KR20070111845A - 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법 - Google Patents

압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압전소자를 이용한 구조물의 손상위치 계측장치에 관한 것으로, 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 입력하고 계측결과를 저장 및 표시하는 컴퓨터 장치(60)와; 측정대상물(20)의 대향하는 측면에 각각 적어도 하나이상 부착설치된 압전소자(30); 상기 측정대상물(20)의 중간부 근처 위치에서 시작하여 일정간격 이격시켜 다수의 위치에 동일크기의 하중 응력을 부가하는 응력부가수단(70); 및 초기에 상기 응력부가수단(70)에 의해 일정 토크가 가해져 상기 측정대상물에 세로 탄성파를 발생시키고 상기 컴퓨터 장치(60)로부터 입력된 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝에 대응하는 교류신호를 상기 압전소자(30)에 인가하며 상기 압전소자(30)의 전위변화를 통해 임피던스를 계산하는 임피던스 분석기(50); 및 상기 대향하는 측면의 압전소자(30) 각각 및 상기 임피던스 분석기(50)사이와 상기 임피던스 분석기(50) 및 상기 컴퓨터 장치(60) 사이를 전기적으로 연결하는 전선(51,52,53)들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
임피던스, 손상계측, 압전소자, 탄성파,

Description

압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법{Apparatus and method for measuring the damage of a structure using piezoelectric devices}
도 1은 압전소자를 붙인 구조물의 자유도 모델을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 보에 압전소자 패치를 부착한 임피던스 측정 시험편을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 2의 알루미늄 보의 임피던스 파형도이다.
도 5는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 하중위치에 따른 임피던스 측정방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 6은 도 5의 측정방법에 따른 임피던스 응답특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 하중크기에 따른 임피던스 측정방법을 설명하기 위한 구성도이다.
도 8은 도 7의 측정방법에 따른 임피던스 응답특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 건강한 상태(healthy)와 손상이 가해진(damage) 상태의 임피던스 응답 파형에서 피크주파수 쉬프트량을 나타낸 그래프이다.
도 10은 건강한 상태(healthy)와 손상이 가해진(damage) 상태의 임피던스 응답 파형에서 피크 진폭비 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 11은 특성계수 Q값 비의 변화율을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치를 통한 계측방법의 개략적인 흐름도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
20: 구조물
30: 압전소자
50: 임피던스 분석기
60: 컴퓨터
70: 응력부가수단
본 발명은 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 구조물의 대향측면에 하나 이상의 압전소자를 부착하고 응력부가수단을 통해 응력을 부가하여 세로탄성파를 발생시키고 임피던스 분석기를 통해 특정한 주파수 범위에서의 임피던스를 분석함으로써 구조물의 손상 상태를 알 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상 계측장치 및 방법에 관한 것이다.
다리나 철탑등의 거대구조물은 주로 사람의 생활 가까이에 설치되어 있다. 이들이 붕괴하면 많은 인명피해가 발생하게 되기때문에 붕괴를 막기 위해서 손상을 조기 발견해 대책을 제시할 필요가 있다. 우리나라에서 발생했던 1994년 성수대교 붕괴사고, 서울 종암동 육교붕괴사고, 이듬해인 1995년 삼풍백화점 붕괴사고, 일본의 1998년 송전탑 붕괴사고, 미국의 1984년 샌프란시스코 오클랜드만 교량붕괴 등이 이러한 손상계측기술의 필요성을 잘 말해주고 있다.
구조물 손상의 종류로서는 강재의 균열이나 부식, 볼트의 풀림이나 탈락 등이 있다. 강재의 균열이나 볼트의 풀림은 도장에 의해 외부로 드러나지 않기 때문에 조기 발견이 어려운 문제점이 있고, 더욱이 강재의 균열은 금속 피로의 경우가 많고, 재료가 부식되면 강도가 한층 저하되어 이로 인한 파괴의 위험을 수반하게 된다. 여기서 강재의 내부 응력이나 부식 및 손상 상태, 볼트 조임상태 등을 정상적으로 검사할 필요성이 제기되고 있는 실정이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 구조물의 대향측면에 하나 이상의 압전소자를 부착하고 응력부가수단을 통해 응력을 부가하여 세로탄성파를 발생시키고 임피던스 분석기를 통해 특정한 주파수 범위에서의 임피던스를 분석함으로써 구조물의 손상 상태를 알 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 입력하고 계측결과를 저장 및 표시하는 컴퓨터 장치와; 측정대상물의 대향하는 측면에 각각 적어도 하나이상 부착된 압전소자; 상기 측정대상물의 중간부 근처 위치에서 시작하여 일정간격 이격시켜 다수의 위치에 동일크기의 하중 응력을 부가하는 응력부가수단; 및 초기에 상기 응력부가수단에 의해 일정 토크가 가해져 상기 측정대상물에 세로 탄성파를 발생시키고 상기 컴퓨터 장치로부터 입력된 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝에 대응하는 교류신호를 상기 압전소자에 인가하며 상기 압전소자의 전위변화를 통해 임피던스를 계산하는 임피던스 분석기; 및 상기 대향하는 측면의 압전소자 각각 및 상기 임피던스 분석기사이와 상기 임피던스 분석기 및 상기 컴퓨터 장치 사이를 전기적으로 연결하는 전선들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 입력하고 계측결과를 저장 및 표시하는 컴퓨터 장치와; 측정대상물의 대향하는 측면에 각각 적어도 하나이상 부착된 압전소자; 상기 측정대상물의 초기 응력부가 위치에서 응력의 크기를 달리하여 동일위치에 하중 응력을 부가하는 응력부가수단; 및 초기에 상기 응력부가수단에 의해 일정 토크가 가해져 상기 측정대상물에 세로 탄성파를 발생시키고 상기 컴퓨터 장치로부터 입력된 계측주파수 범위와 가진 주파 수 스텝에 대응하는 교류신호를 상기 압전소자에 인가하며 상기 압전소자의 전위변화를 통해 임피던스를 계산하는 임피던스 분석기; 및 상기 대향하는 측면의 압전소자 각각 및 상기 임피던스 분석기사이와 상기 임피던스 분석기 및 상기 컴퓨터 장치 사이를 전기적으로 연결하는 전선들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 제 1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및 제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 피크주파수 쉬프트량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 및 제 2 임피던스 파형의 피크주파수는 각각 건강상태의 피크주파수와 손상후 피크주파수인 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 제1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및 제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 피크진폭비 변화량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기 제 1 및 제 2 임피던스 파형의 진폭비는 각각 건강상태의 진폭비와 손상후 진폭비인 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 제 1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및 제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 특성계수(Q)값의 비의 변화량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어지고, 상기 특성계수(Q) 값은 제 1 임피던스 파형의 주파수와 제 2 임피던스 파형의 주파수중 큰 값으로부터 작은 값을 뺀 후, 최대값으로 나눈값인 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방 법이 제공된다.
손상 평가에 적합한 재료중의 하나가 압전소자인데 이는 센서와 액추에이터로써의 기능을 동시에 가지고 있어 임피던스(Impedance) 계측 방법에 적용하기가 매우 용이하다.
본 발명에서는 구조물의 초기 손상을 조기 발견할 수 있고, 아울러 정량적으로 계측평가하는 장치 및 방법을 제시하고자 한다.
이하 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법 및 장치를 첨부도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 압전소자를 붙인 구조물의 자유도 모델을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 보에 압전소자 패치를 붙인 임피던스 측정 시험편을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 2의 알루미늄 보의 임피던스 파형도이고, 도 5는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 하중위치에 따른 임피던스 측정방법을 설명하기 위한 구성도이고, 도 6은 도 5의 측정방법에 따른 임피던스 응답특성을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 하중크기에 따른 임피던스 측정방법을 설명하기 위한 구성도이고, 도 8은 도 7의 측정방법에 따른 임피던스 응답특성을 나타낸 그래프이고, 도 9는 건강한 상태(healthy)와 손상이 가해진(damage) 상태의 임피던스 응답 파형 에서 피크주파수 쉬프트량을 나타낸 그래프이고, 도 10은 건강한 상태(healthy)와 손상이 가해진(damage) 상태의 임피던스 응답 파형에서 피크 진폭비 변화율을 나타낸 그래프이고, 도 11은 특성계수 Q값 비의 변화율을 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치를 통한 계측방법의 개략적인 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 구조물에 어떠한 요인으로 손상이 발생하면 건강시에 비해 구조물의 강성이나 감쇠율 등이 변화하고, 그 결과 구조물의 기계적 임피던스(impedance)가 변화한다. 이러한 손상의 발생과 기계적 임피던스(impedance)의 변화의 관계로부터, 기계적 임피던스의 계측을 실시하는 것으로 구조물의 건강 상태(손상의 유무)를 평가 하는것이 본 발명에서 사용된 임피던스 계측법의 개념이다. 그러나 일반적으로 미소한 기계적 임피던스의 변화를 고정밀도로 계측하는 것은 어려운 것이다. 따라서, 도 2에 나타낸 압전 소자(PZT:lead-zirconium-titanate)(30)가 붙여 있는 구조물(20)의 모델을 생각하면 압전 소자의 어드미턴스(admittance)(전기적 impedance의 역수)는 구조물 및 압전 소자의 기계적 임피던스를 이용해 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112006035084000-PAT00001
여기서, Y: 어드미턴스
Za: 압전 소자의 기계적 Impedance
Zs: 구조물의 기계적 Impedance
Yxx: 압전 소자의 전계가 0때의 신장 탄성률
d3x: 임의의 방향에 대한 등가 압전 정수
ε33: 유전정수
d: 압전 소자의 유전손실율
wa,la,ha : 압전 소자의 폭, 길이, 두께.
손상이 생기지 않으면 압전 소자의 기계적 임피던스(impedance)는 일정하므로, 구조물의 기계적 임피던스의 변화가 지배적이 된다. 따라서, 구조물의 기계적 임피던스의 값은, 구조물(20)의 대향하는 측면에 붙인 압전 소자(30)의 전기적 임피던스의 계측을 통해 얻을 수 있다.
본 발명에서는 「구조물의 손상」과「기계적 임피던스」, 그리고 「압전 소자의 전기적 임피던스」의 세 개의 관계에서 압전 소자의 전기적 임피던스를 계측 하는 것으로 구조물의 손상 상태를 평가한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측을 위해 사용된 측정용 시험편이 도시되며, 구조물의 기본 요소인 보를 사용하였다. 경계 조건이나 외부 가진에 의한 영향을 가능한 줄이기 위해, 보를 발포 합성수지 로 지지하여 양단을 자유단으로 하였고, 세로 탄성파만 발생되도록 보의 상하 대칭의 위치에 압전 소자(30)를 1매씩 붙여, 2매의 소자를 동위상으로 구동시켰다. 상기 알루미늄 보와 압전 소자(30)의 물성치는 생략한다.
도 3을 참조하면, 손상계측 시스템의 개략도를 볼 수 있으며, 압전 소자(30)의 임피던스(Impedance)계측은 임피던스 분석기(HP4192A)(50)를 사용했다. 또, 정량적 평가방법을 확립하기 위해, 가상 손상으로서 U자형의 말굽자에 볼트너트 장치를 한 간단한 억압 장치(이하 '응력부가수단'이라 함 70)를 사용해, 구조물(20)에 부가하는 응력을 억압 나사에 토크를 정량적으로 주는 것으로 조정할 수 있도록 하였다.
도 4는 도 3의 보에 대해서 압전 소자에 인가한 전압을 1∼100mV 까지 가진했을 경우의 임피던스(Impedance) 실수부의 응답이다. 여기서, 보의 양단은 자유단이므로 그 세로 진동의 기본 주파수는 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
Figure 112006035084000-PAT00002
여기서, n=1,2,3...이다.
여기서, c는 보(20)의 내부를 전해지는 위상 속도이며, 재료의 주파수는 탄성계수 E와 밀도로 정해진다. 경계조건을 양단 자유로 하면, 상기 수학식 2에 의해 그 고유 주파수는 fn=3.01(kHz)가 된다.
또한 임피던스(Impedance) 분석기(50)에 의해 측정된 임피던스 신호에는 실 수부와 허수부가 있지만, 임피던스 실수부의 신호가 구조물의 기계적 임피던스의 변화에 대해서 고감도이기 때문에, 임피던스 실수부의 파형을 사용하였다.
도 3에서, 손상이 있는 것으로 가장한 위치에 응력부가장치(70)를 달아 일정 토크(T=1.0 Nm)를 가해 구조물(20)의 응답을 측정한 임피던스(Impedance) 계측장치의 구조도이다. 이 장치를 통해 도 4와 같은 세로탄성파의 파형을 얻었으며, 이것으로부터 임피던스(Impedance)의 변화를 계측, 미소한 응력변화에 의한 파형변화를 계측하여 미소 손상의 존재를 예측하는 것이 가능하다.
일반적으로 임피던스(Impedance) 계측법을 이용했을 경우, 구조물에 발생한 손상이 가져온 임피던스의 변화는 측정 주파수대역에 따라서 다르다. 때문에, 어느 주파수 대역을 사용할지가 계측 정밀도와 평가 신뢰성에 크게 영향을 준다.
압전 소자 길이에 의한 진동 모드를 생각해 보면 도 4에 나타낸 것과 같이 보의 양면에 압전소자(30)가 부착된 경우 보의 고유 진동수를 살펴볼 수 있다. 압전 소자(30)와 알루미늄 보는 각각 단면적의 모양, 재질이 균일하며, 압전 소자(30)가 알루미늄 보(20)에 완전하게 고정되고 있어 동일 단면에 있어서의 진동량은 동일하다고 가정하였다. 알루미늄 보의 길이 방향을 x축, x방향 변위를 u(x,t)로 놓고, 보의 단면적을 As, 세로 탄성 계수를 Es, 단위 체적당의 질량 ρs, 또한압전 소자(30)의 단면적을 Aa, 세로 탄성 계수를 Ea, 단위 체적당의 질량을 로 ρa놓으면, 그 운동 방정식은 수학식 3과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112006035084000-PAT00003
따라서 알루미늄 보의 양면에 붙은 압전소자로 인하여 전해지는 진동모드의 위상 속도 c는 수학식 4와 같이 쓸 수 있다.
Figure 112006035084000-PAT00004
그런데, 보의 양면에 압전소자가 부착된 부분에 정재파가 존재한다고 하면, 그 고유 주파수는 양단의 경계 조건에 의존하므로, 고유 주파수가 가장 높은 경계 조건일 양단 자유 또는 양단 고정의 경우와 가장 낮은 조건일 일단 고정 일단 자유의 경우에 대해 고유 주파수를 산출하면 각각 수학식 5와 6과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112006035084000-PAT00005
n=1,2,3
Figure 112006035084000-PAT00006
n=1,2,3
압전 소자(30) 및 보(20)의 물성치(도시안됨)를 수학식 5와 6에 대입해 산출한 일차 모드의 고유 주파수는 각각 fn=49.75kHz와 fn=99.50kHz 였다. 즉, 실제 구조물을 생각했을 경우, 주파수 영역 49 ~ 100 kHz 에 대해 압전 소자(30)의 출력이 가장 큰 일을 예상할 수 있고, 이것은 도 4의 임피던스 응답 결과와도 일치한다. 따라서, 본 발명에서는 주파수역 49~ 100kHz 에 있어서의 임피던스 값이 가장 큰 파형의 전후의 것을 대상 주파수대역으로 하여 손상의 정량적인 평가를 수행하였다.
도 5를 참조하면, 하중위치를 변화시켜가며 임피던스 변화를 측정한 장치의 도면이고, 하중 응력의 크기를 체결 토크 1.0Nm로 일정하게 하고 응력이 부가된 위치를 변화시켜 임피던스를 측정하였다. 응력 하중의 위치는 각각 L=425, 445, 465, 485, 505mm로 하였다.
도 6을 참조하면, 건강한 구조물과 하중의 위치를 달리했을 때, 모드의 변형분포 예이다. 하중의 위치에 따라 피크점이 오른쪽으로 이동하였고(△F), 파형의 크기(A/Ao)도 선형적으로 줄어든 것을 알 수 있다.
도 7을 참조하면, 하중크기를 변화시켜가며 임피던스 변화를 측정한 장치를 볼 수 있는데, 응력이 부가된 위치를 일정하게 하고 하중 응력의 크기를 0.5Nm에서 2Nm까지 0.5Nm씩 변화시켜 임피던스 변화를 측정하였다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 건강한 구조물과 하중의 크기에 따른 모드의 변형분포 예이다. 여기에서도 하중 응력이 클수록 피크점이 오른쪽으로 이동하였고(△F), 파형의 크기(A/Ao)도 선형적으로 줄어든 것을 알 수 있다.
하중의 위치 및 크기에 따라 모드의 파형변화가 선형적으로 현저하게 달라지고 있는 것을 알 수 있다. 여기에서 임피던스 파형변화를 평가하는 손상평가지수의 하나로 피크주파수의 쉬프트량을 이용할 수 있다.
일반적으로 구조물에 손상이 발생하면 그 응력에 의해 내부를 전파한 탄성파가 변화하므로 그에 따른 주파수 응답에 변화가 일어나 건강상태에 비해 피크가 나타난 주파수가 쉬프트한다. 건강상태에서의 피크 주파수를 fpH로, 손상후 피크 주파수를 FpD로 하여 그 차이를 피크주파수 쉬프트량 △F라 정의한다. 토크가 감소하면 각각의 피크주파수 쉬프트량이 선형적으로 단조롭게 증가하고 있다. 이 결과로부터 피크주파수 쉬프트량을 이용하는 것으로 토크 변화를 정량적으로 평가할 수 있다. △F는 다음과 같은 수학식 7을 통해 구해진다.
Figure 112006035084000-PAT00007
임피던스(Impedance) 피크진폭은 피크주파수 쉬프트와 같이 손상상태에 대해서 현저하게 변화한다. 그러므로, 임피던스 피크의 진폭변화를 손상평가지수로 선택한다. 진폭비 변화율 δ은 건강상태일 때의 진폭 Ah, 손상후 피크를 Ad로 하여 다음과 같은 수학식 8로 정의한다.
Figure 112006035084000-PAT00008
도 10을 참조하면, 토크가 감소하면 모든 피크에서 피크 진폭비 변화율이 선 형적으로 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 피크 진폭비 변화율은 손상의 정량적 평가에 유효한 것을 알 수 있다.
도 11을 참조하면, 마지막 평가지수로서 특성계수 Q값을 사용한 Q값 변화율을 고려한다. 주파수의 큰 값으로부터 작은 값을 뺀 후, 최대값으로 나누면 수학식 9에서 나타낸 값이 된다. 이 값은 감쇠비로 근사되기 때문에 감쇠비에 의해 정해진 값이라고도 말할 수 있다. 감쇠비가 커지면 값은 작아지고, 감쇠비가 작아지면 값은 커지는 경향을 실험을 통해 알 수 있다. 감쇠비의 증감은 그 피크가 가진 에너지의 증감을 의미하기 때문에 손상의 평가에 이용할 수 있다. 또한 이 값은 피크값에 따라 조금의 격차가 있지만 전체적으로 증가하는 성향을 보여 손상평가에 유용하게 사용될 수 있다.
Figure 112006035084000-PAT00009
도 12를 참조하면, 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법은 먼저 구조물(20)에 부착된 압전소자(30)에 응력부가수단(70)을 통해 응력을 부가하여 세로 탄성파를 발생시킨다(ST-2).
이후, 컴퓨터(Computer)(60)로부터 계측 주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 임피던스 분석기(Impedance Analyzer)(50)에 입력한다(ST-4).
임피던스 분석기(50)에 의해 상기 입력신호에 대응하는 일정(1 Vrms)의 교류 신호가 압전소자(30)에 더해지고, 이에 의해 구조물(20)에 생긴 정상파가 상기 압전소자(30)에 전위 변화를 가져온다.
이러한 전위 변화가 임피던스 분석기(Impedance Analyzer)(50)내에서 임피던스(impedance)로 계산되어(ST-6), 컴퓨터(60)(Computer)에 전송 데이터로서 기록된다(ST-8).
상기 응력부가수단(70)을 통해 측정대상물 즉, 보(20)의 중간부 근처 위치에서 시작하여 일정간격 이격시켜 다수의 위치에 동일크기의 하중 응력을 부가하는 방식과, 상기 측정대상물(20)의 초기 응력부가 위치에서 응력의 크기를 0,0.5,1,1.5,2 Nm와 같이 달리하여 동일위치에 하중 응력을 부가하는 방식이 사용될 수 있다.
임피던스 계측에서는 가진 주파수의 분해능이 구조물 손상의 검출 정밀도에 영향을 주어 측정 대상에 따라 적절히 설정할 필요가 있다.
응력 하중시의 임피던스 파형변화는 응력이 부가되고 있는 위치의 변형, 크기에 의존한다. 변형이 큰 위치에 응력이 부가되고 있는 경우, 측정되는 임피던스 파형은 정상상태의 파형에 비하여 피크, 주파수, 크기의 변화량이 작았다.
손상평가지수로써 「피크주파수 쉬프트량」,「피크진폭비 변화율」, 「값비 변화율」을 제안하였다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 볼트체결 상태계측방법 및 장치에 의하면, 압전소자가 부착된 구조물에 대하여 종탄성파 원리를 이용한 임피던스 측정법은 광범위 주파수 영역에서 임피던스 공진주파수를 용이하게 측정가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 철교나 고가다리, 송전선 철탑 등의 구조물에 있어서의 초기 손상의 조기 발견을 목표로 하여 압전 소자에 의한 임피던스 계측법을 이용해 구조물의 미소한 손상에 대한 평가가 가능한 효과가 있다.
본 발명은 상기한 바람직한 실시 예를 중심으로 기술하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술분야에 익숙한 기술자라면 첨부되는 특허청구범위를 토대로 하여 다양하게 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (8)

  1. 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 입력하고 계측결과를 저장 및 표시하는 컴퓨터 장치(60)와;
    측정대상물(20)의 대향하는 측면에 각각 적어도 하나이상 부착된 압전소자(30);
    상기 측정대상물(20)의 중간부 근처 위치에서 시작하여 일정간격 이격시켜 다수의 위치에 동일크기의 하중 응력을 부가하는 응력부가수단(70); 및
    초기에 상기 응력부가수단(70)에 의해 일정 토크가 가해져 상기 측정대상물에 세로 탄성파를 발생시키고 상기 컴퓨터 장치(60)로부터 입력된 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝에 대응하는 교류신호를 상기 압전소자(30)에 인가하며 상기 압전소자(30)의 전위변화를 통해 임피던스를 계산하는 임피던스 분석기(50); 및
    상기 대향하는 측면의 압전소자(30) 각각 및 상기 임피던스 분석기(50)사이와 상기 임피던스 분석기(50) 및 상기 컴퓨터 장치(60) 사이를 전기적으로 연결하는 전선(51,52,53)들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치.
  2. 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 입력하고 계측결과를 저장 및 표시하는 컴퓨터 장치(60)와;
    측정대상물(20)의 대향하는 측면에 각각 적어도 하나이상 부착된 압전소자(30);
    상기 측정대상물(20)의 초기 응력부가 위치에서 응력의 크기를 달리하여 동일위치에 하중 응력을 부가하는 응력부가수단(70); 및
    초기에 상기 응력부가수단(70)에 의해 일정 토크가 가해져 상기 측정대상물에 세로 탄성파를 발생시키고 상기 컴퓨터 장치(60)로부터 입력된 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝에 대응하는 교류신호를 상기 압전소자(30)에 인가하며 상기 압전소자(30)의 전위변화를 통해 임피던스를 계산하는 임피던스 분석기(50); 및
    상기 대향하는 측면의 압전소자(30) 각각 및 상기 임피던스 분석기(50)사이와 상기 임피던스 분석기(50) 및 상기 컴퓨터 장치(60) 사이를 전기적으로 연결하는 전선(51,52,53)들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 부가된 응력은 0,0.5,1,1.5,2 Nm로 각각 구분되어 부가된 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2항에 있어서, 상기 측정주파수 범위는 49 내지 100kHz인 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치.
  5. 제 1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및
    제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 피크주파수 쉬프트량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어지며,
    상기 제 1 및 제 2 임피던스 파형의 피크주파수는 각각 건강상태의 피크주파수와 손상후 피크주파수인 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항의 장치를 통한 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법.
  6. 제 1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및
    제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 피크진폭비 변화량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하며,
    상기 제 1 및 제 2 임피던스 파형의 진폭비는 각각 건강상태의 진폭비와 손상후 진폭비인 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항의 장치를 통한 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법.
  7. 제 1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및
    제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 특성계수(Q)값의 비의 변화량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항의 장치를 통한 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 특성계수(Q) 값은
    제 1 임피던스 파형의 주파수와 제 2 임피던스 파형의 주파수중 큰 값으로부터 작은 값을 뺀 후, 최대값으로 나눈값인 것을 특징으로 하는 제 1 항 또는 제 2 항의 장치를 통한 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법.
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