KR20220093886A - 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치 및 방법 - Google Patents

테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치는 제1 혼합광을 테라헤르츠파로 변환하는 발생기, 상기 테라헤르츠파의 방향을 변경하여 교량 케이블 또는 텐던에 조사하는 스캔 헤드, 제2 혼합광 및 상기 교량 케이블 또는 텐던에서 반사된 테라헤르츠파가 입사되고, 상기 제2 혼합광과 상기 반사된 테라헤르츠파에 의한 광전류를 생성하는 검출기, 상기 광전류를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 획득부, 및 상기 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역 데이터를 시간 영역 데이터로 변환하는 연산부를 포함하고, 상기 시간 영역 데이터는 첫 번째 피크와 두 번째 피크를 가지며, 상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비를 기준으로 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극의 유무를 판별한다.

Description

테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR DETECTING DEFECTS IN BRIDGE CABLE AND TENDON USING TERAHERTZ WAVE}
본 발명은 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치 및 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 파장이 고정된 레이저와 파장 훑음 레이저를 이용하여 주파수가 고속으로 변하는 테라헤르츠 연속파를 발생하고 측정하여 교량 케이블 및 텐던의 결함을 탐지할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
테라헤르츠파는 0.1THz 내지 10THz 대역의 전자기파로서 비금속 및 비전도성 물질에서 투과도가 높고, 에너지가 수 meV 수준으로 낮기 때문에 일정한 출력 이하에서는 인체에 무해하다.
교량 케이블 또는 텐던은 플라스틱(또는 폴리머) 피복이 철근과 충진재를 감싸고 있는 구조를 가진다. 플라스틱으로는 보통 PE(polyethylene) 계열이 사용되고, 충진재로는 에폭시 또는 그라우트가 사용된다. 교량 케이블 또는 텐던의 결함으로는 피복과 충진재 사이의 공극(air)이 일반적이다. 이 공극은 보통 교량 케이블 또는 텐던의 상단에 발생한다. 비로 인해 공극에 머무는 수분이 충진재의 크랙(crack)을 통해 철근에 닿아 철근의 부식을 일으킬 수 있다. 따라서 교량 케이블 또는 텐던의 공극 결함을 탐지할 수 있다면 사전에 재해를 방지하고 교량, 고가 등의 사회기반 시설의 안전성 향상에 기여할 수 있다. 하지만, 현재로서는 이 공극의 결함을 탐지하는데 사용할 수 있는 마땅한 기술이 없다.
교량 케이블 및 텐던의 공극 결함의 유무를 탐지하기 위해서는 플라스틱에 투과도가 높고, 플라스틱/충진재 계면과 플라스틱/공기 계면에서 반사율이 현저히 달라야 한다. 초음파는 플라스틱에서 감쇄가 크기 때문에, 초음파 기술은 이 공극 결함 탐지에 부적합하다.
테라헤르츠파는 플라스틱에 투과도가 높고 플라스틱/충진재 계면과 플라스틱/공기 계면에서 반사율이 다르므로, 테라헤르츠파를 이용하는 교량 케이블 및 텐던의 피복과 충진재 사이의 공극 결함 탐지 기술이 유망하다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 테라헤르츠파를 이용하여 교량 케이블 및 텐던의 결함을 탐지할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치는 고정된 제1 파장을 가지는 제1 레이저광을 발진하는 파장 고정 레이저, 한 주기 동안 가변하는 제2 파장을 가지는 제2 레이저광을 발진하는 파장 훑음 레이저, 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 결합하여 혼합광을 형성하고, 상기 혼합광을 제1 혼합광과 제2 혼합광으로 분기하는 커플러, 상기 제1 혼합광을 테라헤르츠파로 변환하는 발생기, 상기 테라헤르츠파의 방향을 변경하여 교량 케이블 또는 텐던에 조사하는 스캔 헤드, 상기 제2 혼합광 및 상기 교량 케이블 또는 텐던에서 반사된 테라헤르츠파가 입사되고, 상기 제2 혼합광과 상기 반사된 테라헤르츠파에 의한 광전류를 생성하는 검출기, 상기 광전류를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 획득부, 및 상기 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역 데이터를 시간 영역 데이터로 변환하는 연산부를 포함하고, 상기 시간 영역 데이터는 첫 번째 피크와 두 번째 피크를 가지며, 상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비를 기준으로 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극의 유무를 판별한다.
상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비가 임계치 이상인 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극이 없는 것으로 판별할 수 있다.
상기 첫 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복의 표면 반사 신호를 나타내고, 상기 두 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복과 충진재 또는 공극의 계면 반사 신호를 나타낼 수 있다.
상기 시간 영역 데이터는 세 번째 피크를 더 포함하고, 상기 연산부는 상기 세 번째 피크가 나타나는 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 상기 공극이 존재하는 것으로 판별할 수 있다.
상기 연산부는 상기 두 번째 피크와 상기 세 번째 피크 사이의 시간 지연으로부터 상기 공극의 깊이를 측정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치는 철근, 상기 철근을 감싸는 피복, 상기 피복과 상기 철근 사이에 채워지는 충진재를 포함하는 교량 케이블 또는 텐던의 외경과 맞물리는 형태의 안착면을 갖는 안착부, 상기 안착부 상에 장착되는 프레임, 상기 프레임 내부에 배치되고 테라헤르츠파의 방향을 x축 방향으로 변경하는 제1 비축포물면 미러, 상기 테라헤르츠파의 방향을 상기 교량 케이블 또는 덴던을 향해 z축 방향으로 변경하는 제2 비축포물면 미러, 상기 제1 비축포물면 미러와 상기 제2 비축포물면 미러 사이에 배치되고, 상기 교량 케이블 또는 덴던에 반사된 테라헤르츠파의 방향을 y축 방향으로 변경하는 빔스플리터, 및 상기 반산된 테라헤르츠파의 방향을 검출기를 향해 x축 방향으로 변경하는 제3 비축포물면 미러를 포함한다.
상기 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치는 상기 검출기에서 생성된 광전류를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 획득부, 및 상기 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역 데이터를 시간 영역 데이터로 변환하는 연산부를 더 포함하고, 상기 시간 영역 데이터는 첫 번째 피크와 두 번째 피크를 가지며, 상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비를 기준으로 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극의 유무를 판별할 수 있다.
상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비가 임계치 이상인 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극이 없는 것으로 판별할 수 있다.
상기 첫 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복의 표면 반사 신호를 나타내고, 상기 두 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복과 충진재 또는 공극의 계면 반사 신호를 나타낼 수 있다.
상기 시간 영역 데이터는 세 번째 피크를 더 포함하고, 상기 연산부는 상기 세 번째 피크가 나타나는 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 상기 공극이 존재하는 것으로 판별할 수 있다.
상기 연산부는 상기 두 번째 피크와 상기 세 번째 피크 사이의 시간 지연으로부터 상기 공극의 깊이를 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 방법은 고정된 제1 파장을 가지는 제1 레이저광을 발진하는 단계, 한 주기 동안 가변하는 제2 파장을 가지는 제2 레이저광을 발진하는 단계, 상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 결합하여 혼합광을 형성하고, 상기 혼합광을 제1 혼합광과 제2 혼합광으로 분기하는 단계, 상기 제1 혼합광을 테라헤르츠파로 변환하는 단계, 상기 테라헤르츠파의 방향을 변경하여 교량 케이블 또는 텐던에 조사하는 단계, 상기 제2 혼합광과 상기 반사된 테라헤르츠파에 의한 광전류를 생성하는 단계, 상기 광전류를 디지털 데이터로 변환하는 단계, 상기 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역 데이터를 첫 번째 피크와 두 번째 피크를 가지는 시간 영역 데이터로 변환하는 단계, 및 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비를 기준으로 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극의 유무를 판별하는 단계를 포함한다.
상기 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 방법은 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비가 임계치 이상인 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극이 없는 것으로 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 첫 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복의 표면 반사 신호를 나타내고, 상기 두 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복과 충진재 또는 공극의 계면 반사 신호를 나타낼 수 있다.
상기 시간 영역 데이터는 세 번째 피크를 더 포함하고, 상기 세 번째 피크가 나타나는 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 상기 공극이 존재하는 것으로 판별하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 두 번째 피크와 상기 세 번째 피크 사이의 시간 지연으로부터 상기 공극의 깊이를 측정할 수 있다.
테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치가 이동형으로 제작되고, 이를 이용하여 교량 케이블 및 텐던의 결함을 직접적으로 실시간으로 탐지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 주파수 영역 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 시간 영역 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 스캔 헤드를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 스캔 헤드를 나타내는 정면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 스캔 헤드를 나타내는 사시도이다.
도 7은 일 실시예에 따른 교량 케이블을 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 성능 시험을 위해 제작된 교량 케이블을 나타내는 사진이다.
도 9는 도 8의 교량 케이블의 단면을 나타내는 사진이다.
도 10 및 11은 교량 케이블에서 공극이 있는 부분에서 측정된 시간 영역 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 12는 교량 케이블에서 공극이 없는 부분에서 측정된 시간 영역 데이터를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치를 나타내는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 주파수 영역 데이터를 나타내는 그래프이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 시간 영역 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치는 파장 고정 레이저(100), 파장 훑음 레이저(200), 커플러(300), 발생기(400), 스캔 헤드(500), 검출기(600), 가변 시간 지연기(610), 증폭기(620), 데이터 획득부(700), 연산부(800) 및 구동부(900)를 포함한다.
파장 고정 레이저(100)는 고정된 제1 파장을 가지는 제1 레이저광을 발진한다. 파장 고정 레이저는 DFB-LD(distributed feedback laser diode)일 수 있다. 제1 파장은 제2 파장의 가변구간의 한계치(최소값 또는 최대값)에 가깝게 고정될 수 있으며, 이에 따라 넓은 주파수 대역의 테라헤르츠 연속파를 얻을 수 있다. 구체적으로는 제2 파장의 가변구간이 1544nm 내지 1561nm일 때, 제1 파장은 1545nm로 고정될 수 있다.
파장 훑음 레이저(200)는 한 주기 동안 고속으로 가변하는 제2 파장을 가지는 제2 레이저광을 발진한다. 제2 파장의 최소 파장과 최대 파장은 각각 1544nm와 1561nm이고, 최소 파장에서 최대 파장으로 가변하는 주기는 10μs 내지 10ms일 수 있다.
구동부(900)는 파장 훑음 반복률과 같은 주파수로 변조된 전압을 파장 훑음 레이저(200)에 인가함으로써, 제2 파장이 기설정된 최소 파장에서 기설정된 최대 파장으로 파장 훑음 반복률의 역수를 주기로 가변하게 할 수 있다. 파장 훑음 레이저(200) 및 파장 고정 레이저(100)의 광출력이 작을 경우, 광출력을 증폭하기 위해 각각의 출력단에 광섬유 증폭기 또는 반도체 광증폭기가 구비될 수 있다.
커플러(300)는 제1 레이저광과 제2 레이저광을 결합하여 혼합광을 형성하고, 혼합광을 제1 혼합광과 제2 혼합광으로 분기할 수 있다.
발생기(400)는 커플러(300)에서 분기된 제1 혼합광을 테라헤르츠파로 변환할 수 있다. 발생기(400)가 포토믹서일 수 있고, 이러한 경우 발생기(400)는 광전도체 및 안테나를 포함할 수 있다. 광전도체는 혼합광을 광전류로 변환하고, 광전류는 안테나를 통하여 테라헤르츠파로 방출될 수 있다. 발생기(400)는 맥놀이 현상을 이용하여 제1 파장(
Figure pat00001
)에 대응하는 주파수(
Figure pat00002
, 여기서 c는 진공에서의 광속)와 제2 파장(
Figure pat00003
)에 대응하는 주파수(
Figure pat00004
)의 차이값에 해당하는 주파수(
Figure pat00005
)를 갖는 테라헤르츠파를 발생시킬 수 있다. 따라서, 고정된 제1 파장과 고속으로 가변되는 제2 파장에 의하여 생성되는 테라헤르츠파의 주파수는 고속으로 가변될 수 있다. 테라헤르츠파의 주파수 스윕 반복률(sweep rate)은 파장 훑음 레이저(200)의 파장 스윕 반복률과 같고, 파장 스윕 반복률의 역수인 파장 스윕 주기에 의존할 수 있다. 스윕 반복률은 수백 Hz 내지 수백 kHz일 수 있다. 제2 파장의 스윕 주기가 1ms이면 스윕 반복률은 1kHz 일 수 있다.
스캔 헤드(500)는 발생기(400)에서 생성된 테라헤르츠파의 방향을 변경하고, 콜리매이션(collimation) 및 집광(focusing)을 통해서 교량 케이블 또는 텐던에 테라헤르츠파를 조사하고, 교량 케이블 또는 텐던에서 반사된 테라헤르츠파를 검출기(600)에 입사시킨다. 스캔 헤드(500)의 구체적인 구조에 대해서는 도 4 내지 6에서 후술한다.
검출기(600)에는 커플러(300)에서 분기된 제2 혼합광과 교량 케이블 또는 텐던에서 반사된 테라헤르츠파가 입사된다. 검출기(600)는 제2 혼합광과 테라헤르츠파에 의한 광전류를 생성한다. 제2 혼합광에 의해서 여기되는 포토캐리어(photocarrier)가 테라헤르츠파의 전기장에 의해 바이어스되어 광전류가 생성될 수 있다.
커플러(300)로부터 검출기(600)에 이르는 두 광경로의 길이 차이 때문에 시간지연이 과도하게 커질 수 있고, 이러한 경우 검출기(600)에서 제2 혼합광과 테라헤르츠파 사이의 가간섭성이 저하될 수 있다. 가변 시간 지연기(610)는 제2 혼합광을 시간 지연하여 검출기(600)에서 제2 혼합광과 테라헤르츠파 사이의 가간섭성이 유지되도록 한다. 실시예에 따라 가변 시간 지연기(610)는 제1 혼합광을 시간 지연할 수도 있다.
제1 혼합광 또는 제2 혼합광을 시간 지연시킬 수 있는 가변 시간 지연기(610)를 사용하여 시간 지연을 적절히 조절함으로써, 검출기(600)에서 테라헤르츠파와 제2 혼합광 사이의 가간섭성을 유지할 수 있다.
증폭기(620)는 검출기(600)로부터 출력되는 광전류를 증폭하여 데이터 획득부(700)로 전달할 수 있다.
데이터 획득부(700)는 구동부(900)에서 제공되는 파장 훑음 반복률과 동일한 주파수의 동기 신호에 의해 트리거되어 한 주기 동안 광전류를 디지털 데이터로 변환하여 획득한다. 데이터 획득부(700)는 획득한 데이터를 연산부(800)에게 제공한다. 이때, 한 주기는 100Hz 이상의 파장 훑음 반복률의 역수일 수 있다. 한편, 데이터 획득부(700)는 한 주기 동안 디지털 데이터를 획득하는 것을 기설정된 회수만큼 반복해서 연산부(800)에 제공할 수 있고, 상기 연산부(800)는 신호대잡음비를 개선하기 위해서 제공된 디지털 데이터를 평균한 값을 교량 케이블 또는 텐던의 결함을 탐지하는데 이용할 수 있다.
연산부(800)는 데이터 획득부(700)가 획득한 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환할 수 있다. 이를 위해 파장 훑음 레이저(200)의 제2 파장에 대해서 한 주기 동안 시간에 따른 변화를 미리 측정해야 한다. 파브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 또는 마하젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 사용하여 파장 훑음 레이저(200)의 제2 파장에 대해서 한 주기 동안 시간에 따른 변화(
Figure pat00006
)를 측정할 수 있다. 이렇게 미리 측정한 제2 파장의 한 주기 동안 시간에 따른 변화를 이용하여 테라헤르츠파의 주파수의 한 주기 동안 시간에 따른 변화(
Figure pat00007
)를 알아낼 수 있다. 연산부(800)는 테라헤르츠파 주파수의 한 주기 동안 시간에 따른 변화를 이용하여 디지털 데이터(
Figure pat00008
)를 주파수 영역 데이터 (
Figure pat00009
)로 변환할 수 있으며, 주파수 영역 데이터는 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
또한, 연산부(800)는 주파수 영역 데이터를 고속푸리에변환(FFT)하여 시간 영역 데이터(
Figure pat00010
)를 생성할 수 있으며, 시간 영역 데이터는 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 연산부(800)는 시간 영역 데이터에 근거하여 교량 케이블 또는 텐던의 결함을 탐지할 수 있다. 시간 영역 데이터에 근거하여 교량 케이블 또는 텐던의 결함을 탐지하는 방법에 대해서는 도 10 내지 12에서 후술한다.
연산부(800)는 테라헤르츠파가 교량 케이블 또는 텐던에서 반사되어 측정된 시간 영역 데이터에서 테라헤르츠파가 피복의 표면에서 반사되는 신호의 크기(A1) 및 테라헤르츠파가 피복과 충진재 또는 공기의 계면에서 반사되는 신호의 크기(A2)를 알아내고, 두 신호의 크기의 비(A2/A1)를 이용하여 피복 아래에 공극(공기)의 유무를 판별할 수 있다.
수학식 1은 테라헤르츠파가 피복의 표면에서 반사되는 신호의 크기(A1)를 나타내고, 수학식 2는 테라헤르츠파가 피복과 충진재 또는 공기의 계면에서 반사되는 신호의 크기(A2)를 나타내며, 수학식 3은 두 신호의 크기의 비(A2/A1)를 나타낸다.
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
여기서, A0 는 교량 케이블 또는 텐던에 입사하는 테라헤르츠파의 신호 크기, n0 은 공기의 굴절률, n1은 피복의 굴절률, n2는 충진재 또는 공기의 굴절률, α는 피복의 감쇄율이다.
n2가 충진재의 굴절률일 경우와 공기의 굴절률일 경우에 A2/A1 값이 다르므로, 연산부(800)는 이를 이용하여 공극의 유무를 판별할 수 있다. 연산부(800)는 시간 영역 데이터에서 첫 번째 피크와 두 번째 피크의 크기 비를 기준으로 교량 케이블 또는 텐던에 공극의 유무를 판별할 수 있으며, 이에 대해서는 도 10 내지 12에서 후술한다.
이하, 도 4 내지 6을 참조하여 스캔 헤드(500)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 스캔 헤드를 나타내는 평면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 스캔 헤드를 나타내는 정면도이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 스캔 헤드를 나타내는 사시도이다.
도 2 내지 4를 참조하면, 스캔 헤드(500)는 복수의 비축포물면 미러(off-axis parabolic mirror)(510, 520, 530), 빔스플리터(540), 프레임(550), 손잡이(560), 안착부(570)를 포함할 수 있다. 프레임(550) 내부에 복수의 비축포물면 미러(510, 520, 530)와 빔스플리터(540)가 배치되고, 프레임(550) 외부에 손잡이(560)와 안착부(570)가 장착될 수 있다.
손잡이(560)는 프레임(550)의 양측에 장착되어, 사용자가 양측 손잡이(560)를 잡고 스캔 헤드(500)를 이동시킬 수 있도록 한다.
안착부(570)는 교량 케이블 또는 텐던(1000)의 외경과 맞물리는 형태의 안착면을 가지며, 안착면이 교량 케이블 또는 텐던(1000)과 접촉한다. 즉, 스캔 헤드(500)는 안착부(570)에 의해 교량 케이블 또는 텐던(1000)의 외부면과 접촉할 수 있다. 안착부(570)의 안착면의 단면은 오목한 반원 형태를 가질 수 있다. 안착부(570) 상에 프레임(550)이 장착되고, 안착부(570)의 하부면이 안착면이 될 수 있다. 이러한 구조에 의해, 스캔 헤드(500)는 x축 방향으로 연장되는 교량 케이블 또는 텐던(1000) 위에 위치하여 x축 방향으로 이동하거나 원주 방향으로 이동할 수 있다.
즉, 스캔 헤드(500)는 교량 케이블 또는 텐던(1000)을 따라 이동 가능한 이동형 탐지 장치이고, 안착부(570)는 스캔 헤드(500)의 이동을 가이드할 수 있다. 프레임(550) 및 손잡이(560)는 알루미늄으로 제작되고, 안착부(570)는 플라스틱 계열로 제작되어 스캔 헤드(500)는 경량화될 수 있다.
제1 비축포물면 미러(510)는 발생기(400)에서 생성된 테라헤르츠파의 방향을 제2 비축포물면 미러(520)를 향해 x축 방향으로 변경한다.
제2 비축포물면 미러(520)는 입사되는 테라헤르츠파의 방향을 교량 케이블 또는 텐던(1000)을 향해 z축 방향으로 변경한다. 이때, 제2 비축포물면 미러(520)의 아래의 프레임(550)의 하부와 안착부(570)에는 테라헤르츠파를 통과시키기 위한 관통홀(551)이 형성되어 있을 수 있다. 테라헤르츠파는 관통홀(551)을 통해 교량 케이블 또는 텐던(1000)에 조사되고, 교량 케이블 또는 텐던(1000)에 반사된 테라헤르츠파가 제2 비축포물면 미러(520)로 되돌아온다. 제2 비축포물면 미러(520)는 반사된 테라헤르츠파를 빔스플리터(540)를 향해 x축 방향으로 반사한다.
빔스플리터(540)는 제1 비축포물면 미러(510)와 제2 비축포물면 미러(520) 사이에 배치되고, 반사된 테라헤르츠파의 방향을 제3 비축포물면 미러(530)를 향해 y축 방향으로 변경한다. 빔스플리터(540)는 알루미늄 링에 수 ㎛ 두께의 저밀도 폴리에틸렌(Low-density polyethylene, LDPE) 랩을 부착하고 은(Ag) 페인트를 코팅하여 제작될 수 있다.
제3 비축포물면 미러(530)는 반사된 테라헤르츠파의 방향을 검출기(600)를 향해 x축 방향으로 변경하여 테라헤르츠파를 검출기(600)에 입사시킨다.
이제, 도 7을 참조하여 교량 케이블 또는 텐던(1000)에 대하여 설명한다.
도 7은 일 실시예에 따른 교량 케이블을 나타내는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 교량 케이블 또는 텐던(1000)은 피복(1100), 충진재(1200) 및 철근(1300)을 포함한다. 피복(1100)은 PE(polyethylene) 계열의 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 충진재(1200)는 에폭시(epoxy) 또는 그라우트(grout)를 포함할 수 있다.
피복(1100)이 철근(1300)을 감싸고, 피복(1100)과 철근(1300) 사이에 충진재(1200)가 채워진다. 충진재(1200)가 채워지는 과정에서 피복과 충진재 사이의 공극이 발생할 수 있다. 공극은 주로 피복(1100) 내부에서 상단 부분에 발생한다.
스캔 헤드(500)가 교량 케이블 또는 텐던(1000) 위에 위치하여 교량 케이블 또는 텐던(1000)이 연장되는 방향으로 이동하면서 공극을 탐지할 수 있도록 구성되므로, 피복(1100) 내부에서 상단 부분에 발생하는 공극을 정확하게 탐지할 수 있다. 뿐만 아니라, 스캔 헤드(500)는 교량 케이블 또는 텐던(100)의 원주 방향으로 이동하면서 공극을 탐지할 수 있으므로, 교량 케이블 또는 텐던(1000)의 둘레 부분에서 발생할 수 있는 공극도 탐지할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치를 이용하여 교량 케이블의 결함을 탐지하는 방법에 대하여 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 성능 시험을 위해 제작된 교량 케이블을 나타내는 사진이다. 도 9는 도 8의 교량 케이블의 단면을 나타내는 사진이다.
도 8 및 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치의 성능 시험을 위한 실험체로서 교량 케이블(1000)을 제작하였다. 교량 케이블(1000)은 외경 110mm와 내경 100mm의 고밀도 폴리에틸렌(High density polyethylene, HDPE) 피복(1100) 내부에 철근(1300)을 넣고 충진재(1200)로 그라우트를 주입하여 제작되었다. 도 9의 우측 사진에서 피복(1100) 내부의 윗부분에 피복(1100)과 충진재(1200) 사이에 공극이 존재함을 명확히 볼 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치로 이러한 교량 케이블(1000)을 탐지한 결과가 도 10 내지 12이다.
도 10 및 11은 교량 케이블에서 공극이 있는 부분에서 측정된 시간 영역 데이터를 나타내는 그래프이다. 도 12는 교량 케이블에서 공극이 없는 부분에서 측정된 시간 영역 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 시간 영역 데이터는 시간 지연 축(가로축)에 따른 첫 번째 피크와 두 번째 피크를 갖는다. 시간 지연 축(가로축)에 따른 첫 번째 피크는 피복(1100)의 표면 반사 신호를 나타내고 두 번째 피크는 피복(1100)과 공극의 계면 반사 신호를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 시간 영역 데이터는 시간 지연 축(가로축)에 따른 세 번째 피크를 더 포함할 수 있다. 시간 지연 축(가로축)에 따른 세 번째 피크는 도 10에서 보이지 않는 신호이고, 세 번째 피크는 공극과 충진재(1200)의 계면 반사 신호를 나타낸다. 공극과 충진재(1200)의 계면이 교량 케이블(1000)에 입사되는 테라헤르츠파와 수직인 경우에만 반사 신호가 측정되므로 세 번째 피크는 나타날 수도 있고 나타나지 않을 수도 있다. 두 번째 피크와 세 번째 피크 사이의 시간 지연으로부터 공극의 깊이가 3.25mm 임을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 시간 지연 축(가로축)에 따른 두 번째 피크는 피복(1100)과 충진재(1200)의 계면 반사 신호이고, 도 10의 두 번째 피크와 비교하여 크기가 휠씬 큰 것을 볼 수 있다. 반사율은 계면을 이루는 두 물질의 굴절률에 의해 결정되는데, 피복(1100)과 공극의 계면 반사율보다 피복(1100)과 충진재(1200)의 계면 반사율이 더 크기 때문이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치로 측정한 시간 영역 데이터에서 첫 번째 피크와 두 번째 피크의 크기 비가 임계치 이상인 경우 공극이 없는 것으로 판별하고, 첫 번째 피크와 두 번째 피크의 크기 비가 임계치보다 작은 경우 교량 케이블 또는 텐던(1000)에 공극이 존재하는 것으로 판별할 수 있다.
또한, 시간 영역 데이터에서 세 번째 피크가 나타나는 경우 교량 케이블 또는 텐던(1000)에 공극이 존재하는 것으로 판별할 수 있고, 두 번째 피크와 세 번째 피크 사이의 시간 지연으로부터 공극의 깊이를 측정할 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 파장 고정 레이저 200: 파장 훑은 레이저
300: 커플러 400: 발생기
500: 스캔 헤드 510: 제1 비축포물면 미러
520: 제2 비축포물면 미러 530: 제3 비축포물면 미러
540: 빔스플리터 550: 프레임
551: 관통홀 560: 손잡이
570: 안착부 600: 검출기
610: 가변 시간 지연기 620: 증폭기
700: 데이터 획득부 800: 연산부
900: 구동부 1000: 교량 케이블 또는 텐던
1100: 피복 1200: 충진재
1300: 철근

Claims (16)

  1. 고정된 제1 파장을 가지는 제1 레이저광을 발진하는 파장 고정 레이저;
    한 주기 동안 가변하는 제2 파장을 가지는 제2 레이저광을 발진하는 파장 훑음 레이저;
    상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 결합하여 혼합광을 형성하고, 상기 혼합광을 제1 혼합광과 제2 혼합광으로 분기하는 커플러;
    상기 제1 혼합광을 테라헤르츠파로 변환하는 발생기;
    상기 테라헤르츠파의 방향을 변경하여 교량 케이블 또는 텐던에 조사하는 스캔 헤드;
    상기 제2 혼합광 및 상기 교량 케이블 또는 텐던에서 반사된 테라헤르츠파가 입사되고, 상기 제2 혼합광과 상기 반사된 테라헤르츠파에 의한 광전류를 생성하는 검출기;
    상기 광전류를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 획득부; 및
    상기 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역 데이터를 시간 영역 데이터로 변환하는 연산부를 포함하고,
    상기 시간 영역 데이터는 첫 번째 피크와 두 번째 피크를 가지며,
    상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비를 기준으로 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극의 유무를 판별하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비가 임계치 이상인 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극이 없는 것으로 판별하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 첫 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복의 표면 반사 신호를 나타내고, 상기 두 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복과 충진재 또는 공극의 계면 반사 신호를 나타내는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 시간 영역 데이터는 세 번째 피크를 더 포함하고,
    상기 연산부는 상기 세 번째 피크가 나타나는 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 상기 공극이 존재하는 것으로 판별하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 두 번째 피크와 상기 세 번째 피크 사이의 시간 지연으로부터 상기 공극의 깊이를 측정하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  6. 철근, 상기 철근을 감싸는 피복, 상기 피복과 상기 철근 사이에 채워지는 충진재를 포함하는 교량 케이블 또는 텐던의 외경과 맞물리는 형태의 안착면을 갖는 안착부;
    상기 안착부 상에 장착되는 프레임;
    상기 프레임 내부에 배치되고 테라헤르츠파의 방향을 x축 방향으로 변경하는 제1 비축포물면 미러;
    상기 테라헤르츠파의 방향을 상기 교량 케이블 또는 덴던을 향해 z축 방향으로 변경하는 제2 비축포물면 미러;
    상기 제1 비축포물면 미러와 상기 제2 비축포물면 미러 사이에 배치되고, 상기 교량 케이블 또는 덴던에 반사된 테라헤르츠파의 방향을 y축 방향으로 변경하는 빔스플리터; 및
    상기 반산된 테라헤르츠파의 방향을 검출기를 향해 x축 방향으로 변경하는 제3 비축포물면 미러를 포함하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 검출기에서 생성된 광전류를 디지털 데이터로 변환하는 데이터 획득부; 및
    상기 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역 데이터를 시간 영역 데이터로 변환하는 연산부를 더 포함하고,
    상기 시간 영역 데이터는 첫 번째 피크와 두 번째 피크를 가지며,
    상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비를 기준으로 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극의 유무를 판별하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비가 임계치 이상인 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극이 없는 것으로 판별하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 첫 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복의 표면 반사 신호를 나타내고, 상기 두 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복과 충진재 또는 공극의 계면 반사 신호를 나타내는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 시간 영역 데이터는 세 번째 피크를 더 포함하고,
    상기 연산부는 상기 세 번째 피크가 나타나는 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 상기 공극이 존재하는 것으로 판별하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 두 번째 피크와 상기 세 번째 피크 사이의 시간 지연으로부터 상기 공극의 깊이를 측정하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 장치.
  12. 고정된 제1 파장을 가지는 제1 레이저광을 발진하는 단계;
    한 주기 동안 가변하는 제2 파장을 가지는 제2 레이저광을 발진하는 단계;
    상기 제1 레이저광과 상기 제2 레이저광을 결합하여 혼합광을 형성하고, 상기 혼합광을 제1 혼합광과 제2 혼합광으로 분기하는 단계;
    상기 제1 혼합광을 테라헤르츠파로 변환하는 단계;
    상기 테라헤르츠파의 방향을 변경하여 교량 케이블 또는 텐던에 조사하는 단계;
    상기 제2 혼합광과 상기 반사된 테라헤르츠파에 의한 광전류를 생성하는 단계;
    상기 광전류를 디지털 데이터로 변환하는 단계;
    상기 디지털 데이터를 주파수 영역 데이터로 변환하고, 상기 주파수 영역 데이터를 첫 번째 피크와 두 번째 피크를 가지는 시간 영역 데이터로 변환하는 단계; 및
    상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비를 기준으로 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극의 유무를 판별하는 단계를 포함하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 첫 번째 피크와 상기 두 번째 피크의 크기 비가 임계치 이상인 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 공극이 없는 것으로 판별하는 단계를 더 포함하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 첫 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복의 표면 반사 신호를 나타내고, 상기 두 번째 피크는 상기 교량 케이블 또는 텐던의 피복과 충진재 또는 공극의 계면 반사 신호를 나타내는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 방법.
  15. 제12 항에 있어서,
    상기 시간 영역 데이터는 세 번째 피크를 더 포함하고,
    상기 세 번째 피크가 나타나는 경우 상기 교량 케이블 또는 텐던에 상기 공극이 존재하는 것으로 판별하는 단계를 더 포함하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 두 번째 피크와 상기 세 번째 피크 사이의 시간 지연으로부터 상기 공극의 깊이를 측정하는 테라헤르츠파를 이용한 교량 케이블 및 텐던의 결함 탐지 방법.
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