KR20210086111A - Method and System for Evaluating Tensile Stress of Structure Using Ultrasound - Google Patents

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Abstract

Disclosed are a method for evaluating tensile stress of a structure using an ultrasonic wave, and a system therefor. The present invention measures ultrasonic signals propagating in a tensionless structure at various temperature. Under a constant temperature condition, the present invention measures the ultrasonic signal propagating in the structure while applying various tension. Under a condition that the tension and a temperature state of the structure are unknown, the present invention measures the ultrasonic signal propagating in the structure. By correcting a propagating speed change amount of the ultrasonic signal according to the temperature, the present invention measures propagating speed of the ultrasonic signal propagating in the structure to calculate the tension of the structure. For evaluating the tension of the structure, the present invention can correct the temperature of the ultrasonic wave without temperature information and can be applied to the cylindrical structure like a rod.

Description

초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법 및 이를 위한 시스템 {Method and System for Evaluating Tensile Stress of Structure Using Ultrasound}{Method and System for Evaluating Tensile Stress of Structure Using Ultrasound}

본 발명은 인장응력 측정 기술 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파의 전파속도를 이용하여 응력을 측정하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to the field of tensile stress measurement technology, and more particularly, to a technology for measuring stress using the propagation speed of ultrasonic waves.

현수교는 크게 케이블, 주탑, 앵커리지로 구성되며, 교량에 하중이 발생하게 되면 모든 하중을 케이블의 인장력으로 지지하는 형식의 교량이다. 따라서 케이블은 현수교의 형태 및 성능을 유지하는 주요 하중부재로서, 외부 충격, 마모, 부식 등의 요인으로 케이블에 장력 손실이 크게 발생할 경우, 교량 전체의 붕괴로 이어질 가능성이 있다. 그러므로 현수교의 케이블 장력 모니터링은 매우 중요하고 필수적인 것이다. Suspension bridges are mainly composed of cables, pylons, and anchorages, and when a load is applied to the bridge, all the loads are supported by the tensile force of the cable. Therefore, the cable is the main load member that maintains the shape and performance of the suspension bridge, and if the tension loss occurs in the cable due to factors such as external impact, abrasion, corrosion, etc., it may lead to the collapse of the entire bridge. Therefore, monitoring of cable tension in suspension bridges is very important and essential.

케이블 장력 평가 방법으로, 전자기 센서, 광섬유 센서, 가속도계, 로드셀 등과 같은 센서들을 활용한 기법들이 알려져 있다. As a cable tension evaluation method, techniques using sensors such as an electromagnetic sensor, a fiber optic sensor, an accelerometer, and a load cell are known.

전자기 센서를 이용한 방법은 실제 현장에서도 적용되고 있는 비교적 완성도가 높은 기술이다. 케이블 주변에 코일을 감고 강력한 전자기 펄스를 발생시켜 유도되는 전압을 분석하여 케이블의 장력을 평가하는 방법이다. 이 방법은 정량화 및 짧은 진단시간이라는 장점이 있으나, 수십~수백W의 고전력이 요구되며 센서의 크기가 커서 설치가 어렵다는 단점이 있다. The method using the electromagnetic sensor is a relatively high-quality technology that is being applied in the actual field. It is a method to evaluate the tension of a cable by winding a coil around the cable and analyzing the voltage induced by generating a strong electromagnetic pulse. This method has advantages of quantification and short diagnosis time, but has disadvantages in that it requires a high power of several tens to hundreds of W and is difficult to install due to the large size of the sensor.

광섬유 센서를 이용하는 방법은 케이블을 구성하는 스틸와이어에 광섬유와 FBG 센서를 삽입하고, 장력 변화에 따른 파장 변화를 계측, 분석하여 장력을 측정할 수 있다. 장력의 정량화와 높은 정밀도를 가진다는 장점이 있지만, 고가의 광학장비 구입, 기존 케이블 제작 공정의 변경 등 시스템 도입에 경제적 부담이 심해 현장 적용이 어려운 단점이 있다. The method of using the optical fiber sensor inserts the optical fiber and the FBG sensor into the steel wire constituting the cable, and measures and analyzes the wavelength change according to the change in tension to measure the tension. Although it has advantages of quantification of tension and high precision, it has a disadvantage that it is difficult to apply to the field due to the heavy economic burden of introducing the system, such as purchasing expensive optical equipment and changing the existing cable manufacturing process.

가속도계를 이용하는 방법은 케이블에 가속도계를 설치하여 공명 주파수 측정을 통한 케이블 장력 계측 기술이다. 저렴한 센서를 사용한다는 장점이 있으나, 케이블의 질량, 길이, 단면적을 정확히 알지 못 하면 큰 오차가 발생하는 단점이 있다. The method of using the accelerometer is a cable tension measurement technology by installing the accelerometer on the cable and measuring the resonance frequency. There is an advantage of using a cheap sensor, but there is a disadvantage that a large error occurs if the mass, length, and cross-sectional area of the cable are not accurately known.

로드셀을 이용하는 방법은 앵커리지의 로드를 모니터링 함으로써, 케이블에 작용하는 장력을 추정하는 기법이다. 로드는 케이블이 뽑히지 않게 장력을 지지하는 역할을 하며, 케이블의 장력에 따라 힘이 달라진다. 케이블 장력 변화에 따른 앵커리지 로드 응력 변화를 ABAQUS를 활용한 3차원 수치해석을 통해 관찰할 수 있다. 앵커리지를 구성하는 로드, 너트, 스트랜드 슈를 각각 모델링하고, 케이블 장력에 해당하는 변위를 변화시키면서 로드와 너트의 응력을 분석할 수 있다. 변위가 증가할수록 로드의 중간에 많은 응력 변화가 발생하며, 응력 변화는 변위에 비례하여 증가하는 경향을 보인다. 따라서 로드 모니터링을 통하여 케이블 장력을 추정할 수 있다. The method of using a load cell is a technique of estimating the tension acting on the cable by monitoring the load of the anchorage. The rod serves to support the tension so that the cable is not pulled out, and the force varies according to the tension of the cable. The change in anchorage load stress according to the change in cable tension can be observed through three-dimensional numerical analysis using ABAQUS. It is possible to model the rod, nut, and strand shoe constituting the anchorage, respectively, and analyze the stress of the rod and nut while changing the displacement corresponding to the cable tension. As the displacement increases, many stress changes occur in the middle of the rod, and the stress change tends to increase in proportion to the displacement. Therefore, the cable tension can be estimated through load monitoring.

한편, 초음파의 전파 특성은 응력에 민감하다. 초음파는 응력에 의해 전파속도가 미세하게 변할 수 있다는 점(대략 10-8s 단위로 변화함)과, 응력에 의해 초음파의 가진 주파수의 변화(Frequency shift) 및 가진 주파수의 조화 및 변조 (비선형) 성분의 크기를 변화시킬 수 있음이 알려져 있다. 이러한 초음파의 전파 특성을 이용하여 응력을 측정할 수 있다. 그런데 가진 주파수 변화를 이용하는 방식은 구조물에 전파되는 Lamb wave 에 대한 적용이 어려운 단점이 있다. 비선형 성분의 크기 변화를 이용하는 방식은 응력변화뿐만 아니라 재료에 발생한 미소 손상에 의해서도 변화하기 때문에 향후 실구조물 및 복잡구조물 적용에 대한 실용성이 떨어질 수 있다. 초음파 전파속도는 이러한 단점들로부터 자유롭기 때문에 응력 측정에 효과적으로 이용될 수 있다.On the other hand, the propagation characteristics of ultrasonic waves are sensitive to stress. The fact that the propagation speed of ultrasonic waves can be slightly changed by stress ( changes in approximately 10 -8 s units), and the change in the excitation frequency of ultrasonic waves (Frequency shift) and harmonization and modulation of the excitation frequency by stress (nonlinear) It is known that the size of the components can be varied. The stress can be measured using the propagation characteristics of the ultrasonic wave. However, the method using the excitation frequency change has a disadvantage in that it is difficult to apply the Lamb wave propagating to the structure. Since the method using the size change of the non-linear component changes not only by the stress change but also by the micro-damage generated in the material, the practicality of the application to real structures and complex structures in the future may be lowered. Since the ultrasonic propagation speed is free from these disadvantages, it can be effectively used for stress measurement.

본 발명의 일 목적은 온도 보정된 초음파 신호의 전파속도를 이용하여 강봉 또는 케이블 등과 같은 구조물의 인장응력을 측정할 할 수 있는 방법과 이를 위한 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a method and a system for measuring the tensile stress of a structure such as a steel bar or a cable using the propagation speed of a temperature-corrected ultrasonic signal.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제들에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above problems, and may be variously expanded without departing from the spirit and scope of the present invention.

상기 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법은, 다양한 온도에서 장력이 가해지지 않은 구조물 내에서 전파되는 초음파 신호를 계측하는 제1 단계; 일정한 온도조건에서, 다양한 장력을 가하면서 상기 구조물 내에서 전파되는 초음파 신호를 계측하는 제2 단계; 상기 구조물의 장력 및 온도 상태를 알 수 없는 조건에서, 상기 구조물 내에서 전파되는 초음파 신호를 계측하는 제3 단계; 그리고 온도에 따른 초음파 신호의 전파 속도 변화량을 보정하면서, 상기 구조물 내에서 전파되는 초음파 신호의 전파 속도를 측정하여 상기 구조물의 장력을 산출하는 제4 단계를 포함한다.A method for evaluating tensile stress of a structure using ultrasound according to embodiments for realizing an object of the present invention includes: a first step of measuring an ultrasound signal propagating in a structure to which tension is not applied at various temperatures; a second step of measuring an ultrasonic signal propagating in the structure while applying various tensions under a constant temperature condition; a third step of measuring an ultrasonic signal propagating in the structure under a condition in which the tension and temperature state of the structure are unknown; and a fourth step of calculating the tension of the structure by measuring the propagation speed of the ultrasonic signal propagating within the structure while correcting the change in the propagation speed of the ultrasonic signal according to the temperature.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제1 단계는, 장력 측정 대상 구조물에 장력이 도입되지 않은 상태에서, 상기 구조물에 초음파 신호를 인가하면서 상기 구조물에서 전파되는 초음파 신호를 측정하여, 온도 변화에 따라 초음파 신호의 C11 전파모드의 시간 지연과 C23 전파모드의 시간 지연 간의 제1 관계식을 수립하는 단계를 포함할 수 있으며, 여기서 C11 전파모드는 상기 구조물의 길이방향으로 전파되는 초음파 신호 모드를 나타내고, C23 전파모드는 상기 구조물의 길이방향에 수직한 방향으로 전파되는 초음파 신호 모드를 나타낸다.In an exemplary embodiment, in the first step, in a state in which no tension is introduced to the structure to be measured for tension, the ultrasonic signal propagated in the structure is measured while the ultrasonic signal is applied to the structure, and the ultrasonic wave is changed according to the temperature change. establishing a first relation between the time delay of the C11 propagation mode of the signal and the time delay of the C23 propagation mode, wherein the C11 propagation mode represents the ultrasonic signal mode propagating in the longitudinal direction of the structure, and the C23 propagation mode The mode represents an ultrasonic signal mode propagating in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the structure.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제2 단계는, 온도가 일정한 조건에서, 상기 구조물에 크기를 변경하면서 장력을 가하면서 상기 구조물에 초음파 신호를 인가하면서 상기 구조물에서 전파되는 초음파 신호를 측정하여, 그 장력 변화와 초음파 신호의 C11 전파모드의 시간 지연 간의 제2 관계식을 수립하는 단계를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the second step is by measuring the ultrasonic signal propagating in the structure while applying the ultrasonic signal to the structure while applying tension while changing the size of the structure under a constant temperature condition, The method may include establishing a second relational expression between the change in tension and the time delay of the C11 propagation mode of the ultrasound signal.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제3 단계는, 온도와 장력 조건을 모르는 상태에서, 상기 구조물에 초음파 신호를 인가하면서 상기 구조물에서 전파되는 초음파 신호를 측정하여 C11 전파모드와 C23 전파모드를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the third step is to extract the C11 propagation mode and the C23 propagation mode by measuring the ultrasonic signal propagating from the structure while applying the ultrasonic signal to the structure without knowing the temperature and tension conditions may include steps.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 제4 단계는, 소정의 기준 신호를 이용하여, 상기 추출된 C11 전파모드와 상기 C23 전파모드의 시간 지연을 각각 산출하는 단계; 그리고 상기 C23 전파모드의 시간 지연이 0일 때에는, 온도 보정 없이 상기 추출된 C11 전파모드의 시간지연 값에 기초하여 상기 구조물의 장력을 산출하고, 상기 C23 전파모드의 시간 지연이 0이 아닐 때에는, 상기 추출된 C11 전파모드의 시간지연 값에 온도 보상을 실시한 후, 보정된 C11 전파모드의 시간지연 값에 기초하여 상기 구조물의 장력을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment, the fourth step may include calculating time delays of the extracted C11 propagation mode and the C23 propagation mode, respectively, using a predetermined reference signal; And when the time delay of the C23 propagation mode is 0, the tension of the structure is calculated based on the extracted time delay value of the C11 propagation mode without temperature correction, and when the time delay of the C23 propagation mode is not 0, After performing temperature compensation on the extracted time delay value of the C11 propagation mode, calculating the tension of the structure based on the corrected time delay value of the C11 propagation mode.

앞의 여러 실시예에 따른 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 실행가능 프로그램이 제공될 수 있다.A computer-executable program stored in a computer-readable recording medium may be provided to perform the method for evaluating the tensile stress of a structure using ultrasonic waves according to the above various embodiments.

앞의 여러 실시예에 따른 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 제공될 수 있다.A computer-readable recording medium in which a computer program for performing the method for evaluating tensile stress of a structure using ultrasonic waves according to the above embodiments is recorded may be provided.

한편, 상기 본 발명의 일 목적을 실현하기 위한 실시예들에 따른 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 시스템은, 초음파 생성에 필요한 가진 신호(Excitation signal)를 생성하는 파형 생성기; 상기 구조물의 표면에 부착되고, 상기 가진 신호를 입력받아 상기 구조물 속으로 초음파 신호를 출력하는 가진 센서; 상기 구조물의 표면에 부착되되 상기 가진 센서와는 상기 구조물의 길이방향으로 소정거리 이격되어 있고, 상기 가진 센서로부터 상기 길이방향으로 전파되는 초음파를 검출하는 제1 초음파 센서; 상기 구조물의 표면에 부착되되 상기 가진 센서와는 상기 구조물의 길이방향과 직교하는 전단방향으로 소정거리 이격되어 있고, 상기 가진 센서로부터 상기 전단방향으로 전파되는 초음파를 검출하는 제2 초음파 센서; 상기 제1 및 제2 초음파 센서가 검출한 아날로그 초음파 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지타이저; 그리고 소정의 연산프로그램을 실행하여, 상기 디지타이저로부터 제공되는 디지털 초음파 신호를 이용하여, 상기 구조물의 온도 보상된 장력을 산출하되, 상기 구조물의 온도 보상된 장력은 상기 구조물에서 전파되는 초음파 신호의 C11 전파모드와 C23 전파모드를 이용하여 산출하도록 구성된 제어부를 구비할 수 있다.On the other hand, a system for evaluating tensile stress of a structure using ultrasound according to embodiments for realizing an object of the present invention includes a waveform generator for generating an excitation signal necessary for generating an ultrasound; an excitation sensor attached to the surface of the structure, receiving the excitation signal and outputting an ultrasonic signal into the structure; a first ultrasonic sensor attached to the surface of the structure and spaced apart from the excitation sensor by a predetermined distance in the longitudinal direction of the structure and configured to detect ultrasonic waves propagating from the excitation sensor in the longitudinal direction; a second ultrasonic sensor attached to the surface of the structure and spaced apart from the excitation sensor by a predetermined distance in the shear direction orthogonal to the longitudinal direction of the structure and configured to detect ultrasonic waves propagating from the excitation sensor in the shear direction; a digitizer converting the analog ultrasonic signals detected by the first and second ultrasonic sensors into digital signals; Then, by executing a predetermined operation program, the temperature-compensated tension of the structure is calculated using the digital ultrasound signal provided from the digitizer, and the temperature-compensated tension of the structure is C11 propagation of the ultrasound signal propagated from the structure. A control unit configured to calculate using the mode and the C23 propagation mode may be provided.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 가진 센서, 상기 제1 및 제2 초음파 센서는 곡면을 갖는 상기 구조물에도 안정적으로 부착하여 사용할 수 있는 압전 섬유 복합체(Micro Fiber Composite: MFC) 센서일 수 있다.In an exemplary embodiment, the excitation sensor and the first and second ultrasonic sensors may be micro fiber composite (MFC) sensors that can be stably attached to and used even on the structure having a curved surface.

예시적인 실시예에 있어서, 상기 파형 생성기와 상기 디지타이저는 상기 제어부에 의해 계측 시작이 트리거링되고, 초음파 생성과 계측을 각각 동시에 수행하기 위하여 서로 간에 시간 동기화를 수립할 수 있다.In an exemplary embodiment, the waveform generator and the digitizer may establish time synchronization with each other in order to trigger measurement start by the control unit, and to simultaneously perform ultrasound generation and measurement, respectively.

본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 구조물의 장력 평가에 있어서 온도 정보 없이 초음파의 온도 보정이 가능하며, 로드와 같이 원기둥 형태의 구조물에 적용이 가능하다. 또한, 센서의 설치가 쉽고 저렴하며, 장력 계측을 위한 시간이 짧다는 장점이 있다. According to exemplary embodiments of the present invention, temperature correction of ultrasonic waves is possible without temperature information in the tension evaluation of a structure, and it is applicable to a cylindrical structure such as a rod. In addition, there are advantages in that the installation of the sensor is easy and inexpensive, and the time for measuring the tension is short.

도 1은 단축 힘이 작용하는 구조물에 초음파를 가진할 때 생성되는 초음파의 전파를 도시한다.
도 2는 도 1의 제1 센서와 제2 센서에서 측정되는 초음파의 전파 형태를 도시한다.
도 3과 4는 구조물에 가하는 인장응력의 크기를 변화시키면서 C11 모드 따른 길이방향 초음파의 도달시간의 변화 특성과, C23모드에 따른 전단방향 초음파의 도달시간의 변화 특성을 각각 나타낸다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 구조물 인장응력 평가 시스템의 구성과 장력 평가 방법을 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 온도가 가변적인 상태에서 초음파를 이용하여 구조물의 인장응력을 측정하는 방법의 전반적인 과정을 나타낸다.
도 7은 다양한 온도에서 초음파 신호의 계측(제1 단계)을 도식적으로 나타낸다.
도 8은 초음파 신호의 전파 모드 중 C11 모드와 C23 모드 시간 지연사이의 관계를 도시한다.
도 9는 일정한 온도조건에서, 구조물(150)에 가해지는 다양한 장력에 대해서 초음파 신호를 계측하는 제2 단계를 도식적으로 나타낸다.
도 10은 제2 단계를 통해 얻어지는 장력과 C11 모드 시간지연 사이의 관계를 도시한다.
도 11은 장력 및 온도 상태를 알 수 없는 조건에서 초음파를 계측하는 제3 단계와 초음파 온도 보정을 통해 정확한 장력을 산출하는 제4 단계를 도식적으로 나타낸다.
1 shows the propagation of ultrasonic waves generated when an ultrasonic wave is applied to a structure on which a uniaxial force acts.
FIG. 2 illustrates a propagation shape of ultrasonic waves measured by the first sensor and the second sensor of FIG. 1 .
3 and 4 show the change characteristics of the arrival time of the longitudinal ultrasonic waves according to the C11 mode and the change characteristics of the arrival time of the shear-direction ultrasonic waves according to the C23 mode, respectively, while changing the magnitude of the tensile stress applied to the structure.
5 is a block diagram illustrating a configuration of a structure tensile stress evaluation system and a tension evaluation method according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 shows an overall process of a method of measuring the tensile stress of a structure using ultrasonic waves in a state of varying temperature, according to an exemplary embodiment of the present invention.
7 schematically shows the measurement (first stage) of the ultrasonic signal at various temperatures.
8 shows the relationship between the C11 mode and the C23 mode time delay among the propagation modes of the ultrasonic signal.
9 schematically shows a second step of measuring ultrasonic signals for various tensions applied to the structure 150 under a constant temperature condition.
10 shows the relationship between the tension obtained through the second step and the C11 mode time delay.
11 schematically shows a third step of measuring ultrasonic waves under conditions in which tension and temperature states are unknown and a fourth step of calculating accurate tension through ultrasonic temperature correction.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The same reference numerals are used for the same components in the drawings, and repeated descriptions of the same components are omitted.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것이다. 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. With respect to the embodiments of the present invention disclosed in the text, specific structural and functional descriptions are merely exemplified for the purpose of describing the embodiments of the present invention. Embodiments of the present invention may be embodied in various forms, and should not be construed as being limited to the embodiments described herein. That is, since the present invention can have various changes and can have various forms, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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. 또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Also, terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

도 1은 단축 힘이 작용하는 구조물에 초음파를 가진할 때 생성되는 초음파의 전파를 도시한다. 도 2는 도 1의 제1 센서와 제2 센서에서 측정되는 초음파의 전파 형태를 도시한다.1 shows the propagation of ultrasonic waves generated when an ultrasonic wave is applied to a structure on which a uniaxial force acts. FIG. 2 illustrates a propagation shape of ultrasonic waves measured by the first sensor and the second sensor of FIG. 1 .

도 1과 2를 참조하면, 구조물의 길이방향(제1 방향)으로 단축 힘(uni-axial force) 즉, 수직 응력(σ11)이 작용하는 등방성 구조물(20)에 초음파 가진 센서(32)를 통해 초음파를 가진하면, 그 가진된 초음파는 구조물(20)의 길이 방향(제1 방향) 및 그 길이 방향에 직교하는 전단 방향(shear direction)(제2 방향)의 두 방향으로 전파될 수 있다. 제1 방향과 제2 방향으로 각각 전파되는 초음파는 진동하는 방향에 따라 도시된 것과 같이 3개의 파로 구분될 수 있다. 1 and 2, a uni-axial force (uni-axial force), that is, a normal stress (σ 11 ) in the longitudinal direction (first direction) of the structure is applied to the isotropic structure 20 in which the ultrasonic sensor 32 is applied. When the ultrasonic wave is excitation through, the excited ultrasonic wave may be propagated in two directions: a longitudinal direction (first direction) of the structure 20 and a shear direction (second direction) orthogonal to the longitudinal direction. Ultrasound propagating in the first direction and the second direction, respectively, may be divided into three waves according to the vibration direction.

전파되는 초음파의 속도(C11, C12, C13)와 (C21, C22, C23)는 다음 5가지 방정식을 사용하여 도출될 수 있다. 여기서, 아래 첨자의 앞에 숫자는 초음파가 전파되는 방향을 의미하며, 뒤에 숫자는 초음파가 진동하는 방향을 나타낸다.The velocity (C11, C12, C13) and (C21, C22, C23) of the propagating ultrasound can be derived using the following five equations. Here, the number in front of the subscript indicates the direction in which the ultrasonic wave propagates, and the number after the subscript indicates the direction in which the ultrasonic waves vibrate.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
......(1-1)
Figure pat00001
......(1-1)

Figure pat00002
......(1-2)
Figure pat00002
......(1-2)

Figure pat00003
......(1-3)
Figure pat00003
......(1-3)

Figure pat00004
......(1-4)
Figure pat00004
......(1-4)

Figure pat00005
......(1-5)
Figure pat00005
......(1-5)

여기서 ρ는 질량 밀도이고, cij는 방향 i (x, y, z)로 전파되고 방향 j로 편광된 파의 속도이며, σ11은 방향 1의 수직 응력이며, (λ, μ)는 라메(Lame)의 계수이고, (m, n, l)는 무르나한(Murnaghan)의 계수이다.where ρ is the mass density, c ij is the velocity of a wave propagating in direction i (x, y, z) and polarized in direction j, σ 11 is the normal stress in direction 1, and (λ, μ) is the lamé ( Lame), and (m, n, l) is Murnaghan's coefficient.

본 발명자들은 위 다섯 가지 식을 구조물에서의 초음파 전달에 적용해 보았다. 그에 따르면, 인장응력이 작용하는 방향으로 발생하는 longitudinal wave의 전파속도(

Figure pat00006
)가 응력 변화와 온도에 가장 민감하게 변하고, 응력이 작용하는 방향과 수직으로 발생하는 shear wave의 전파속도(
Figure pat00007
)는 응력의 변화에도 거의 변화가 없음을 알게 되었다. The present inventors tried to apply the above five equations to ultrasound transmission in the structure. According to him, the propagation speed (
Figure pat00006
) is the most sensitive to changes in stress and temperature, and the propagation speed (
Figure pat00007
) was found to have almost no change even with the change in stress.

이로부터 응력 변화와 온도에 가장 민감하게 변하는 C11 모드의 속도 변화를 계산함으로써 구조물의 인장응력을 측정할 수 있음을 알 수 있다. From this, it can be seen that the tensile stress of the structure can be measured by calculating the velocity change of the C11 mode, which is most sensitive to stress change and temperature.

또한, 초음파의 속도는 음향탄성효과뿐만 아니라 구조물(20)의 탄성계수와 밀도 변화에도 영향을 받는다. 일반적으로 탄성계수는 온도가 증가할 때 감소하게 되고, 감소된 탄성계수에 의해 초음파의 속도도 감소하게 된다. 따라서, 초음파 속도 변화를 이용하여 장력 모니터링을 위해서는 온도 보정이 필요하다.In addition, the speed of the ultrasonic wave is affected not only by the acoustic elastic effect but also by the elastic modulus and density change of the structure 20 . In general, the modulus of elasticity decreases when the temperature increases, and the speed of ultrasonic waves decreases due to the decreased modulus of elasticity. Therefore, temperature correction is required for tension monitoring using the ultrasonic velocity change.

온도 보정을 위해서 인장응력에는 영향을 받지 않지만 온도에 영향을 받는 C23을 이용할 수 있다. 즉, C23 모드를 이용하여 초음파의 온도 영향 유무를 확인하고, 만약 온도 영향이 있을 경우 C23 모드를 이용하여 C11의 온도에 의한 속도 변화량을 보정한 뒤 장력을 평가할 수 있다. For temperature compensation, C23, which is not affected by tensile stress but is affected by temperature, can be used. That is, it is possible to check whether the temperature effect of the ultrasonic wave is affected by using the C23 mode, and if there is a temperature effect, the tension can be evaluated after correcting the speed change due to the temperature of C11 using the C23 mode.

도 3과 4는 구조물에 가하는 인장응력의 크기를 변화시키면서 C11 모드에 따른 longitudinal wave의 도달시간(전파속도(

Figure pat00008
))의 변화 특성과, C23모드에 따른 shear wave의 도달시간(전파속도(
Figure pat00009
))의 변화 특성을 각각 나타낸다.3 and 4 show the arrival time (propagation velocity (propagation speed) of a longitudinal wave according to the C11 mode while changing the magnitude of the tensile stress applied to the structure.
Figure pat00008
)) and the arrival time of shear wave (propagation speed (
Figure pat00009
))), respectively.

도 3과 4의 그래프는 초음파 신호의 도달시간 추정을 위해 구조물에 가해지는 하중이 없을 때(0 Mpa) 계측된 초음파 신호를 기준으로 구조물에 가해지는 하중을 늘리면서 응력 계측 시에 측정된 초음파 신호 파형의 상관관계 (Cross correlation)를 분석하여 초음파 신호의 도달시간의 지연정도(즉, 전파속도)를 계산한 결과를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 구조물에 가해지는 하중이 늘어나면서 초음파 신호의 C11 모드 따른 longitudinal wave의 도달시간은, 구조물에 하중의 가해지지 않았을 때(0 MPa) 계측된 초음파 신호의 도달시간에 비해 점점 더 지연됨을 확인할 수 있다. 가해지는 하중의 크기에 따라 도달시간도 거의 비례적으로 지연된다. 이에 비해, 도 4를 참조하면, 구조물에 가해지는 하중이 늘어나더라도 초음파 신호의 C23 모드 따른 shear wave의 도달시간은, 구조물에 하중의 가해지지 않았을 때(0 MPa) 계측된 초음파 신호의 도달시간에 비해 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다. The graphs of FIGS. 3 and 4 show the ultrasonic signal waveforms measured during stress measurement while increasing the load applied to the structure based on the measured ultrasonic signal when there is no load applied to the structure (0 Mpa) for estimating the arrival time of the ultrasonic signal. The result of calculating the delay degree (ie, propagation speed) of the arrival time of the ultrasound signal by analyzing the cross correlation of Referring to FIG. 3 , as the load applied to the structure increases, the arrival time of the longitudinal wave according to the C11 mode of the ultrasonic signal is gradually increased compared to the arrival time of the ultrasonic signal measured when no load is applied to the structure (0 MPa). You can see the delay. The arrival time is delayed almost proportionally according to the magnitude of the applied load. In contrast, referring to FIG. 4 , even if the load applied to the structure increases, the arrival time of the shear wave according to the C23 mode of the ultrasonic signal is the arrival time of the ultrasonic signal measured when no load is applied to the structure (0 MPa). It can be seen that there is almost no change compared to

즉, C11 모드의 경우, 구조물에 가해지는 장력이 증가함에 따라 초음파 신호의 도달시간 지연 정도가 증가하지만, C23 모드의 경우에는 변화가 없음을 알 수 있다. 이러한 초음파 신호의 C11 모드와 C23 모드에서의 초음파 신호의 도달시간의 특성 즉, 전파속도의 특성을 이용하면 구조물에 가해지는 인장응력을 산출할 수 있다.That is, in the case of the C11 mode, the degree of delay of the arrival time of the ultrasound signal increases as the tension applied to the structure increases, but in the case of the C23 mode, it can be seen that there is no change. The tensile stress applied to the structure can be calculated by using the characteristic of the arrival time of the ultrasound signal in the C11 mode and the C23 mode of the ultrasound signal, that is, the characteristic of the propagation speed.

도 5는 예시적인 실시예에 따른 구조물 인장응력 평가 시스템의 구성과 장력 평가 방법을 나타낸다.Fig. 5 shows the configuration of a structure tensile stress evaluation system and a tensile stress evaluation method according to an exemplary embodiment.

도 5를 참조하면, 구조물 인장응력 평가 시스템(100)은 초음파를 계측 대상 구조물(예컨대, 케이블 엥커리지의 봉형 시료)(150)에 가진하기 위한 파형생성기(Arbitrary Waveform Generator: AWG)(110), 초음파 신호 계측을 위한 디지타이저(Digitizer)(120), 파형 생성기(110)와 디지타이저(120)를 제어하기 위한 제어부(Control Unit)(130)를 포함할 수 있다. 5, the structure tensile stress evaluation system 100 is a waveform generator (Arbitrary Waveform Generator: AWG) 110 for excitation of ultrasonic waves to the measurement target structure (eg, a rod-shaped sample of a cable anchorage) 150, It may include a digitizer 120 for measuring an ultrasonic signal, a waveform generator 110 , and a control unit 130 for controlling the digitizer 120 .

제어부(130)는 프로그램을 실행할 수 있는 프로세서와 그 프로세서의 연산처리를 위한 데이터 처리 공간을 제공하는 메모리, 그리고 본 발명의 수행에 필요한 여러 가지 소프트웨어 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장소 등을 포함할 수 있다. 제어부(130)를 구현하기 위한 하드웨어는 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. The control unit 130 may include a processor capable of executing a program, a memory providing a data processing space for arithmetic processing of the processor, and a data storage for storing various software programs and data necessary for carrying out the present invention. can Hardware for implementing the control unit 130 includes a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, Or it may be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as any other device capable of executing and responding to instructions.

계측 대상 구조물(150)에는 초음파를 가진하기 위한 초음파 가진 센서(142), 그리고 초음파 가진 센서(142)에 의해 가진된 초음파 신호가 계측 대상 구조물(150)을 통해 길이 방향 및 그 길이 방향과 직교하는 전단방향으로 전파되는 초음파 신호를 각각 검출하기 위한 제1 및 제2 초음파 센서(144, 146)가 부착될 수 있다. 케이블이나 강봉과 같은 구조물(150)의 표면은 곡면일 수 있다. 곡면에는 평면에 설치하는 일반적인 초음파 센서를 부착하기가 매우 힘들고 일시적으로는 부착되더라도 부착된 상태가 계속 유지되기가 불가능하다. 곡면을 갖는 계측 대상 구조물(150)에도 안정적으로 부착하여 사용할 수 있는 압전 섬유 복합체(Micro Fiber Composite: MFC) 센서를 초음파 가진 센서(142), 제1 및 제2 초음파 센서(144, 146)용으로 이용하여 초음파를 생성하고 계측할 수 있다. MFC 센서는 압전 세라믹 파이버를 기초로 하여 유연하고 곡면 형상의 구조물에 응용하는 것이 용이한 장점을 갖는다. 또한 d33 압전 상수를 사용하여 큰 작동효율을 낼 수 있고 이방성 구동이 가능하다는 장점도 있다.In the measurement target structure 150 , an ultrasonic excitation sensor 142 for excitation of ultrasonic waves, and an ultrasonic signal excited by the ultrasonic excitation sensor 142 pass through the measurement target structure 150 in a longitudinal direction and a direction perpendicular to the longitudinal direction. First and second ultrasonic sensors 144 and 146 for respectively detecting ultrasonic signals propagating in the shear direction may be attached. The surface of the structure 150 , such as a cable or a steel rod, may be curved. It is very difficult to attach a general ultrasonic sensor installed on a flat surface to a curved surface, and it is impossible to maintain the attached state even if it is temporarily attached. A piezoelectric fiber composite (MFC) sensor that can be stably attached to the measurement target structure 150 having a curved surface as well as the ultrasonic sensor 142 and the first and second ultrasonic sensors 144 and 146 are used. It can be used to generate and measure ultrasonic waves. The MFC sensor has the advantage of being easily applied to a flexible and curved structure based on a piezoelectric ceramic fiber. In addition, it has the advantage of using the d33 piezoelectric constant to achieve great operating efficiency and anisotropic driving.

예시적인 실시예에서, 구조물 인장응력 평가 시스템(100)의 하드웨어는 예컨대 National Instrument (NI) PXI 시스템을 이용하여 구축할 수 있다. 제어부(130)에는 예컨대 Lab View 소프트웨어가 설치될 수 있다. 응력계측을 위한 초음파 가진 및 계측을 위해 Lab View 기반의 초음파 계측 인터페이스(소프트웨어)를 개발하여, 제어부(130)에 설치할 수 있다. 사용자는 초음파 계측 인터페이스를 통해 Lab View 프로그램을 실행할 수 있고, 그 프로그램의 실행을 통해 구조물 인장응력 평가 시스템(100)의 하드웨어를 원하는 대로 제어할 수 있다. In an exemplary embodiment, the hardware of the structure tensile stress evaluation system 100 may be constructed using, for example, a National Instrument (NI) PXI system. In the control unit 130, for example, Lab View software may be installed. For ultrasonic excitation and measurement for stress measurement, a Lab View-based ultrasonic measurement interface (software) may be developed and installed in the control unit 130 . The user may execute the Lab View program through the ultrasonic measurement interface, and may control the hardware of the structure tensile stress evaluation system 100 as desired through the execution of the program.

도 5의 구조물 인장응력 평가 시스템(100)에서, 제어부(130)의 제어에 따라 파형 생성기(110)는 초음파 생성에 필요한 가진 신호(Excitation signal)를 생성하여 가진 센서(142)에 인가해줄 수 있다. 가진 신호가 입력된 가진 센서(142)는 계측 대상 구조물(150) 속으로 초음파 신호를 생성할 수 있다. 가진 센서(142)가 생성한 그 초음파 신호는 구조물(150) 속에서 길이방향 및 그 길이방향과 직교하는 전단방향으로 전파될 수 있다. 그렇게 길이방향으로 전파된 초음파는 제1 초음파 센서(144)에 의해 검출되고, 길이방향에 직교하는 전단 방향으로 전파된 초음파는 제2 초음파 센서(146)에 의해 검출될 수 있다. 제1 및 제2 초음파 센서(146)에 의해 검출된 초음파 신호는 아날로그 신호로서, 디지타이저(120)에 전달되어 디지털 데이터로 변환될 수 있다. 그 디지털 데이터는 제어부(130)에 전달되어 저장될 수 있다. In the structure tensile stress evaluation system 100 of FIG. 5 , the waveform generator 110 generates an excitation signal necessary for ultrasonic generation under the control of the controller 130 and applies it to the excitation sensor 142 . . The excitation sensor 142 to which the excitation signal is input may generate an ultrasound signal into the measurement target structure 150 . The ultrasonic signal generated by the excitation sensor 142 may propagate in the longitudinal direction and the shear direction perpendicular to the longitudinal direction in the structure 150 . The ultrasonic wave propagated in the longitudinal direction may be detected by the first ultrasonic sensor 144 , and the ultrasonic wave propagated in the shear direction orthogonal to the longitudinal direction may be detected by the second ultrasonic sensor 146 . The ultrasound signals detected by the first and second ultrasound sensors 146 are analog signals, and may be transmitted to the digitizer 120 and converted into digital data. The digital data may be transmitted to and stored in the controller 130 .

제어부(130)에 전달된 디지털 데이터 즉, 계측된 초음파는 제어부(130)에서 실행되는 인장응력 계산 프로그램의 입력으로 사용될 수 있고, 그 인장응력 계산 프로그램의 연산처리 결과로서 구조물(150)에 작용하는 인장응력이 산출될 수 있다. The digital data transmitted to the controller 130, that is, the measured ultrasonic waves, can be used as an input of a tensile stress calculation program executed by the controller 130, and act on the structure 150 as a result of the calculation processing of the tensile stress calculation program. Tensile stress can be calculated.

구조물 인장응력 평가 시스템(100)은 다음과 같이 동작할 수 있다. MTS 장비에 구조물(150)의 시편을 설치하고 예컨대 0~1500kN 까지 100kN (105.20 Mpa) 단위로 정적 인장 하중을 가한다. 이와 더불어 초음파신호를 구조물(150)에 인가하여 초음파의 전파속도 변화를 계측할 수 있다. 이때 구조물(150)의 시편에 가해지는 하중은 MTS 장비의 로드셀을 통해 실시간으로 제어되고 계측될 수 있다. The structure tensile stress evaluation system 100 may operate as follows. A specimen of the structure 150 is installed in the MTS equipment, and a static tensile load is applied in units of 100 kN (105.20 Mpa), for example, from 0 to 1500 kN. In addition, by applying an ultrasonic signal to the structure 150, a change in the propagation speed of the ultrasonic wave can be measured. At this time, the load applied to the specimen of the structure 150 may be controlled and measured in real time through the load cell of the MTS equipment.

구체적으로, 제어부(130)에서 파형생성기(110)와 디지타이저(120)에 계측 시작을 알리는 트리거 신호를 보내면, 파형생성기(110)와 디지타이저(120)는 초음파 생성과 계측을 각각 동시에 수행하기 위하여 서로 간에 시간 동기화를 수립할 수 있다. 이후, 파형생성기(110)에서 발생된 신호는 가진 센서(142)를 통하여 초음파를 발생시키고, 전파된 초음파 신호의 정보는 두개의 초음파 센싱 센서(144, 146)와 디지타이저(120)를 통하여 수집될 수 있다. 수집된 초음파신호의 데이터는 제어부(130)로 전달되어 저장될 수 있다. 제어부(130)는 그 수집된 초음파 신호의 데이터를 분석하여 구조물(150)의 현재의 장력 상태를 평가할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 인장응력에 의한 초음파 신호의 미세한 전파속도 변화를 측정해야 하므로 높은 시간 분해능이 필요하다. 예시적인 실시예에서, 10 MHz의 샘플링 주파수로 즉, 10-7 sec의 시간 분해능으로 데이터 계측을 수행한 후, 이를 보간(Interpolation)하여 보다 높은 시간분해능, 예컨대 10-9 sec을 확보할 수 있다. Specifically, when the control unit 130 sends a trigger signal informing the start of measurement to the waveform generator 110 and the digitizer 120, the waveform generator 110 and the digitizer 120 each perform ultrasonic generation and measurement at the same time. Time synchronization can be established between Thereafter, the signal generated by the waveform generator 110 generates an ultrasonic wave through the excitation sensor 142 , and the information of the propagated ultrasonic signal is collected through the two ultrasonic sensing sensors 144 and 146 and the digitizer 120 . can Data of the collected ultrasound signal may be transmitted to and stored in the controller 130 . The controller 130 may analyze the data of the collected ultrasound signal to evaluate the current tension state of the structure 150 . In the exemplary embodiment, since it is necessary to measure a minute change in propagation speed of an ultrasonic signal due to tensile stress, high temporal resolution is required. In an exemplary embodiment, data measurement is performed with a sampling frequency of 10 MHz, that is, with a time resolution of 10 -7 sec, and then interpolated to obtain a higher time resolution, for example, 10 -9 sec. .

도 6은 온도가 가변적인 상태에서 초음파를 이용하여 구조물(150)의 인장응력을 측정하는 방법의 전반적인 과정을 나타낸다. 6 shows an overall process of a method of measuring the tensile stress of the structure 150 using ultrasonic waves in a state where the temperature is variable.

도 6을 참조하면, 구조물(150)에 작용하는 인장응력은 다음과 같이 4개의 단계를 통해 구해질 수 있다: (1) 다양한 온도에서 초음파 신호 계측(제1 단계); (2) 일정한 온도조건에서, 다양한 장력에서 초음파 신호 계측(제2 단계); (3) 장력 및 온도 상태를 알 수 없는 조건에서의 초음파 계측(제3 단계); 그리고 (4) 마지막으로 초음파 온도 보정 및 장력 추정(제4 단계)이다. 이하, 각 단계에 관해 좀 더 구체적으로 설명한다.Referring to FIG. 6 , the tensile stress acting on the structure 150 may be obtained through four steps as follows: (1) measuring ultrasonic signals at various temperatures (first step); (2) measuring ultrasonic signals at various tensions under constant temperature conditions (second step); (3) ultrasonic measurement under conditions of unknown tension and temperature (third step); And (4) last is ultrasonic temperature correction and tension estimation (fourth step). Hereinafter, each step will be described in more detail.

도 7은 다양한 온도에서 초음파 신호를 계측하는 제1 단계를 도식적으로 나타낸다.7 schematically shows the first step of measuring the ultrasonic signal at various temperatures.

도 7을 참조하면, 제1 단계는 구조물(150)에 장력이 도입되기 이전 시점에서의 온도 변화에 따른 초음파 측정단계이다. 초음파의 생성을 위한 가진 센서(142)와, 구조물(150)을 통해 전파되는 초음파를 계측하기 위한 제1 및 제2 초음파 센서(144, 146)가 설치된 상태에서, 온도를 바꿔가면서 가진 센서(142)에서 초음파를 구조물(150)에 가진할 수 있다. 이 때, 초음파 가진 주파수는 전파속도 분석을 위해 파형 구분이 쉬운 주파수(예컨대, 170 kHz)를 선택할 수 있다. Referring to FIG. 7 , the first step is an ultrasonic measurement step according to a temperature change at a time point before tension is introduced into the structure 150 . In a state in which the excitation sensor 142 for generating ultrasonic waves and the first and second ultrasonic sensors 144 and 146 for measuring ultrasonic waves propagating through the structure 150 are installed, the excitation sensor 142 by changing the temperature. ), the ultrasonic waves may be excited to the structure 150 . In this case, as the ultrasonic excitation frequency, a frequency (eg, 170 kHz) that is easy to distinguish a waveform may be selected for propagation speed analysis.

제1 및 제2 초음파 센서(144, 146)가 전파되는 초음파 신호를 검출하고, 그 검출된 초음파 신호의 디지털 데이터는 제어부(130)에 전달된다. 제어부(130)에서는 이렇게 측정된 신호에서 C11 모드와 C23 모드를 각각 추출하고, 기준 신호를 선정하여 측정된 신호들과 기준 신호의 시간 지연을 계산할 수 있다. 서로 다른 온도 조건에서 제1 및 제2 초음파 센서를 이용하여 계측된 초음파신호 C11 전파모드와 C23 전파모드를 비교해 보면, 온도가 증가함에 따라 초음파 신호의 전파속도가 감소하는 경향을 보여준다. 온도 0도에서 측정된 신호를 기준 신호로 선택하고 각 온도에서 측정된 신호들과 시간 지연을 계산할 수 있다. 그렇게 계산된 시간 지연 데이터를 가지고, 선형회귀분석을 이용하여 계산된 C11 모드와 C23 모드 시간 지연사이의 관계식을 수립할 수 있다. 도 8은 C11 모드와 C23 모드의 시간 지연사이의 관계식을 다음과 같이 예시한다.The first and second ultrasonic sensors 144 and 146 detect a propagated ultrasonic signal, and digital data of the detected ultrasonic signal is transmitted to the controller 130 . The controller 130 may extract the C11 mode and the C23 mode from the measured signal, respectively, select a reference signal, and calculate a time delay between the measured signals and the reference signal. Comparing the C11 propagation mode and the C23 propagation mode of the ultrasonic signal measured using the first and second ultrasonic sensors under different temperature conditions, it shows that the propagation speed of the ultrasonic signal decreases as the temperature increases. A signal measured at a temperature of 0°C can be selected as a reference signal, and a time delay can be calculated with the signals measured at each temperature. With the time delay data thus calculated, a relational expression between the C11 mode and C23 mode time delays calculated using linear regression analysis can be established. 8 illustrates the relational expression between the time delay of the C11 mode and the C23 mode as follows.

Figure pat00010
......(6)
Figure pat00010
......(6)

여기서, t 11 t 23 는 C11 전파 모드와 C23 전파 모드의 시간 지연을 각각 나타내고, A 및 B는 모델 파라미터이다.where t 11 with t 23 denotes the time delay of the C11 propagation mode and the C23 propagation mode, respectively, and A and B are model parameters.

도 9는 일정한 온도조건에서, 구조물(150)에 가해지는 다양한 장력에 대해서 초음파 신호를 계측하는 제2 단계를 도식적으로 나타낸다.9 schematically shows a second step of measuring ultrasonic signals for various tensions applied to the structure 150 under a constant temperature condition.

제2 단계에서는, 일정한 온도 조건에서 구조물(150)에 가해지는 장력의 변화에 따른 초음파를 측정할 수 있다. 온도 실험에 사용된 구조물(150) 시편과 초음파 계측시스템을 그대로 사용할 수 있다. 온도를 일정하게 유지하면서, 구조물(150) 시편에 예컨대 0에서 1500 kN까지 100 kN 간격으로 증가시키면서, 각 장력에서 초음파 생성/계측을 수행할 수 있다. 마찬가지로, 제어부(130)는 측정된 초음파에서 C11 모드를 추출하고 기준 신호를 선정하여 측정된 신호들과 기준 신호의 시간 지연을 계산할 수 있다. 즉, 서로 다른 장력 조건에서 계측된 초음파신호의 C11 전파모드와 C23 전파 모드를 비교해보면, 장력이 증가함에 따라 C11 전파모드의 속도는 감소하지만 C23 전파모드의 속도는 일정함을 알 수 있다. 여기서, 0 kN에서 측정된 신호를 기준 신호로 선택하고 각 장력에서 측정된 신호들과 시간 지연을 계산할 수 있다. 그런 후, 도 10에 도시된 것처럼, 장력과 C11 모드 시간지연 사이의 선형회귀분석을 실시하여 관계식을 수립할 수 있다. 구조물(150)에 가해지는 장력과 C11 모드 시간 지연 간의 관계는 아래와 같이 함수로 표현될 수 있다. 선형회귀분석을 이용하여 수립된 C11 전파모드와 장력 사이의 관계식 역시 높은 선형성을 가지며, C23 전파모드는 장력이 증가하여도 속도가 변하지 않으므로 시간 지연 역시 0으로 계산될 수 있다. In the second step, ultrasonic waves according to a change in tension applied to the structure 150 under a constant temperature condition may be measured. The structure 150 specimen used for the temperature experiment and the ultrasonic measurement system may be used as they are. While maintaining the temperature constant, ultrasonic generation/measurement may be performed at each tension while increasing, for example, from 0 to 1500 kN at 100 kN intervals on the specimen of the structure 150 . Similarly, the controller 130 may extract the C11 mode from the measured ultrasound and select a reference signal to calculate a time delay between the measured signals and the reference signal. That is, comparing the C11 propagation mode and the C23 propagation mode of the ultrasonic signal measured under different tension conditions, it can be seen that the speed of the C11 propagation mode decreases as the tension increases, but the speed of the C23 propagation mode is constant. Here, a signal measured at 0 kN may be selected as a reference signal, and a time delay may be calculated with the signals measured at each tension. Then, as shown in FIG. 10 , a relational expression can be established by performing a linear regression analysis between the tension and the C11 mode time delay. The relationship between the tension applied to the structure 150 and the C11 mode time delay may be expressed as a function as follows. The relational expression between the C11 propagation mode and tension established using linear regression also has high linearity, and since the C23 propagation mode does not change its speed even when the tension increases, the time delay can also be calculated as 0.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

여기서, F는 구조물(150)에 가해진 장력이고, C 및 D는 모델 파라미터이다.Here, F is the tension applied to the structure 150, and C and D are model parameters.

도 11은 장력 및 온도 상태를 알 수 없는 조건에서 초음파를 계측하는 제3 단계와 초음파 온도 보정을 통해 정확한 장력을 산출하는 제4 단계를 도식적으로 나타낸다.11 schematically shows a third step of measuring ultrasonic waves under conditions in which tension and temperature states are unknown and a fourth step of calculating accurate tension through ultrasonic temperature correction.

도 11을 참조하면, 제3 단계에서는 두 개의 관계식이 수립되면, 구조물(150)에 가해지는 온도와 장력 조건을 모르는 상태에서, 위와 동일한 방식으로 초음파 신호를 가진하고, 제1 및 제2 초음파 센서(144, 146)를 통해 전파되는 초음파 신호를 검출하고, 제어부(130)가 그 검출된 초음파 신호의 디지털 데이터를 연산하여 C11 모드와 C23 모드의 초음파 도달시간을 산출한다. Referring to FIG. 11 , when two relational expressions are established in the third step, the ultrasonic signal is excited in the same manner as above without knowing the temperature and tension conditions applied to the structure 150 , and the first and second ultrasonic sensors The ultrasonic signal propagated through 144 and 146 is detected, and the controller 130 calculates digital data of the detected ultrasonic signal to calculate the ultrasonic arrival time in the C11 mode and the C23 mode.

제4 단계에서는, 제2 단계에서 사용한 기준 신호를 이용하여 각각의 시간 지연을 계산할 수 있다. 제2 단계에서의 온도와 비교하여 온도 변화가 발생하지 않았다면, C23 모드의 시간 지연(t 23 U )은 0이 될 것이며, C11 모드 시간지연(t 11 U )에 대한 온도 보정 없이 장력을 아래 식을 이용하여 산출할 수 있다. In the fourth step, each time delay may be calculated using the reference signal used in the second step. If no temperature change has occurred compared to the temperature in the second step, the time delay ( t 23 U ) of the C23 mode will be zero, and the tension without temperature correction for the C11 mode time delay ( t 11 U ) is calculated using the equation below. can be calculated using

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00012
Figure pat00012

그러나 만약 C23 모드의 시간 지연(t 23 U )이 0이 아닐 경우에는, 온도 변화가 발생한 것이기 때문에 C11 모드 시간지연(t 11 U )의 온도 보상을 실시한 후에, 보정된 시간 지연을 이용하여 장력을 산출할 수 있다. 이 경우 장력 산출 식은 아래 식과 같다. 식 (4-1)에서, 우변 두 번째 항은 온도 보상을 위한 것이다.However, if the time delay ( t 23 U ) of the C23 mode is not 0, since a temperature change has occurred , after temperature compensation of the C11 mode time delay ( t 11 U ) is performed, the tension is increased using the corrected time delay. can be calculated. In this case, the tension calculation formula is as follows. In Equation (4-1), the second term on the right is for temperature compensation.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00013
......(4-1)
Figure pat00013
......(4-1)

Figure pat00014
......(4-2)
Figure pat00014
......(4-2)

본 발명에 따르면, 온도 변화는 구조물(150)의 장력 평가에 상당히 큰 영향을 줄 수 있다는 점을 인식하고, 이 문제를 해결하기 위하여 온도 보정을 실시한 후에 장력 평가를 수행한다. 이렇게 함으로써, 측정되는 장력의 최대 오차는 크게 줄일 수 있다. 여러 실험을 통해, 온도 보정을 실시하면, 온도 보정을 하지 않은 경우에 비해 오차가 거의 90퍼센트 이상 감소함을 확인할 수 있다.According to the present invention, it is recognized that a change in temperature can significantly affect the tension evaluation of the structure 150, and in order to solve this problem, the tension evaluation is performed after performing temperature correction. By doing so, the maximum error of the measured tension can be greatly reduced. Through various experiments, it can be confirmed that when temperature correction is performed, the error is reduced by almost 90% or more compared to the case where temperature correction is not performed.

위에서 설명한 실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the above-described embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and available to those skilled in the art of computer software. Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic such as floppy disks. - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

본 발명은 교량이나 구조물의 하중을 지행해주는 케이블이나 강체 등에 가해지는 장력을 모니터링하는 데 이용될 수 있다.The present invention can be used to monitor the tension applied to a cable or rigid body that carries a load of a bridge or structure.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Although the embodiments have been described with reference to the limited drawings as described above, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below. You will understand that you can. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result. Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (10)

다양한 온도에서 장력이 가해지지 않은 구조물 내에서 전파되는 초음파 신호를 계측하는 제1 단계;
일정한 온도조건에서, 다양한 장력을 가하면서 상기 구조물 내에서 전파되는 초음파 신호를 계측하는 제2 단계;
상기 구조물의 장력 및 온도 상태를 알 수 없는 조건에서, 상기 구조물 내에서 전파되는 초음파 신호를 계측하는 제3 단계; 그리고
온도에 따른 초음파 신호의 전파 속도 변화량을 보정하면서, 상기 구조물 내에서 전파되는 초음파 신호의 전파 속도를 측정하여 상기 구조물의 장력을 산출하는 제4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법.
A first step of measuring an ultrasonic signal propagating in a structure to which tension is not applied at various temperatures;
a second step of measuring an ultrasonic signal propagating in the structure while applying various tensions under a constant temperature condition;
a third step of measuring an ultrasonic signal propagating in the structure under a condition in which the tension and temperature state of the structure are unknown; And
and a fourth step of calculating the tension of the structure by measuring the propagation speed of the ultrasonic signal propagating within the structure while correcting the change in the propagation speed of the ultrasonic signal according to the temperature. Stress evaluation method.
제1항에 있어서, 상기 제1 단계는, 장력 측정 대상 구조물에 장력이 도입되지 않은 상태에서, 상기 구조물에 초음파 신호를 인가하면서 상기 구조물에서 전파되는 초음파 신호를 측정하여, 온도 변화에 따라 초음파 신호의 C11 전파모드의 시간 지연과 C23 전파모드의 시간 지연 간의 제1 관계식을 수립하는 단계를 포함하며, 여기서 C11 전파모드는 상기 구조물의 길이방향으로 전파되는 초음파 신호 모드를 나타내고, C23 전파모드는 상기 구조물의 길이방향에 수직한 방향으로 전파되는 초음파 신호 모드를 나타내는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법.According to claim 1, wherein, in the first step, in a state in which no tension is introduced to the structure to be measured for tension, while applying the ultrasonic signal to the structure, the ultrasonic signal propagated from the structure is measured, and the ultrasonic signal is changed according to the temperature change. establishing a first relation between the time delay of the C11 propagation mode and the time delay of the C23 propagation mode, wherein the C11 propagation mode represents an ultrasonic signal mode propagating in the longitudinal direction of the structure, and the C23 propagation mode is the A method for evaluating tensile stress of a structure using ultrasound, characterized in that it indicates a mode of an ultrasound signal propagating in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the structure. 제1항에 있어서, 상기 제2 단계는, 온도가 일정한 조건에서, 상기 구조물에 크기를 변경하면서 장력을 가하면서 상기 구조물에 초음파 신호를 인가하면서 상기 구조물에서 전파되는 초음파 신호를 측정하여, 그 장력 변화와 초음파 신호의 C11 전파모드의 시간 지연 간의 제2 관계식을 수립하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법.According to claim 1, wherein in the second step, by measuring the ultrasonic signal propagating in the structure while applying the ultrasonic signal to the structure while applying tension while changing the size of the structure under a constant temperature condition, the tension A method for evaluating tensile stress of a structure using ultrasound, comprising the step of establishing a second relational expression between the change and the time delay of the C11 propagation mode of the ultrasound signal. 제1항에 있어서, 상기 제3 단계는, 온도와 장력 조건을 모르는 상태에서, 상기 구조물에 초음파 신호를 인가하면서 상기 구조물에서 전파되는 초음파 신호를 측정하여 C11 전파모드와 C23 전파모드를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법.The method of claim 1 , wherein the third step comprises: extracting a C11 propagation mode and a C23 propagation mode by measuring an ultrasonic signal propagating from the structure while applying an ultrasonic signal to the structure without knowing the temperature and tension conditions A method for evaluating tensile stress of a structure using ultrasound, characterized in that it comprises a. 제1항에 있어서, 상기 제4 단계는, 소정의 기준 신호를 이용하여, 상기 추출된 C11 전파모드와 상기 C23 전파모드의 시간 지연을 각각 산출하는 단계; 그리고 상기 C23 전파모드의 시간 지연이 0일 때에는, 온도 보정 없이 상기 추출된 C11 전파모드의 시간지연 값에 기초하여 상기 구조물의 장력을 산출하고, 상기 C23 전파모드의 시간 지연이 0이 아닐 때에는, 상기 추출된 C11 전파모드의 시간지연 값에 온도 보상을 실시한 후, 보정된 C11 전파모드의 시간지연 값에 기초하여 상기 구조물의 장력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법.The method of claim 1, wherein the fourth step comprises: calculating time delays of the extracted C11 propagation mode and the C23 propagation mode, respectively, using a predetermined reference signal; And when the time delay of the C23 propagation mode is 0, the tension of the structure is calculated based on the extracted time delay value of the C11 propagation mode without temperature correction, and when the time delay of the C23 propagation mode is not 0, Tensile of the structure using ultrasound, comprising the step of calculating the tension of the structure based on the corrected time delay value of the C11 propagation mode after performing temperature compensation on the extracted time delay value of the C11 propagation mode Stress evaluation method. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 실행가능 프로그램.A computer-executable program stored in a computer-readable recording medium to perform the method for evaluating tensile stress of a structure using ultrasonic waves according to any one of claims 1 to 5. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium in which a computer program for performing the method for evaluating tensile stress of a structure using ultrasonic waves according to any one of claims 1 to 5 is recorded. 초음파 생성에 필요한 가진 신호(Excitation signal)를 생성하는 파형 생성기;
상기 구조물의 표면에 부착되고, 상기 가진 신호를 입력받아 상기 구조물 속으로 초음파 신호를 출력하는 가진 센서;
상기 구조물의 표면에 부착되되 상기 가진 센서와는 상기 구조물의 길이방향으로 소정거리 이격되어 있고, 상기 가진 센서로부터 상기 길이방향으로 전파되는 초음파를 검출하는 제1 초음파 센서;
상기 구조물의 표면에 부착되되 상기 가진 센서와는 상기 구조물의 길이방향과 직교하는 전단방향으로 소정거리 이격되어 있고, 상기 가진 센서로부터 상기 전단방향으로 전파되는 초음파를 검출하는 제2 초음파 센서;
상기 제1 및 제2 초음파 센서가 검출한 아날로그 초음파 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지타이저; 그리고
소정의 연산프로그램을 실행하여, 상기 디지타이저로부터 제공되는 디지털 초음파 신호를 이용하여, 상기 구조물의 온도 보상된 장력을 산출하되, 상기 구조물의 온도 보상된 장력은 상기 구조물에서 전파되는 초음파 신호의 C11 전파모드와 C23 전파모드를 이용하여 산출하도록 구성된 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 시스템.
a waveform generator for generating an excitation signal required for ultrasonic generation;
an excitation sensor attached to the surface of the structure, receiving the excitation signal and outputting an ultrasonic signal into the structure;
a first ultrasonic sensor attached to the surface of the structure and spaced apart from the excitation sensor by a predetermined distance in the longitudinal direction of the structure and configured to detect ultrasonic waves propagating from the excitation sensor in the longitudinal direction;
a second ultrasonic sensor attached to the surface of the structure and spaced apart from the excitation sensor by a predetermined distance in a shear direction orthogonal to the longitudinal direction of the structure and configured to detect ultrasonic waves propagating from the excitation sensor in the shear direction;
a digitizer converting the analog ultrasonic signals detected by the first and second ultrasonic sensors into digital signals; And
Execute a predetermined operation program and calculate the temperature-compensated tension of the structure using the digital ultrasound signal provided from the digitizer, wherein the temperature-compensated tension of the structure is the C11 propagation mode of the ultrasound signal propagated in the structure. and a control unit configured to calculate using the C23 propagation mode.
제8항에 있어서, 상기 가진 센서, 상기 제1 및 제2 초음파 센서는 곡면을 갖는 상기 구조물에도 안정적으로 부착하여 사용할 수 있는 압전 섬유 복합체(Micro Fiber Composite: MFC) 센서인 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 시스템.The ultrasonic wave according to claim 8, wherein the excitation sensor and the first and second ultrasonic sensors are piezoelectric fiber composite (MFC) sensors that can be stably attached and used even on the structure having a curved surface. The tensile stress evaluation system of the used structure. 제8항에 있어서, 상기 파형 생성기와 상기 디지타이저는 상기 제어부에 의해 계측 시작이 트리거링되고, 초음파 생성과 계측을 각각 동시에 수행하기 위하여 서로 간에 시간 동기화를 수립하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 구조물의 인장응력 평가 시스템.The tension of the structure using ultrasound according to claim 8, wherein the waveform generator and the digitizer are triggered to start measurement by the control unit, and time synchronization is established with each other in order to simultaneously perform ultrasound generation and measurement, respectively. Stress rating system.
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