(110)가 상기 일방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 상기 기지부(120)의 형태는 손상 감지하고자 하는 대상물에 의해 적합한 형태로 제공될 수 있으나, 도 3의 (b)와 같이 스트립 형상의 기지부(120)는 폭이 좁고 길이 방향으로 연장된 형태의 대상물에 사용할 수 있다. 이러한 스트립형태의 기지부(120)로 이루어진 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는 다양한 곡면에 부착되기 용이할 수 있고, 수평방향으로 복수개 사용할 수 있도록 제공되어, 손상을 감지하고자 하는 대상물이 규격에 맞지 않더라도 압전 복합체 손상 감지 센서(100)를 빈틈없이 부착할 수 있고, 손상을 감지하지 못하는 면적을 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치를 나타낸 구성도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치는 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서를 사용할 수 있으며, 상기 압전 복합체 손상 감지 센서에 관한 상세한 내용은 전술한 내용과 동일하게 적용될 수 있으므로 이에, 생략한다. 본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서(100); 상기 복수의 압전소자(110) 중 선택된 적어도 어느 하나의 압전소자(110)가 탄성파를 발생시키도록 전압을 인가하는 전원부(300); 발생된 상기 탄성파가 선택된 상기 압전소자(110)에 인접한 주변의 압전소자(110)에 도달하여 출력된 전기 신호를 측정하는 신호 측정부(400); 및 상기 복수의 압전소자(110)를 각각 상기 전원부(300) 또는 상기 신호 측정부(400)에 선택적으로 연결시키는 스위치부(500);를 포함할 수 있다.
상기 신호 측정부(400)에서 측정된 데이터를 전달받으며, 상기 측정된 데이터가 손상을 의미하는 범위의 값을 나타낼 경우 손상이 존재하는 것으로 판단하는 손상 판단부(210);를 더 포함할 수 있다.
압전소자(110)는 복수로 제공되며 기지부(120)에 의해 이격되어 수용될 수 있고, 상기 압전소자(110)와 상기 기지부(120) 각각의 상부면과 대향하는 하부면은 각각 지지필름(130)으로 지지되어, 상기 압전소자(110)가 외부로부터 절연될 수 있다. 상기 지지필름(130)은 손상을 감지하고자 하는 대상물의 표면에 부착될 수 있으며, 상기 압전소자(110)의 양단에는 전극(111)이 연결되고, 상기 전극(111)은 상기 지지필름(130)에 형성된 전극패턴(141))과 연결되고, 상기 전극패턴(141)은 전선(142)에 의해 단자(143)로 연결되어, 상기 단자(143)를 통해 상기 압전소자(110)는 외부 장치와 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 상기 단자(143)에 연결된 외부 장치로부터 상기 전선(142)을 통해 전압을 인가받아 탄성파를 발생시킬 수 있다.
이에, 상기 탄성파는 상기 대상물과 상기 지지필름(130)의 접촉면을 따라 전파될 수 있고, 상기 탄성파의 발생 지점으로부터 인접한 주변의 다른 압전소자(110)는 상기 탄성파에 의해 전기 신호를 출력할 수 있다. 상기 전기 신호는 상기 전극패턴(141)을 통해 신호 측정부(400)에 전달될 수 있고, 상기 신호 측정부(400)에서 상기 전기 신호의 세기를 측정된 데이터를 손상 판단부(210) 및 손상 정보부(220)를 포함하는 제어부(200)로 전달할 수 있다. 상기 손상 판단부(210)는 상기 측정된 데이터를 기준값과 비교하여 상기 대상물의 손상 여부를 감지할 수 있으며, 상기 손상 정보부(220)는 상기 데이터를 분석하여 손상위치 손상크기 등을 파악할 수 있다. 또한, 상기 압전소자(110)는 스위치부(500)에 의해 상기 전원부(300) 또는 상기 신호 측정부(400)에 선택적으로 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치에서 시간에 따라 측정된 탄성파를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참고하면, 탄성파에 의한 손상 감지는, 손상이 없을 경우의 기준 데이터를 축적하고 손상이 발생하였을 경우 상기 기준 데이터와 비교하여 발생된 차이를 분석하는 방법 등이 있을 수 있다.
이러한, 기준 데이터는 예를 들어, 탄성파가 도달하는데 걸린 시간일 수 있다. 이에, 상기 탄성파가 상기 손상을 거쳐 도달되는 시간을 측정하고, 측정하고자 하는 대상물에 손상이 있는 경우, 상기 기준데이터와 비교하여 상기 탄성파가 도달하는 시간이 증가한 것을 확인하는 방법으로 손상이 발생하였음을 감지할 수 있다.
Figure 112020031226549-pat00001
Figure 112020031226549-pat00002
이때, 액추에이팅된 압전소자(A)로부터 센싱하는 압전소자(S)까지의 거리는 이미 알고 있기 때문에, 액추에이팅된 압전소자(A)에서 발생한 신호가 센싱하는 압전소자(S)에 신호가 도달하는 시간을 측정하면 위의 수식과 같이 탄성파의 속도(Vg , Group Velocity)를 구할 수 있고, 이와 같이 구해진 상기 탄성파의 속도를 이용하여 손상까지의 거리(dd)를 계산할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 장치의 손상 데이터 생성 방법을 나타낸 이미지이다.
도 8을 참고하면, 액추에이팅된 압전소자(A)와 센싱하는 압전소자(S)를 두 초점으로 하는 타원 방정식을 구성할 수 있다.
Figure 112020031226549-pat00003
이러한 액추에이팅된 압전소자(A)와 센싱하는 압전소자(S)로 이루어진 최소3개의 실험 데이터를 측정하면 3개의 타원 방정식을 구할 수 있고, 타원의 중첩된 중심점으로 손상 위치를 추정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 방법을 나타낸 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 방법은 상기 복수의 압전소자 중 적어도 어느 하나의 압전소자를 선택하는 과정; 선택된 상기 압전소자에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시키는 과정; 및 선택된 상기 압전소자에 인접한 압전소자에서 상기 탄성파에 의해 출력된 전기신호를 측정하는 과정;을 포함할 수 있다.
선택된 상기 압전소자와 상이한 위치의 압전소자 중 적어도 어느 하나의 압전소자를 다시 선택하는 과정;을 더 포함하고, 상기 탄성파를 발생시키는 과정, 및 상기 전기 신호를 측정하는 과정을 반복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서(100)에 포함되는 복수의 압전소자(110)는 각각 탄성파를 발생시키는 액추에이팅과 상기 탄성파에 의해 전기 신호를 출력하는 센싱의 두 가지 기능을 수행할 수 있도록 제공될 수 있고, 상기 복수의 압전소자(110)를 순차적으로 액추에이팅 및 센싱하도록 제공함으로써, 넓은 면적의 대상물에 발생한 손상의 구체적인 위치를 감지할 수 있다.
이에, 가장 선단의 압전소자(110)에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시킬 수 있고, 상기 탄성파는 감지하고자 하는 대상물을 통해 주변에 인접한 다른 압전소자(110)에 도달하여 상기 다른 압전소자(110)는 전기 신호를 출력시킬 수 있고, 상기 전기 신호를 측정하여 상기 대상물의 손상을 감지할 수 있다.
또한, 상기 전압을 해제하고, 상기 전압이 해제된 압전소자(110)로부터 인접한 다른 압전소자(110)에 전압을 인가함으로써 순차적으로 액추에이팅하는 압전소자(A)의 위치를 변경할 수 있고, 대상물에 발생한 손상의 구체적인 위치를 감지할 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 방법을 나타낸 개념도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비파괴 검사 방법은, 서로 평행하도록 복수개의 상기 압전 복합체 손상 감지 센서(100)를 배치하는 과정; 복수의 압전소자(110) 중 적어도 어느 하나를 선택하는 과정; 선택된 상기 압전소자(110)에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시키는 과정; 및 선택된 상기 압전소자(110)를 포함하는 압전 복합체 손상 감지 센서(100) 및 그에 이웃한 압전 복합체 손상 감지 센서(100)에 구비되는 복수의 압전소자(110) 중, 상기 선택된 압전소자(110)와 인접한 압전소자(110)에서 상기 탄성파에 의해 출력된 전기 신호를 측정하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는 스트립 형태일 수 있으며, 상기 스트립 형태의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)를 수평방향으로 복수개 사용할 수 있도록 제공될 수 있다.
상기 스트립 형태의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)는 하나의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)에 포함된 압전소자(110)로부터 발생한 탄성파를 이웃한 다른 압전 복합체 손상 감지 센서(100)에 구비된 압전소자(110)에서 감지할 수 있으며, 예를 들어, 상기 복수개의 스트립 형태의 압전 복합체 손상 감지 센서(100) 사이의 거리를 측정하여 기준 데이터를 입력하는 등으로 복수개의 스트립 형태의 압전 복합체 손상 감지 센서(100)를 사용하여 대상물의 손상을 감지할 수 있다.
이에, 손상을 감지하고자 하는 대상물이 규격에 맞지 않더라도 상기 압전 복합체 손상 감지 센서(100)를 빈틈없이 부착할 수 있고, 손상을 감지하지 못하는 면적을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서는 복수의 압전소자를 이격되도록 수용하는 기지부를 제공하여 압전 복합체를 형성함으로써, 압전 세라믹스의 취성이 보완된 손상 감지 센서를 제공할 수 있으며, 각 압전소자 사이의 거리는 기지부에의해 이격된 상태로 유지되므로, 손상 감지를 위한 별도의 거리측정 절차가 불필요할 수 있고, 편리한 손상 감지를 제공할 수 있다.
이때, 기지부의 탄성률은 압전소자보다 낮게 함으로써, 탄성파를 이용한 대상물의 손상 감지 시 압전소자와 맞닿아 있는 지지부를 통해 탄성파가 주변의 다른 압전소자로 직접 전파되는 것을 방지할 수 있고, 센서의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서는 유연할 수 있도록 제공됨으로써, 곡면의 대상물 표면에도 부착될 수 있으며, 다양한 형상의 대상물에서 손상을 감지할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서를 이용한 비파괴 검사 장치는, 각각의 압전소자가 탄성파를 발생시키는 액추에이팅 또는 탄성파에 의해 전기 신호를 출력하는 센싱 중 선택적으로 기능을 변경할 수 있고, 하나의 압전소자가 액추에이터 및 센서로서 기능할 수 있으므로, 복잡한 설계를 축소시킬 수 있고, 장치를 경량화할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서를 이용한 비파괴 검사 방법은 복수의 압전소자에서 액추에이팅 및 센싱 상태를 순차적으로 교번함으로써, 넓은 면적의 대상물의 손상감지 시에도 손상 발생 여부와 손상이 발생한 위치를 편리하게 확인할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전 복합체 손상 감지 센서를 이용한 비파괴 검사 방법은 복수개로 사용할 수 있는 압전 복합체 손상 감지 센서를 스트립 형상으로 제공함으로써, 압전 복합체 손상 감지 센서와 규격이 맞지 않는 대상물에서도 손상 감지가 제공되지 못하는 영역을 최소화할 수 있으므로, 편리한 손상 감지 방법을 제공할 수 있다.
상기 설명에서 사용한 “~ 상에”라는 의미는 직접 접촉하는 경우와 직접 접촉하지는 않지만 상부 또는 하부에 대향하여 위치하는 경우를 포함하고, 상부면 또는 하부면 전체에 대향하여 위치하는 것뿐만 아니라 부분적으로 대향하여 위치하는 것도 가능하며, 위치상 떨어져 대향하거나 상부면 또는 하부면에 직접 접촉한다는 의미로 사용하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
100 : 압전 복합체 손상 감지 센서 110 : 압전소자
111 : 전극 112 : 돌출부
120 : 기지부 121 : 관통홀
130 : 지지필름 141 : 전극패턴
142 : 전선 143 : 단자
200 : 제어부 210 : 손상 판단부
220 : 손상 정보부 300 : 전원부
400 : 신호 측정부 500 : 스위치부
A : 액추에이팅된 압전소자 S : 센싱하는 압전소자

Claims (16)

  1. 복수의 압전소자;
    상기 복수의 압전소자 각각을 이격되도록 수용하는 기지부; 및
    상기 기지부와 상기 복수의 압전소자를 지지하는 지지필름;을 포함하고,
    상기 기지부는 이격된 복수의 관통홀;을 포함하며,
    상기 압전소자는 측면 일부가 돌출된 형태로 제공되는 돌출부;를 포함하고,
    상기 복수의 압전소자 각각은 상기 돌출부의 단부가 상기 관통홀의 내벽 일부와 접촉하여 상기 복수의 관통홀 각각에 수용되며,
    상기 기지부는 상기 압전소자보다 낮은 탄성률을 나타내는 압전 복합체 손상 감지 센서.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 압전소자는 각각 펠렛 형상으로 제공되며, 상기 기지부는 판상인 압전 복합체 손상 감지 센서.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 기지부의 두께는 상기 복수의 압전소자 평균 두께의 90% 내지 110%인 압전 복합체 손상 감지 센서.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전소자는 세라믹 물질로 이루어진 압전 세라믹스를 포함하는 압전 복합체 손상 감지 센서.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기지부는 유연한 압전 복합체 손상 감지 센서.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기지부는 상기 지지필름보다 높은 탄성률을 나타내는 압전 복합체 손상 감지 센서.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 압전소자는 각각 일정한 간격으로 이격되어 제공되는 압전 복합체 손상 감지 센서.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 기지부는 일방향으로 연장된 스트립 형태이고,
    상기 복수의 압전소자가 상기 일방향을 따라 일렬로 배치되는 압전 복합체 손상 감지 센서.
  12. 청구항 1 내지 6 및 청구항 10 내지 11 중 어느 한 항의 압전 복합체 손상 감지 센서;
    상기 복수의 압전소자 중 선택된 적어도 어느 하나의 압전소자가 탄성파를 발생시키도록 전압을 인가하는 전원부;
    발생된 상기 탄성파가 선택된 상기 압전소자에 인접한 주변의 압전소자에 도달하여 출력된 전기 신호를 측정하는 신호 측정부; 및
    상기 복수의 압전소자를 각각 상기 전원부 또는 상기 신호 측정부에 선택적으로 연결시키는 스위치부;를 포함하는 비파괴 검사 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 신호 측정부에서 측정된 데이터를 전달받으며, 상기 측정된 데이터를 기준 데이터와 비교하여 미리 설정된 범위를 벗어날 경우 손상이 존재하는 것으로 판단하는 손상 판단부;를 더 포함하는 비파괴 검사 장치.
  14. 청구항 1 내지 6 및 청구항 10 내지 11 중 어느 한 항의 압전 복합체 손상 감지 센서를 사용하는 비파괴 검사 방법에 있어서,
    상기 복수의 압전소자 중 적어도 어느 하나의 압전소자를 선택하는 과정;
    선택된 상기 압전소자에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시키는 과정; 및
    선택된 상기 압전소자에 인접한 압전소자에서 상기 탄성파에 의해 출력된 전기신호를 측정하는 과정;을 포함하는 비파괴 검사 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    선택된 상기 압전소자와 상이한 위치의 압전소자 중 적어도 어느 하나의 압전소자를 다시 선택하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 탄성파를 발생시키는 과정, 및 상기 전기 신호를 측정하는 과정을 반복하는 비파괴 검사 방법.
  16. 청구항 11의 압전 복합체 손상 감지 센서를 사용하는 비파괴 검사 방법에 있어서,
    서로 평행하도록 복수개의 상기 압전 복합체 손상 감지 센서를 배치하는 과정;
    복수의 압전소자 중 적어도 어느 하나를 선택하는 과정;
    선택된 상기 압전소자에 전압을 인가하여 탄성파를 발생시키는 과정; 및
    선택된 상기 압전소자를 포함하는 압전 복합체 손상 감지 센서 및 그에 이웃한 압전 복합체 손상 감지 센서에 구비되는 복수의 압전소자 중, 상기 선택된 압전소자와 인접한 압전소자에서 상기 탄성파에 의해 출력된 전기 신호를 측정하는 과정;을 포함하는 비파괴 검사 방법.
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