KR102476479B1 - Image Based Damage Localization Estimation Method and Device With the Damage Index Defined in Frequency Domain in Structure Health Monitoring Based on Guided Elastic Wave - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 손상탐지를 위해 측정한 유도 탄성파와 주파수 영역에서 정의한 손상지수를 이용하여 이미지 기반으로 손상의 위치를 추정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for estimating the location of damage based on an image using a damage index defined in a frequency domain and a guided acoustic wave measured for damage detection.
보잉 747기에 사용되는 복합재가 무게 대비 50% 이상 차지할 만큼, 최근 항공기에 사용되는 복합재의 사용비중은 다른 재료에 비해 크게 늘어나고 있다. 복합재는 제작과정, 항공기의 운용 과정에서 다양한 하중을 받기 때문에 주기적인 비파괴 검사를 필요로 한다.Composites used in the Boeing 747 account for more than 50% of the weight, so the proportion of composites used in aircraft has increased significantly compared to other materials. Composite materials require periodic non-destructive testing because they are subjected to various loads during the manufacturing process and the operation of aircraft.
비파괴검사의 대표적인 예로써 방사선 투과검사(X-ray), 초음파 탐상검사 및 와전류 탐상검사 등이 있다. 하지만 기존의 이러한 방법은 복합재 검사에 적합하지 않은 경우도 있고, 항공기를 분해하거나 추가적인 장비를 필요로 하기 때문에 검사 비용을 증가시킨다.Representative examples of non-destructive inspection include radiographic inspection (X-ray), ultrasonic inspection, and eddy current inspection. However, these existing methods are not suitable for inspecting composite materials in some cases, and increase inspection costs because they disassemble the aircraft or require additional equipment.
앞서 일예로 설명한 비파괴 검사 방법들보다 상대적으로 비용과 검사시간이 적고 검사 효율을 높일 수 있는 유도 초음파(탄성파)를 이용한 검사 방법에 대한 연구가 진행되고 있다. 하지만 유도 탄성파를 이용한 손상 검사 방법은, 측정하는 대상 및 장비에 영향을 받아서 동일한 주파수 성분을 갖고 있는 신호라도, 시간영역에서는 오차를 갖는 경우가 있다. 또한 작은 온도 차이(약 2도)가 발생하는 경우에도 신호가 뒤틀리는 경우가 있다.Research is being conducted on an inspection method using guided ultrasound (elastic wave), which can increase inspection efficiency with relatively low cost and inspection time compared to the nondestructive inspection methods described above. However, the damage inspection method using the induced elastic wave may have an error in the time domain even if the signal has the same frequency component due to the influence of the target and equipment to be measured. Also, the signal may be distorted even when a small temperature difference (about 2 degrees) occurs.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 주파수 영역에서 정의한 손상지수를 이용하여, 손상탐지의 위치 정확도를 확보하는 방법 및 장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a method and apparatus for securing location accuracy of damage detection using a damage index defined in the frequency domain in order to solve the above problems.
또한, 본 발명은, 상기 방법을 이용한 장치를 제공하는데 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a device using the above method.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 방법은, 손상 정도에 가중치를 부여하는 스칼라 값인 손상 지수를 주파수 영역에서 정의한다.In order to achieve the above object, the method according to an embodiment of the present invention defines a damage index, which is a scalar value that weights the degree of damage, in the frequency domain.
본 발명의 실시예에 따른 방법은, 구조물에 부착된 압전 모듈에서 생성된 탄성파를 사용하여 손상의 위치를 추정하는 방법에 있어서, a) 압전 모듈로부터의 탄성파에 기초한 신호를 측정하는 단계; b) 측정된 신호에 포함되는 잡음을 제거하는 단계; c) 압전 모듈에서 발생된 입력 신호와 잡음이 제거된 신호의 교차상관관계(Cross-Correlation)를 계산하여 탄성파의 군속도(Group Velocity)를 측정하는 단계; d) 상기 군속도 및 기준 신호(Baseline Signal)와의 비교를 통해, 손상 신호(Scattered signal)를 추출하는 단계; e) 힐버트 변환(Hibert Transform)에 기초하여 1차원 특성 벡터(Feature Vector)를 계산하는 단계; f) 상기 1차원 특성 벡터를 2차원으로 사상하여(Mapping) 2차원 특성 벡터를 계산하는 단계; g) 손상 정도에 가중치를 부여하는 스칼라 값인 손상 지수(Damage Index)를 주파수 영역에서 정의하는 단계; 및 h) 상기 2차원 특성 벡터 및 상기 손상 지수에 기초한 가시화를 수행하여, 손상 위치를 추정하는 단계;를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a method for estimating a location of a damage using an elastic wave generated from a piezoelectric module attached to a structure includes: a) measuring a signal based on the elastic wave from the piezoelectric module; b) removing noise included in the measured signal; c) measuring the group velocity of the elastic wave by calculating cross-correlation between the input signal generated by the piezoelectric module and the noise-removed signal; d) extracting a scattered signal through comparison with the group velocity and a baseline signal; e) calculating a one-dimensional feature vector based on the Hilbert Transform; f) calculating a 2-dimensional feature vector by mapping the 1-dimensional feature vector to a 2-dimensional feature vector; g) defining a damage index, which is a scalar value that weights the degree of damage, in the frequency domain; and h) estimating a damage location by performing visualization based on the 2D feature vector and the damage index.
상기 g) 단계는, 아래 수학식을 이용해 손상 지수를 정의한다. In step g), the damage index is defined using the following equation.
여기서, 
상기 g) 단계는, 아래 수학식을 더 이용해 손상 지수를 정의한다.In step g), the damage index is further defined using the following equation.
여기서, 
본 발명의 실시예에 따른 장치는, 구조물에 부착되어 탄성파를 생성시키는 압전 모듈; 및 상기 탄성파를 이용하여 손상의 위치를 추정하는 프로세서;를 포함하고, 상기 프로세서는, 압전 모듈로부터의 탄성파에 기초한 신호를 측정하고, 측정된 신호에 포함되는 잡음을 제거하고, 압전 모듈에서 발생된 입력 신호와 잡음이 제거된 신호의 교차상관관계(Cross-Correlation)를 계산하여 탄성파의 군속도(Group Velocity)를 측정하고, 상기 군속도 및 기준 신호(Baseline Signal)와의 비교를 통해, 손상 신호(Scattered signal)를 추출하고, 힐버트 변환(Hibert Transform)에 기초하여 1차원 특성 벡터(Feature Vector)를 계산하고, 상기 1차원 특성 벡터를 2차원으로 사상하여(Mapping) 2차원 특성 벡터를 계산하고, 손상 정도에 가중치를 부여하는 스칼라 값인 손상 지수(Damage Index)를 주파수 영역에서 정의하고, 상기 2차원 특성 벡터 및 상기 손상 지수에 기초한 가시화를 수행하여, 손상 위치를 추정한다.An apparatus according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric module attached to a structure to generate elastic waves; and a processor for estimating the location of the damage using the elastic wave, wherein the processor measures a signal based on the elastic wave from the piezoelectric module, removes noise included in the measured signal, and removes noise from the piezoelectric module. The group velocity of the elastic wave is measured by calculating the cross-correlation between the input signal and the noise-removed signal, and the group velocity and the baseline signal are compared to the damaged signal (Scattered signal). ) is extracted, a 1-dimensional feature vector is calculated based on the Hilbert Transform, the 1-dimensional feature vector is mapped into 2 dimensions, the 2-dimensional feature vector is calculated, and the degree of damage A damage index, which is a scalar value giving a weight to , is defined in the frequency domain, and a damage location is estimated by performing visualization based on the two-dimensional feature vector and the damage index.
상기 프로세서는, 아래 수학식을 더 이용해 손상 지수를 정의한다.The processor further uses the following equation to define the damage index.
여기서, 
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Details of other embodiments are included in the detailed description and drawings.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.According to the present invention, there is one or more of the following effects.
첫째, 주파수 영역에서 손상 지수를 정의함으로써, 시간 영역에서 발생하는 오차를 제거하여 정확한 손상 위치를 추정하는 효과가 있다.First, by defining the damage index in the frequency domain, there is an effect of estimating an accurate damage location by removing an error occurring in the time domain.
둘째, 온도 차이에 따라 발생하는 오차를 방지하는 효과가 있다.Second, there is an effect of preventing an error caused by a temperature difference.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1a는 본 발명의 실시예에서 판재 구조물에 부착된 압전기에서 생성된 탄성파를 사용하여 손상의 중심위치를 추정하는 방법을 설명하는데 참조되는 플로우 차트이다.
도 1b는 본 발명의 실시예에서 판재 구조물에 부착된 압전기에서 생성된 탄성파를 사용하여 손상의 중심위치를 추정하는 장치를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 2 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호 측정 단계를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 4는 도 1a의 S101의 상세 플로우 차트이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 탄성파 군속도 측정 단계를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 8 내지 도 10는 본 발명의 실시예에 따른 손상 신호 추출 단계를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 11 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 특성 벡터 계산 단계를 설명하는데 참조되는 도면이다.
도 13 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 손상탐지의 수행 결과를 설명하는데 참조되는 도면이다.1A is a flowchart referenced to describe a method of estimating the center position of a damage using elastic waves generated from a piezoelectric device attached to a plate structure in an embodiment of the present invention.
FIG. 1B is a diagram referenced to explain an apparatus for estimating the location of the center of damage using an elastic wave generated from a piezoelectric device attached to a plate material structure in an embodiment of the present invention.
2 and 3 are diagrams referenced to describe a signal measurement step according to an embodiment of the present invention.
4 is a detailed flow chart of S101 in FIG. 1A.
5 to 7 are diagrams referenced to describe a step of measuring the group velocity of an elastic wave according to an embodiment of the present invention.
8 to 10 are diagrams referenced to describe a damaged signal extraction step according to an embodiment of the present invention.
11 and 12 are diagrams referenced to describe a one-dimensional feature vector calculation step according to an embodiment of the present invention.
13 and 14 are diagrams referenced to explain the result of performing damage detection according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 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. 또한, 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.Hereinafter, the embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar elements are given the same reference numerals regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "unit" for components used in the following description are given or used together in consideration of ease of writing the specification, and do not have meanings or roles that are distinct from each other by themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the embodiment disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention , it should be understood to include equivalents or substitutes.
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.Terms including ordinal numbers, such as first and second, may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but one or more other features It should be understood that the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof is not precluded.
도 1a는 본 발명의 실시예에서 판재 구조물에 부착된 압전기에서 생성된 탄성파를 사용하여 손상의 중심위치를 추정하는 방법을 설명하는데 참조되는 플로우 차트이다.1A is a flowchart referenced to describe a method of estimating the center position of a damage using elastic waves generated from a piezoelectric device attached to a plate structure in an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 본발명의 실시예에 따른 방법(S10)은, 판재 구조물에 부착된 압전 모듈에서 생성된 탄성파를 사용하여 손상의 위치를 추정하기 위한 것이다. 방법(S10)은, 압전기(Actuator)에서 탄성파를 생성하고 압전센서에서 이를 수신하는 능동적 손상 탐지 방법(Active Sensing Method)을 사용한다. 방법(S10)은, 압전기(도 1b의 110)와 센서(도 1b의 120)를 판재 구조물 판재 구조물에 부착하고, 압전기에서 생성한 탄성파가 손상에서 반사되어 센서에서 측정되면 이를 사용하여 손상 위치를 탐지할 수 있다.Referring to the drawings, a method (S10) according to an embodiment of the present invention is for estimating a location of damage using an elastic wave generated by a piezoelectric module attached to a plate structure. The method S10 uses an active sensing method in which elastic waves are generated by a piezoelectric actuator and received by a piezoelectric sensor. In the method (S10), a piezoelectric (110 in FIG. 1B) and a sensor (120 in FIG. 1B) are attached to the plate structure, and when an elastic wave generated by the piezoelectric is reflected from the damage and measured by the sensor, the damage location is determined using it. can detect
실시예에 따라, 방법(S10)은, 손상 위치를 정량적으로 탐지하는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 실시예에 따라, 방법(S10)의 각각의 단계는, 적어도 하나의 프로세서(도 1b의 170)에 의해 구현될 수 있다. Depending on the embodiment, the method (S10) may be implemented in software that quantitatively detects the damaged location. According to embodiments, each step of the method S10 may be implemented by at least one processor ( 170 in FIG. 1B ).
방법(S10)은, 판재 구조물에 부착된 압전기에서 생성된 탄성파를 사용하여 손상의 위치를 추정할 수 있다.In the method S10, the location of the damage may be estimated using elastic waves generated from the piezoelectric attached to the plate structure.
방법(S10)은, 압전기로부터의 탄성파에 기초한 신호를 측정하는 단계(S100), 측정된 신호에 포함되는 잡음을 제거하는 단계(S101), 압전기에서 발생된 입력 신호와 잡음이 제거된 신호의 교차상관관계(Cross-Correlation)를 계산하여 탄성파의 군속도(Group Velocity)를 측정하는 단계(S102), 상기 군속도 및 기준 신호(Baseline Signal)와의 비교를 통해, 손상 신호(Scattered signal)를 추출하는 단계(S103), 상기 손상 신호에 대한 힐버트 변환(Hibert Transform)에 기초하여 1차원 특성 벡터(Feature Vector)를 계산하는 단계(S104), 상기 1차원 특성 벡터를 2차원으로 사상하여(Mapping) 2차원 특성 벡터를 계산하는 단계(S105), 손상 정도에 가중치를 부여하는 스칼라 값인 손상 지수(Damage Index)를 정의하는 단계(S106) 및 상기 2차원 특성 벡터와 상기 손상 지수에 기초한 가시화를 수행하여, 손상 위치를 추정하는 단계(S107)를 포함할 수 있다.The method (S10) includes measuring a signal based on elastic waves from the piezoelectric (S100), removing noise included in the measured signal (S101), and crossing the input signal generated from the piezoelectric and the signal from which the noise has been removed. Measuring the group velocity of elastic waves by calculating cross-correlation (S102), and extracting a scattered signal through comparison with the group velocity and a baseline signal ( S103), calculating a one-dimensional feature vector based on the Hilbert transform of the damaged signal (S104), and mapping the one-dimensional feature vector into two dimensions to obtain a two-dimensional feature Calculating a vector (S105), defining a damage index, which is a scalar value that weights the degree of damage (S106), and performing visualization based on the two-dimensional feature vector and the damage index, to determine the location of the damage. It may include estimating (S107).
S107 단계는, 아래의 수학식을 이용해 가시화를 수행할 수 있다.In step S107, visualization may be performed using the following equation.
[수학식][mathematical expression]
S100 내지 S107 단계는 프로세서(170)에 의해 동작될 수 있다.Steps S100 to S107 may be operated by the
도 1b는 본 발명의 실시예에서 판재 구조물에 부착된 압전기에서 생성된 탄성파를 사용하여 손상의 중심위치를 추정하는 장치를 설명하는데 참조되는 플로우 차트이다.FIG. 1B is a flowchart referenced to explain an apparatus for estimating the center position of a damage using elastic waves generated from a piezoelectric device attached to a plate structure in an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 장치(100)는, 압전기(110), 센서(120) 및 프로세서(170)를 포함할 수 있다. 장치(100)는, 본 발명의 실시예에 따른 방법(S10)을 구현할 수 있다.Referring to the drawing, the
압전기(110)는, 판재 구조물에 부착될 수 있다. The piezoelectric 110 may be attached to a plate structure.
압전기(110)는, 탄성파(Lamb wave)를 발생시킬 수 있다. 탄성파는 비선형 특성을 가진다. 이러한 특성으로 인해, 압전기(110)에서 하나의 탄성파를 발생시킨 경우에도 센서(120)는, 여러개의 중첩된 신호를 감지하게 된다.The piezoelectric 110 may generate a lamb wave. Elastic waves have nonlinear characteristics. Due to this characteristic, even when one elastic wave is generated by the piezoelectric 110, the
센서(120)는, 탄성파를 감지하여 전기적 신호로 전환할 수 있다. 센서(120)는, 전기적 신호를 프로세서(170)에 제공할 수 있다.The
한편, 실시예에 따라, 압전기(110)와 센서(120)는 일체로 형성될 수 있다. 압전기(110)와 센서(120)가 일체로 형성된 구성 요소는, 압전 모듈로 명명될 수 있다. Meanwhile, according to embodiments, the piezoelectric 110 and the
프로세서(170)는, 센서(120)로부터 수신된 전기적 신호에 기초하여, 손상의 위치를 추정할 수 있다. 프로세서(170)는, 도 1a에서 설명된 각 단계를 수행할 수 있다.The
프로세서(170)는, ASICs (application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.The
도 2 내지 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호 측정 단계를 설명하는데 참조되는 도면이다.2 and 3 are diagrams referenced to describe a signal measurement step according to an embodiment of the present invention.
프로세서(170)는, 압전 모듈로부터의 탄성파에 기초한 신호를 측정할 수 있다(S100). 도면을 참조하면, 신호 측정 단계(S100)는, 다음과 같은 순서를 갖는다. 판재 구조물에 부착된 압전기(Actuator)에서 생성한 입력 신호(Input Signal)에 따라 압전기가 진동하고, 압전기의 진동으로 인해 판재 구조물이 진동하게 된다. 판재 구조물이 진동함에 따라 전파되는 파형을 탄성파(Elastic Wave)라 한다. 이렇게 전파된 탄성파를 센서(Sensor)에서 수신함으로써 신호 측정이 종료되고, 이 때 센서에서 수신된 신호를 측정 신호(Measured Signal)라 한다. The
측정 신호는 판재 구조물에 손상이 있는 경우 손상을 경유하지 않고 측정되는 신호일 수도 있고, 손상을 경유하고 측정된 신호일 수도 있다. 판재 구조물에 손상이 없는 경우에, 센서에서 측정된 신호도 측정 신호로 분류될 수 있다.The measurement signal may be a signal measured without passing through the damage when there is damage to the plate structure, or a signal measured through the damage. When there is no damage to the plate structure, the signal measured by the sensor may also be classified as a measurement signal.
도 2에서 압전기(Actuator)에서 발생시키는 탄성파는 아래의 수식으로 정의된다.In FIG. 2, the elastic wave generated by the piezoelectric actuator (actuator) is defined by the following formula.
여기서, 
샘플링 주파수(Sampling Frequency) 
색인은 0부터 시작하는 값이며, 색인 
도 3은 입력 신호를 구성하는 반송파와 신호파를 도시한다.3 shows a carrier wave and a signal wave constituting an input signal.
도 4는 도 1a의 S101의 상세 플로우 차트이다.4 is a detailed flow chart of S101 in FIG. 1A.
프로세서(170)는, 측정된 신호에 포함되는 잡음을 제거할 수 있다. 도면을 참조하면, 잡음 제거 단계(S101)는 측정한 신호(Measured Signal)에 포함되어 있는 잡음을 제거하는 단계이다. 실시예에 따라, 잡음 제거 단계(S101)는, 생략될 수 있다.The
잡음은 손상 탐지에 사용되는 신호에서 원치 않는 주파수를 갖고 있는 모든 신호를 통칭한다. 잡음 제거 단계(S101)는, S200 단계 내지 S202 단계를 포함할 수 있다. S200 단계 내지 S202 단계는, 프로세서(170)에 의해 동작될 수 있다.Noise collectively refers to all signals with unwanted frequencies in signals used for damage detection. The noise removal step ( S101 ) may include steps S200 to S202 . Steps S200 to S202 may be operated by the
측정 신호 획득 단계(S200)는, 신호측정(S100) 단계에서 센서에 도달한 탄성파를 측정한 신호(Measured Signal)을 획득하는 단계이다.The step of acquiring the measured signal (S200) is a step of obtaining a measured signal obtained by measuring the elastic wave reaching the sensor in the step of measuring the signal (S100).
신호에 잡음이 있다고 판단되는 경우, 프로세서(170)는, 고속 이산 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 이용하여 측정 신호의 중심 주파수를 계산한다(S201). When it is determined that the signal has noise, the
프로세서(170)는, 중심 주파수를 이용하여 대역 통과 주파수의 하한과 상한을 결정하고, 측정된 신호에 대역 통과 필터(Band-Pass Filter)를 적용하여 필터링된 신호
이와 같은 방법을 이용하면, 잡음이 없고 원하는 주파수를 갖는 신호를 재구성할 수 있다. 만약 잡음 제거가 필요하지 않는다면, 측정된 신호를 필터링을 수행한 신호
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 탄성파 군속도 측정 단계를 설명하는데 참조되는 도면이다.5 to 7 are diagrams referenced to describe a step of measuring the group velocity of an elastic wave according to an embodiment of the present invention.
프로세서(170)는, 압전 모듈에서 발생된 입력 신호와 잡음이 제거된 신호의 교차상관관계(Cross-Correlation)를 계산하여 탄성파의 군속도(Group Velocity)를 측정할 수 있다(S102). 도면을 참조하면, 탄성파 군속도 측정 단계(S102)는 잡음 제거 단계(S101)에서 특정 주파수만 갖고 있는 필터링 된 신호
두 신호의 교차상관관계는 두 신호가 정량적으로 유사한 정도를 계산하기 위한 방법이다. 정의역을 색인으로 갖는 신호 
여기서, 
도 5는 교차상관관계의 의미를 가시적으로 나타낸다.5 visually shows the meaning of cross-correlation.
도 5의 지시부호 510는 신호 
따라서 교차상관관계의 이러한 특성을 이용하면 잡음 제거 단계(S101)에서 특정 주파수만 갖고 있는 필터링 된 신호 
하지만 교차상관관계는 도 7에서 확인되는 바와 같이, 두 신호의 진폭(Amplitude)를 곱함으로써 계산된다. 따라서 잡음 제거 단계(S101)에서 특정 주파수만 갖는 필터링 된 신호 
정규화 된 두 신호를 이용하여 계산한 교차상관관계는 아래의 수학식과 같다.The cross-correlation calculated using the two normalized signals is as follows.
그리고 
그리고 샘플링 주파수 
도 6에 도시된 바와 같이 판재 구조물에 손상이 있는 경우, 
따라서 
여기서, 
도 7에서 손상(Damage)을 점선으로 표현한 이유는 판재 구조물의 가능한 손상위치를 표현하기 위해서이다.The reason why damage is expressed as a dotted line in FIG. 7 is to represent possible damage locations of the plate structure.
따라서 판재 구조물에 손상이 있는 경우, 
도 8 내지 도 10는 본 발명의 실시예에 따른 손상 신호 추출 단계를 설명하는데 참조되는 도면이다.8 to 10 are diagrams referenced to describe a damaged signal extraction step according to an embodiment of the present invention.
프로세서(170)는, 군속도 및 기준 신호(Baseline Signal)와의 비교를 통해, 손상 신호(Scattered signal)를 추출할 수 있다(S103). 도면을 참조하면, 손상 신호(Scattered Signal)는 신호 측정 단계(S100)에서 입력 신호(Input Signal)에 따라 판재에 부착된 압전기(110)가 진동하여, 구조물이 진동함에 따라 전파되는 탄성파를 센서(120)에서 수신한 신호들을 이용하여 정의된다. The
기준 신호(Baseline Signal) 
측정 신호(Measured Signal) 
여기서, n은 데이터의 순서를 나타내는 색인(Index)를 의미하며, 0부터 시작하고 최대값으로 N-1을 갖는다. N은 신호 데이터의 성분(Component)의 개수를 의미한다.Here, n means an index indicating the order of data, starting from 0 and having N-1 as the maximum value. N means the number of components of signal data.
만약 구조물에 손상이 없는 경우에는 기준 신호 
이를 수학식으로 표현하면 아래와 같다.Expressing this mathematically, it is as follows.
여기서, N은 신호 데이터의 성분(Component)의 총 개수를 의미한다. Here, N means the total number of components of signal data.
도 8은 기준 신호(Baseline Signal), 측정 신호(Measured Signal), 손상 신호(Scattered Signal)를, 도 9는 센서 네트워크를, 도 10은 윈도우 창 함수를 예시한다.8 illustrates a baseline signal, a measured signal, and a scattered signal, FIG. 9 illustrates a sensor network, and FIG. 10 illustrates a window function.
도 9에 예시된 바와 같이, 압전기(110), 제1 센서(120a), 제2 센서(120b) 및 제3 센서(120c)를 이용하는 경우, 최대 6개의 경로가 형성된다. 이경우, 손상 탐지 영역은 사각형 내부가 된다. 타원 방정식을 사용하면, 사각형 내부를 포함하는 타원의 최대거리는 압전기(110)에서 제2 센서(120b)를 경유하여 제1 센서(120a)로 유입되는 경로이거나 제3 센서(120c)를 거치는 경로이다.As illustrated in FIG. 9 , when the piezoelectric 110, the
프로세서(170)는, 압전기(110) 및 제1 내지 제3 센서(120a, 120b, 120c)의 위치 정보를 이용하여 사각형을 포함하는 타원의 최대거리를 구할 수 있다. 프로세서(170)는, 구해진 타원의 최대거리와 계산된 탄성파의 군속도를 사용하여 신호의 최대 도달시간을 구할 수 있다. 프로세서(170)는, 시간에 따라 계측된 신호의 추출 구간을 정의할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(170)는, 아래 수학식과 같이 윈도우 창함수를 구성하여 손상신호의 구간을 추출할 수 있다.The
n은 데이터의 순서를 나타내는 색인(Index)를 의미하며, 0부터 시작하고 최대값으로 N-1을 갖는다. N은 신호 데이터의 성분(Component)의 개수를 의미한다. a,b,c,d는 윈도우 함수를 구성하는 상수 값이다.n means an index indicating the order of data, starting from 0 and having N-1 as the maximum value. N means the number of components of signal data. a, b, c, d are constant values constituting the window function.
압전기(110)와 센서(120a, 120b, 120c)를 초점으로 하는 타원방정식으로 탐지영역이 결정되므로, 프로세서(170)는, 타원방정식의 최단거리에 해당하는 계산된 첫 번째 도달신호를 기준으로 a와 b의 값을 결정한다. 프로세서(170)는, 사각형 탐지영역을 포함하는 타원의 최대 도달거리를 기준으로 c와 d의 값을 결정한다.Since the detection area is determined by an elliptic equation having the piezoelectric 110 and the
도 10에 예시된 바와 같이, a,b,c,d가 정해지면 윈도우 함수를 생성할 수 있다. 도 10에 예시된 바와 같이, 기준신호와 측정신호의 차이 값에서는 불필요한 신호가 남아 있으나, 윈도우 함수를 적용하여 불필요한 정보를 제거할 수 있다. As illustrated in FIG. 10 , when a, b, c, and d are determined, a window function may be generated. As illustrated in FIG. 10 , unnecessary signals remain in the difference between the reference signal and the measurement signal, but unnecessary information can be removed by applying a window function.
윈도우 함수 
위 식에서 연산자 
프로세서(170)는, 힐버트 변환(Hibert Transform)에 기초하여 1차원 특성 벡터(Feature Vector)를 계산할 수 있다(S104). 도면을 참조하면, 특성 벡터(Feature Vector)는 구조물의 손상이 발생되었을 곳으로 추정되는 위치들을 가시화하기 위해 사용하는 벡터이다. 본 발명에서 사용한 특성 벡터 
여기서, 
여기서, 
여기서, 
탄성파 군속도 측정 단계(S102)에서 계산한 
구조물의 손상이 발생되었을 곳으로 추정되는 위치들을 가시화하기 위해, 특성 벡터 
여기서, 
프로세서(170)는, 1차원 특성 벡터를 2차원으로 사상(Mapping)하여 2차원 특성 벡터를 계산할 수 있다(S105).The
1차원 특성 벡터는 손상 분포를 1차원 상에서 손상이 발생할 것으로 추정되는 위치를 그래프로 도시한 것이다. 따라서 1차원 상에서 추정한 손상 위치를 구조물의 손상 분포로 가시화하기 위해서는 특성 벡터 
프로세서(170)는, 아래의 수학식을 이용하여 2차원 판재 구조물에 놓여있는 임의의 점 
위 식에서 
판재 구조물에 놓여있는 임의의 점 
프로세서(170)는 아래의 수학식을 이용하여 2차원 특성 벡터를 계산한다.The
판재 구조물을 유한한 이산화 된 점 
도 13 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 손상탐지의 수행 결과를 설명하는데 참조되는 도면이다.13 and 14 are diagrams referenced to explain the result of performing damage detection according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 프로세서(170)는, 손상 정도에 가중치를 부여하는 스칼라 값인 손상 지수(Damage Index)를 정의할 수 있다(S106). 손상 지수(Damage Index)의 수학적인 의미는 신호의 차이이며, 가시화 측면에서는 구조물의 손상정도에 가중치를 부여하는 스칼라 값이다. 손상 지수는 추출한 손상 신호(유효 신호)로부터 손상의 크기를 계산하기 위한 스칼라값으로 설명될 수 있다.Referring to the drawing, the
본 발명의 실시예에 따라, 프로세서(170)는, 유도 탄성파들로 획득한 신호를 가공하여, 손상의 크기를 나타내기 위해 주파수 영역에서 정의한 손상지수를 이용할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the
프로세서(170)는, 손상 지수를 주파수 영역에서 정의한다. The
손상 지수를 시간 영역에서 정의하여 사용하게 되는 경우, 측정하는 대상 및 장비에 영향을 받아서 동일한 주파수 성분을 갖고 있는 신호라도, 시간 영역에서 오차를 가질 수 있어 손상 지수를 올바르게 계산하지 못하게 된다.When a damage index is defined and used in the time domain, even a signal having the same frequency component affected by a target and equipment to be measured may have an error in the time domain, making it impossible to correctly calculate the damage index.
또한, 손상이 없는 상태의 신호를 측정(기준 신호)할 때, 측정한 온도와 손상의 유무와 상관없이 신호를 측정(측정 신호)할 때 측정한 온도에 작은 차이(예를 들면, 약 2도)가 발생하는 경우, 측정된 신호가 뒤틀리는 오차가 발생한다. 여기서, 뒤틀리는 것의 의미는 한 신호가 다른 신호를 기준으로 이동된다(shift)는 의미로 설명될 수 있다.In addition, there is a small difference (e.g., about 2 degrees ) occurs, an error in which the measured signal is distorted occurs. Here, the meaning of twisting can be explained as meaning that one signal shifts relative to another signal.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 프로세서(170)는, 아래의 수학식을 이용해 손상 지수를 정의할 수 있다.To solve this problem, the
여기서, 
본 발명의 실시예에 따른 프로세서(170)는, 아래 수학식을 더 이용해 손상 지수를 정의할 수 있다.The
여기서, 
도 13 및 도 14에는 섭씨 17.3도에서 측정한 기준신호 
흰색 실선이 실제 손상이 발생한 위치를 나타내며, +표시와 함께 검은색 실선으로 표현된 위치는 추정 손상 위치이다. 도 13은 시간 영역에서 손상 지수를 정의한 경우를 도시하며, 도 14는 주파수 영역에서 손상 지수를 정의한 경우를 도시한다. 도면에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 영역에서 손상 지수를 정의할 때 온도에 따라 발생될 수 있는 오차를 방지할 수 있다.The white solid line indicates the location where the actual damage occurred, and the location represented by the black solid line with the + mark is the estimated location of the damage. FIG. 13 shows a case where the damage index is defined in the time domain, and FIG. 14 shows a case where the damage index is defined in the frequency domain. As can be seen from the drawing, errors that may occur depending on temperature can be prevented when defining a damage index in an area according to an embodiment of the present invention.
프로세서(170)는, 2차원 특성 벡터 및 손상 지수에 기초한 가시화를 수행하여, 손상 위치를 추정할 수 있다(S107).The
손상 위치 추정 단계(S107)는 손상 위치를 이미지 기반으로 추정한다. 이를 위해, 2차원 특성 벡터 계산 단계(S105)에서 
여기서, 
계산된 손상 위치
여기서, 
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 프로세서 또는 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.The above-described present invention can be implemented as computer readable code on a medium on which a program is recorded. The computer-readable medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable media include Hard Disk Drive (HDD), Solid State Disk (SSD), Silicon Disk Drive (SDD), ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. there is Also, the computer may include a processor or a control unit. Accordingly, the above detailed description should not be construed as limiting in all respects and should be considered illustrative. The scope of the present invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention.
S10 : 손상의 위치를 추정하는 방법
100 : 손상의 위치를 추정하는 장치S10: How to estimate the location of damage
100: device for estimating the location of damage
Claims (5)
a) 압전 모듈로부터의 탄성파에 기초한 신호를 측정하는 단계;
b) 측정된 신호에 포함되는 잡음을 제거하는 단계;
c) 압전 모듈에서 발생된 입력 신호와 잡음이 제거된 신호의 교차상관관계(Cross-Correlation)를 계산하여 탄성파의 군속도(Group Velocity)를 측정하는 단계;
d) 상기 군속도 및 기준 신호(Baseline Signal)와의 비교를 통해, 손상 신호(Scattered signal)를 추출하는 단계;
e) 힐버트 변환(Hibert Transform)에 기초하여 1차원 특성 벡터(Feature Vector)를 계산하는 단계;
f) 상기 1차원 특성 벡터를 2차원으로 사상하여(Mapping) 2차원 특성 벡터를 계산하는 단계;
g) 손상 정도에 가중치를 부여하는 스칼라 값인 손상 지수(Damage Index)를 주파수 영역에서 정의하는 단계; 및
h) 상기 2차원 특성 벡터 및 상기 손상 지수에 기초한 가시화를 수행하여, 손상 위치를 추정하는 단계;를 포함하고,
상기 g) 단계는,
아래 수학식을 이용해 손상 지수를 정의함으로써 손상의 위치를 추정하는 방법.
여기서,
a) measuring a signal based on elastic waves from a piezoelectric module;
b) removing noise included in the measured signal;
c) measuring the group velocity of the elastic wave by calculating cross-correlation between the input signal generated by the piezoelectric module and the noise-removed signal;
d) extracting a scattered signal through comparison with the group velocity and a baseline signal;
e) calculating a one-dimensional feature vector based on the Hilbert Transform;
f) calculating a 2-dimensional feature vector by mapping the 1-dimensional feature vector to a 2-dimensional feature vector;
g) defining a damage index, which is a scalar value that weights the degree of damage, in the frequency domain; and
h) estimating a damage location by performing visualization based on the two-dimensional feature vector and the damage index;
In step g),
A method of estimating the location of damage by defining the damage index using the equation below.
here,
상기 g) 단계는,
아래 수학식을 더 이용해 손상 지수를 정의함으로써 손상의 위치를 추정하는 방법.
여기서,
In step g),
A method of estimating the location of damage by further using the equation below to define the damage index.
here,
구조물에 부착되어 탄성파를 생성시키는 압전 모듈; 및
상기 탄성파를 이용하여 손상의 위치를 추정하는 프로세서;를 포함하고,
상기 프로세서는,
압전 모듈로부터의 탄성파에 기초한 신호를 측정하고,
측정된 신호에 포함되는 잡음을 제거하고,
압전 모듈에서 발생된 입력 신호와 잡음이 제거된 신호의 교차상관관계(Cross-Correlation)를 계산하여 탄성파의 군속도(Group Velocity)를 측정하고,
상기 군속도 및 기준 신호(Baseline Signal)와의 비교를 통해, 손상 신호(Scattered signal)를 추출하고,
힐버트 변환(Hibert Transform)에 기초하여 1차원 특성 벡터(Feature Vector)를 계산하고,
상기 1차원 특성 벡터를 2차원으로 사상하여(Mapping) 2차원 특성 벡터를 계산하고,
손상 정도에 가중치를 부여하는 스칼라 값인 손상 지수(Damage Index)를 주파수 영역에서 정의하고,
상기 2차원 특성 벡터 및 상기 손상 지수에 기초한 가시화를 수행하여, 손상 위치를 추정하고,
상기 프로세서는,
아래 수학식을 이용해 손상 지수를 정의함으로써 손상의 위치를 추정하는 장치.
여기서,
An apparatus for estimating the location of damage using elastic waves generated by a piezoelectric module attached to a structure,
A piezoelectric module attached to the structure to generate elastic waves; and
Including; a processor for estimating the location of the damage using the elastic wave;
the processor,
measuring a signal based on elastic waves from a piezoelectric module;
Remove the noise included in the measured signal,
Measure the group velocity of the elastic wave by calculating the cross-correlation between the input signal generated by the piezoelectric module and the noise-removed signal,
Through comparison with the group velocity and a reference signal (Baseline Signal), a damaged signal is extracted,
Calculate a one-dimensional feature vector based on the Hilbert Transform,
Calculate a 2-dimensional feature vector by mapping the 1-dimensional feature vector into a 2-dimensional image;
A damage index, which is a scalar value that weights the degree of damage, is defined in the frequency domain,
Estimating a damage location by performing visualization based on the two-dimensional feature vector and the damage index;
the processor,
A device that estimates the location of damage by defining the damage index using the equation below.
here,
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20090012818A (en) | 2007-07-31 | 2009-02-04 | 한국전력공사 | Non-destruction apparatus |
| KR102391019B1 (en) * | 2021-11-30 | 2022-04-27 | 주식회사 솔리드아이티 | Image Based Damage Localization Estimation Method With Definition of Damage from Signal for a Curved Structure in Structure Health Monitoring Based on Guided Elastic Wave |
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2022
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Patent Citations (2)
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