KR20200105327A - 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자 - Google Patents

초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자에 관한 것으로, 상세하게는, 출력되는 초음파 에너지를 집속하여 분해능을 향상시키는 한편, 탐촉자와 콘크리트 구조물 간의 밀착성과 접촉성을 향상시켜 측정 효율과 작업성을 개선할 수 있는 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자에 관한 것이다.

Description

초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자{PROBE FOR MEASURING CRACK DEPTH OF CONCRETE STRUCTURE USING ULTRASOUND}
본 발명은 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자에 관한 것으로, 상세하게는, 출력되는 초음파 에너지를 집속하여 분해능을 향상시키는 한편, 탐촉자와 콘크리트 구조물 간의 밀착성과 접촉성을 향상시켜 측정 효율과 작업성을 개선할 수 있는 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자에 관한 것이다.
일반적으로, 노후 건물과 같은 콘크리트 구조물의 내부에 발생하는 균열은 콘크리트 구조물의 내하력 및 내구성의 저하를 표시하는 지표 중의 하나로, 균열 상태(폭/길이/깊이)를 정량적으로 산출함으로써 대형사고의 발생을 미연에 예방할 수 있게 된다.
콘크리트 구조물의 균열의 폭과 길이는 육안 점검이나 크랙 스케일이나 크랙 현미경 등 비교적 간단한 장비로도 측정할 수 있으나, 균열의 깊이는 육안 식별이 용이하지 않고, 크랙 현미경이나 크랙 스케일 등을 통해서도 실질적으로 확인이 어렵다.
콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정방법은 보편적으로 초음파 탐상법을 사용한다.
도 1은 일반적인 초음파 탐상법을 설명하기 위해 간략하게 도시한 개념도이다.
도 1과 같이, 콘크리트 구조물의 균열 깊이를 측정하기 위한 초음파 측정장치는 송신 탐촉자(2), 수신 탐촉자(3), 케이블(미도시) 및 측정기(미도시)를 포함한다.
콘크리트 구조물(1)의 균열 깊이 측정방법을 간략하게 설명하면 다음과 같다.
도 1과 같이, 송신 탐촉자(2)와 수신 탐촉자(3)를 콘크리트 구조물(1)의 균열부(1a)로부터 등거리(X)에 있도록 균열부(1a)의 좌우측에 각각 배치한 후, 송신 탐촉자(2)로부터 발생된 초음파가 균열부(1a)의 꼭지점(V)을 통과하여 수신 탐촉자(3)에 도달할 때까지의 전달시간(t)을 측정한다. 이때, 전달시간(t)은 송신 탐촉자(2)로부터 초음파가 최단거리를 거쳐서 수신 탐촉자(3)에 도달할 때까지의 시간이다. 이때, 초음파의 속도를 'VP'라 하면, 균열부(1a)의 깊이(D)는 하기 [수학식1]과 같다.
Figure pat00001
만약, 초음파의 속도 'VP'를 알 수 없을 때에는, 송신 탐촉자(2)와 수신 탐촉자(2)를 균열부(1a)의 좌우측으로 균열부(1a)로부터 등거리(X)에 배치하여 송신 탐촉자(2)로부터 발생된 초음파가 수신 탐촉자(3)에 도달할 때까지의 전달시간(t1) 을 측정한다. 이후, 수신 탐촉자(3)를 다시 'X' 만큼 외측으로 이동시킨 후, 송신 탐촉자(2)로부터 발생된 초음파가 수신 탐촉자(3')에 도달할 때까지의 전달시간 't2'를 재차 측정한다. 이 경우, 균열부(3)의 깊이(D)는 하기 [수학식2]와 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00002
한편, 종래기술에 따른 초음파 측정장치에서, 초음파를 발생하는 송신 및 수신 탐촉자는 일반적으로, 압전형 트랜스듀서로서, 내부에 압전소자를 내장하여 압전소자의 압전효과를 이용하여 초음파를 발생하거나, 초음파를 수신하여 균열부의 깊이를 측정한다.
도 2는 종래기술에 따른 탐촉자를 설명하기 위해 일례로 간략하게 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래기술에 따른 송신 탐촉자(2)는 원기둥 구조의 하우징(2a)과, 하우징(2a) 내부에 내장된 임피던스 결합층(2b), 진동자(압전소자)(2c) 및 흡음층(또는, 감쇄재료)(2d)이 초음파가 출력되는 출사구로부터 순차적으로 적층 배치된다.
그러나, 종래기술에 따른 송신 탐촉자(2)는 출사구를 통해 출력되는 초음파 에너지가 비교적 낮기 때문에 수신 탐촉자(3)에서 수신되는 신호가 미약하여 안정적으로 콘크리트 구조물에서 발생된 균열부의 깊이를 측정할 수 없는 문제가 있었다.
한편, 종래기술에서는 송신 탐촉자(2)와 수신 탐촉자(3)를 콘크리트 구조물(1)에 긴밀하게 밀착시키기 위해 콘크리트 구조물(1)의 표면을 사포나 그라인더 등을 이용하여 매끄럽게 처리한 후 그리스나 글리세린을 콘크리트 구조물(1)의 표면에 균일하게 도포해야 하기 때문에 균열부 측정 작업이 번거롭고 복잡한 단점이 있었다.
KR 10-0345351 B1, 2002. 07. 09., "콘크리트 구조물의 표면에 발생한 경사진 균열의 길이와 각도를 동시에 측정하는 방법" KR 10-0454361 B1, 2004. 10. 15., "콘크리트 균열 깊이 측정용 간이 초음파 장치" KR 10-2013-0044420 A, 2013. 05. 03.,"콘크리트 검사용 초음파 탐촉자"
따라서, 본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 초음파 에너지의 집속을 통해 반사신호를 크게하여 분해능을 향상시키는 한편, 탐촉자와 콘크리트 구조물 간의 밀착성과 접촉성을 향상시켜 측정 효율과 작업성을 개선할 수 있는 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 일 측면에 따른 본 발명은 출력되는 초음파를 집속하기 위해 출사구가 도끼날 형상으로 돌출 형성된 하우징; 상기 하우징의 출사구 측으로 상기 하우징의 내부에 설치된 임피던스 결합층; 상기 임피던스 결합층의 후방측에 위치되도록 상기 하우징의 내부에 설치되고, 초음파를 발생하여 상기 하우징의 출사구로 출력하고, 반사신호를 수신하는 진동자; 상기 진동자의 후방측에 설치되어 상기 진동자에서 발생하는 공명에 의한 후방음을 흡수하는 흡음층; 및 상기 하우징의 출사구 또는 상기 임피던스 결합층의 출력측에 결합되는 고무캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 제공한다.
바람직하게, 상기 진동자와 상기 임피던스 결합층 사이에 설치되고, 오목 렌즈 형상으로 이루어져 상기 진동자에서 발생된 초음파를 상기 하우징의 출사구로 집속하는 음향 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게, 상기 진동자는 상기 임피던스 결합층과 대면하는 면이 상기 흡음층 방향으로 오목한 곡면을 갖도록 형성되어 초음파를 상기 하우징의 출사구로 집속하여 출력하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 압전소자에서 발생되는 초음파 에너지를 집속하여 반사신호를 크게하여 분해능을 향상시키는 한편, 탐촉자와 콘크리트 구조물 간의 밀착성과 접촉성을 향상시켜 측정 효율과 작업성을 개선할 수 있다.
도 1은 일반적인 초음파 탐상법을 설명하기 위해 간략하게 도시한 개념도.
도 2는 종래기술에 따른 탐촉자를 설명하기 위해 일례로 간략하게 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 간략하게 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 정면에서 바라본 도면.
도 5는 도 4에 도시된 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자의 단면을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 도시한 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.
본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 발명에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자는 높은 초음파 에너지를 출력하여 콘크리트 구조물 내에 형성된 균열부를 안정적으로 측정하기 위하여 압전소자(진동자)에서 발생하는 초음파 빔을 집속하여 그 폭을 줄여 출력한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 설명하기 위해 간략하게 도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 정면(화살표 방향)에서 바라본 도면이고, 도 5는 도 4에 도시된 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자의 단면을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 균열 깊이 측정용 탐촉자(10)는 하우징(11)과, 하우징(11) 내부에 초음파 출력측으로부터 순차적으로 내장된 임피던스 결합층(12), 진동자(압전소자)(13) 및 흡음층(14)을 포함한다.
하우징(11)은 금속 케이싱으로서, 초음파가 출력되는 출사구가 도끼날과 같은 형상으로 돌출 형성될 수 있고, 그 출사구에는 연질의 고무캡(16)이 결합될 수 있다.
하우징(11)은 호퍼나 깔때기 구조와 같이 출력측으로 갈수록 경사지게 형성하고, 그 종단부에 슬릿(slit)이나 도끼날 형상과 같은 구조를 갖는 출사구를 형성한다. 그리고, 경사지게 형성된 부위의 내측에는 음향 반사판(미도시)이 더 구비되어 진동자(13)에서 발생된 초음파를 하우징(11)의 출사구 측으로 집속할 수도 있다.
임피던스 결합층(12)은 콘크리트 구조물과의 임피던스 차를 감소시키기 위하여 진동자(13)의 전방측에 설치된다. 임피던스 결합층(12)은 약한 에너지의 반사 음도 감지할 수 있도록 감도를 높이고, 진동자(13)에서 발생한 음을 콘크리트 구조물 내로 전달하고, 콘크리트 구조물로부터 음을 높은 감도로 수신할 수 있도록 제공한다.
이러한 임피던스 결합층(12)은 출력측(12a)이 하우징(11)의 출사구를 통해 외측으로 돌출되도록 도끼날과 같은 형상으로 이루어질 수 있으며, 출력단(12a)에는 콘크리트 구조물 간의 접촉성과 밀착성을 향상시키기 위해 고무캡(16)이 결합될 수 있다.
진동자(13)는 압전물질(Piezoelectric crystal)로 이루어지고, 콘크리트 구조물과 접촉되는 출력측 근처에 배치되고, 내부에는 인공 세라믹으로 구성되어 있으며, 양단에는 케이블(15)과 연결된 전극이 구비되어 있다. 이때, 상기 전극은 진동자(13)의 압전물질을 진동시키거나, 진동된 압전물질로부터 발생되는 전압을 측정한다.
흡음층(14)은 진동자(13)의 후방측에 설치되어 진동자(13)에 전기적인 자극을 준 후 진동자(13)에서 발생하는 공명에 의한 후방음을 흡수하는 역할을 수행한다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자(10)는 하우징(11)의 출력측을 호퍼나 깔때기 구조와 같이 출력측으로 갈수록 경사지게 형성하고, 그 종단부에 슬릿(slit)이나 도끼날 형상과 같은 구조를 갖는 출사구를 형성하여 진동자(13)에서 발생된 초음파 빔의 폭을 좁게 집속시켜 에너지를 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자(10)는 하우징(11)의 출사구 또는 하우징(11)의 출사구를 통해 외부로 돌출되는 임피던스 결합층(12)의 출력측(12a)에 연질의 고무캡(16)을 결합함으로써 콘크리트 구조물 간의 접촉성과 밀착성을 향상시켜 출력되는 초음파 에너지의 손실과 감쇄를 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 설명하기 위해 도시한 도면으로서, 내부 구성을 설명하기 위해 그 단면을 간략하게 도시하였다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자(20)는 도 5에서 도시된 측정용 탐촉자(10)와 마찬가지로, 하우징(1), 임피던스 결합층(22), 진동자(23), 흡음층(24), 케이블(25) 및 고무캡(26)을 포함한다.
그리고, 본 발명의 다른 예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자(20)는 진동자(23)와 임피던스 결합층(22) 사이에 진동자(23)에 발생된 초음파를 집속하기 위해 진동자(23) 측으로 오목한 곡면(오목 렌즈)을 갖는 음향 렌즈(27)를 더 포함한다.
음향 렌즈(27)는 오목 렌즈 형상으로 이루어져 진동자(23)에서 전방으로 발생하는 초음파를 도끼날 형상으로 이루어진 하우징(21)의 출사구로 집속하여 출력한다.
이와 같이, 본 발명의 다른 예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자(20)는 진동자(23)와 임피던스 결합층(22) 사이에 오목 렌즈 형상을 갖는 음향 렌즈(27)를 설치하여 진동자(23)로부터 출력되는 초음파를 집속하여 출력함으로써 분해능을 향상시킬 수 있다. 즉, 동일 주파수와 동일 지름을 갖는 비 집속형 탐촉자에 비해 좁은 빔 폭을 형성하여 반사체로부터 반사되는 반사신호 크기를 증가시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자를 설명하기 위해 도시한 도면으로서, 내부 구성을 설명하기 위해 그 단면을 간략하게 도시하였다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 예에 따른 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자(30)는 도 6에 도시된 측정용 탐촉자(20)와 마찬가지로 하우징(31), 임피던스 결합층(32), 진동자(33), 흡음층(34), 케이블(35) 및 고무캡(36)을 포함한다. 다만, 진동자(33)의 전방에 별도로 오목 렌즈로 이루어진 음향 렌즈를 추가로 설치하지 않고, 진동자(33)의 출력측을 오목한 형상으로 형성하여 초음파 빔을 집속한다.
이상에서와 같이 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 바람직한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아니다. 이처럼 이 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 본 발명의 실시예의 결합을 통해 다양한 실시예들이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
1 : 콘크리트 구조물
1a : 균열부
2 : 송신 탐촉자
3, 3' : 수신 탐촉자
10, 20, 30 : 탐촉자
2a, 11, 21, 31 : 하우징
2b, 12, 22, 32 : 임피던스 결합층
2c, 13, 23, 33 : 진동자(압전소자)
2d, 14, 24, 34 : 흡음층
15, 25, 35 : 케이블
16, 26, 36 : 고정캡
27 : 음향 렌즈

Claims (3)

  1. 출력되는 초음파를 집속하기 위해 출사구가 도끼날 형상으로 돌출 형성된 하우징;
    상기 하우징의 출사구 측으로 상기 하우징의 내부에 설치된 임피던스 결합층;
    상기 임피던스 결합층의 후방측에 위치되도록 상기 하우징의 내부에 설치되고, 초음파를 발생하여 상기 하우징의 출사구로 출력하고, 반사신호를 수신하는 진동자;
    상기 진동자의 후방측에 설치되어 상기 진동자에서 발생하는 공명에 의한 후방음을 흡수하는 흡음층; 및
    상기 하우징의 출사구 또는 상기 임피던스 결합층의 출력측에 결합되는 고무캡;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동자와 상기 임피던스 결합층 사이에 설치되고, 오목 렌즈 형상으로 이루어져 상기 진동자에서 발생된 초음파를 상기 하우징의 출사구로 집속하는 음향 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진동자는 상기 임피던스 결합층과 대면하는 면이 상기 흡음층 방향으로 오목한 곡면을 갖도록 형성되어 초음파를 상기 하우징의 출사구로 집속하여 출력하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자.
KR1020190024357A 2019-02-28 2019-02-28 초음파를 이용한 콘크리트 구조물의 균열 깊이 측정용 탐촉자 KR20200105327A (ko)

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KR100345351B1 (ko) 2000-08-03 2002-07-26 한국표준과학연구원 콘크리트 구조물의 표면에 발생한 경사진 균열의 길이와각도를 동시에 측정하는 방법
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KR20130044420A (ko) 2011-10-24 2013-05-03 조명기 콘크리트 검사용 초음파 탐촉자

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