WO2014178518A1 - 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치 및 그를 이용한 안전진단 방법 - Google Patents

비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치 및 그를 이용한 안전진단 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a wireless diagnostic apparatus for a structure, and more particularly, to a wireless diagnostic apparatus for a structure using a nonlinear ultrasonic modulation technique that accurately detects whether a structure is damaged by a linear signal cancellation technique and a first sideband spectrogram generation technique. It is about.
  • the safety diagnosis management system of such infrastructure is generally performed through the non-destructive inspection of the inspector who has the safety inspection certificate.
  • these safety diagnosis tests are performed regularly, so it is difficult to detect damage immediately, the structure is stopped during the inspection, and the inspection costs including labor costs are high because it must be inspected by the naked eye.
  • about 90% of damage to metal structures is caused by fatigue cracks. Fatigue cracks start at an invisible size and reach 80% of the total fatigue crack life. . There is a problem that the fatigue crack is increased and the cost of repairing it increases.
  • Korean Registered Patent No. 0784582 (registered on December 04, 2007) has a technique for a damage measuring apparatus and method of a structure using piezoelectric elements, but there is a problem in that the presence of cracks is not accurately detected when the power supply is weak.
  • a first sideband spectrogram is generated by extracting a first modulated signal by a linear signal cancellation technique and a synchronous demodulation technique, changing the ultrasonic frequency, and combining the extracted first modulated signals.
  • Safety diagnosis method for a structure using a non-linear ultrasonic modulation technique for solving the above problems, the step of vibrating the structure by applying all signals of different frequencies, the response of the structure caused by the vibration Converting to a signal, removing harmonic response and linear response of the frequency signals from the digital signal, and synchronizing demodulating to extract a first modulated signal, extracting first modulated signals by varying the frequency of the signals of different frequencies Combining the first modulated signals to produce a first sideband spectrogram (FSS) and diagnosing a crack of the structure from the first sideband spectrogram.
  • FSS sideband spectrogram
  • the fatigue crack measurement method of the structure using the nonlinear ultrasonic modulation technique applying the ultrasonic wave of one of the two different frequency ultrasonic waves to the inside of the concentric dual piezoelectric transducer attached to the structure And vibrating the structure by applying another ultrasonic wave to the outside of the concentric dual piezoelectric transducer, converting a response generated in the structure by the vibration into a first digital signal, and only the one ultrasonic wave.
  • the fatigue crack measurement system of a structure using the nonlinear ultrasonic modulation technique according to the present invention includes a high frequency generator for generating high frequency ultrasonic waves according to a first control signal, and a low frequency ultrasonic wave according to a second control signal.
  • a low-frequency generating unit for generating a first piezoelectric transducer attached to the structure to apply the low-frequency ultrasonic waves to the structure, A second piezoelectric transducer attached to the structure to apply the ultrasonic waves of the high frequency to the structure, the ultrasonic waves
  • a third piezoelectric transducer for converting the response of the structure generated by the electronic signal into an electrical signal, a digitizer for converting the output of the third piezoelectric transducer into a digital signal, and controlling activation timing of the first control signal and the second control signal. Eliminates Linear Responses and Harmonic Responses from the Controls and the Digitizer Output
  • the high-synchronous demodulation is characterized in that it comprises a digital signal processing unit for outputting information fatigue cracking of the structure.
  • a wireless diagnostic apparatus for a structure using a nonlinear ultrasonic modulation technique includes a frequency generator for outputting a pumping signal and a probe signal of different frequencies, the pumping signal and the probe signal structure A piezoelectric transducer for applying vibration to and outputting the response of the structure as an electrical signal, a digitizer for converting the output of the piezoelectric transducer to a digital signal, and linearly removing and synchronous demodulating the output of the digitizer to form a primary modulated signal. And a digital signal processor for extracting the first sideband spectrogram and a wireless transmitter for wirelessly transmitting the first sideband spectrogram.
  • the present invention can detect damage without stopping the structure, it is possible to detect from the beginning of the fatigue crack and to prevent the cracking of the structure in advance by transmitting the diagnostic results to the remote inspection system in advance. Can be.
  • the inspection cost due to the input of manpower can be greatly reduced.
  • the frequency is found to accurately determine the presence of damage, and the damage is diagnosed by excitation of the ultrasonic waves of the frequency to the structure, so that the voltage level of the applied ultrasonic waves Compared to the small size, it is possible to precisely determine whether there is any damage, thereby greatly reducing the power consumption of the diagnostic apparatus.
  • the present invention can detect from the beginning of the fatigue crack, and can prevent the cracks to increase in advance, it is possible to extend the life of social infrastructure, aircraft and rail vehicles, and ensure the safety of these facilities.
  • the present invention enables precise diagnosis even at low power supply, and can reduce the size of the diagnostic sensor. Therefore, it can be widely used without being limited by the size of the diagnostic sensor.
  • 1 is a frequency response characteristics according to the presence or absence of damage to the structure.
  • Figure 2 is a mockup of a fitting-lug structure connecting the fuselage and the wing of the aircraft used in the present invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a wireless diagnostic apparatus for a structure using a nonlinear ultrasonic modulation technique according to the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a measurement system for performing a safety diagnosis experiment of the structure according to the present invention.
  • 5 is an output characteristic according to the damage of the signal processing technique and the structure according to the present invention.
  • FIG. 8 is a view for explaining a linear signal removal processing method according to the present invention.
  • the present invention utilizes damage diagnosis by detecting nonlinearity generated in a structure due to damage.
  • the modulation component detected by the structure by irradiating ultrasonic waves of different frequencies to the structure is linear response subtraction (hereinafter, referred to as "LRS").
  • LRS linear response subtraction
  • Structure damage by generating FSS by means of "” synchronous demodulation (“SD”) and first sideband spectrogram (“FSS”) generation techniques.
  • FIG. 1 (a) and 1 (b) show the frequency characteristics according to the damage of the structure, as shown in Figure 1 (a), when there is no fatigue damage (fatigue damage) to the metal structure to the ultrasonic wave to the structure When irradiated, the frequency response is measured only at the signals of both ultrasonic frequencies.
  • FIG. 1 (b) when the metal structure has fatigue damage, the damage region has a local nonlinearity, and thus, harmonics and modulation of the ultrasonic frequency component when ultrasonic waves pass through the damage region. ) Occurs.
  • the present invention excites two ultrasonic waves of different frequencies to a structure, extracts a first modulation component from a signal response generated from a damaged region by a linear signal cancellation technique and a synchronous demodulation technique, and then applies the ultrasonic waves to a variable frequency of the ultrasonic waves.
  • a first sideband spectrogram is generated by combining primary modulation components having different values according to the present invention, and the fatigue damage of the structure is diagnosed from the first sideband spectrogram.
  • the present invention is a test result of a physical model of a fitting-lug structure connecting the fuselage and the wing of an aircraft.
  • 2 (a) and 2 (b) are fitting lugs used in the experiment
  • FIG. 2 (c) is a cyclic load test for fatigue damage simulation.
  • a concentric double piezoelectric transducer is attached to the fitting lug.
  • the low frequency pumping signal is applied to the piezoelectric transducer of the outer portion of the concentric dual piezoelectric transducer ACT
  • the high frequency probe signal is the second piezoelectric transducer 4 of the inner portion of the concentric dual piezoelectric transducer ACT.
  • Figure 2 (c) is a model in which the specimen is installed on the equipment that can apply a cyclic load corresponding to the actual flight time of 1000 hours
  • Figure 2 (d) is a fatigue damage of about 40 mm length by the cyclic load The generated specimen is shown.
  • FIG. 3 illustrates a wireless diagnostic apparatus 20 using a nonlinear ultrasonic modulation technique according to the present invention, and may diagnose fatigue cracks such as the structure shown in FIG. 2.
  • the piezoelectric transducer unit 22 which vibrates the structure and senses the ultrasonic waves from the structure, and the digitizer, LRS, and SD which convert the output of the piezoelectric transducer unit 22 into digital signals, extracts a primary modulation component, and ultrasonics
  • a digital signal processor for generating a first sideband spectrogram from the combination of the primary modulation components extracted by varying the frequency of the signals, diagnosing the presence of cracks from the first sideband spectrogram, and wirelessly transmitting the diagnosis result to an inspector or an inspection system. 23).
  • high frequency is an ultrasonic wave of 80 kHz to 110 kHz and is called a probing signal.
  • Low frequency is an ultrasonic wave of 10 kHz to 20 kHz and is called a pumping signal.
  • the low frequency generator 28 generates a low frequency pumping signal according to the first control signal ctrl1.
  • the pumped signal is a sine wave of 16.5 kHz, 12V.
  • the high frequency generator 29 generates a probe signal having a high frequency according to the second control signal ctrl2.
  • the probe signal is a 12V linear chirp signal with a frequency band of 80 kHz to 110 kHz.
  • the low frequency generator 28 and the high frequency generator 29 may be implemented by a digital analog converter.
  • the low frequency generator 28 and the high frequency generator 29 may further include a filter and an amplifier.
  • the piezoelectric transducer unit 22 includes a first piezoelectric transducer 3 having the low frequency signal in the structure, and a second piezoelectric transducer 4 having the high frequency signal in the structure. And a third piezoelectric transducer 5 for outputting the response of the structure by the low frequency and the high frequency as an electric signal.
  • the first piezoelectric transducer 3 and the second piezoelectric transducer 4 are attached to the structure to apply ultrasonic waves of different frequencies to the structure and cause vibration, and FIGS. 2 (a), 2 (b) and 2 (d). It can be implemented using the concentric double piezoelectric transducer shown in Fig. 2).
  • the concentric dual piezoelectric transducer is composed of two piezoelectric transducers having the same center, one (first piezoelectric transducer 3) is a circular sensor at the center, and the other (second piezoelectric transducer 4) is a predetermined distance from the circular sensor. It is a ring-shaped sensor formed spaced apart. Referring to FIG.
  • the first piezoelectric transducer 3 receives a low frequency signal through the first input terminal 31, and the second piezoelectric transducer 4 transmits a high frequency signal to the second input terminal ( 32).
  • the concentric dual piezoelectric transducer is used, the same effects as those applied at the same position are obtained even when ultrasonic waves are applied at different positions.
  • the third piezoelectric transducer 5 is attached to the structure 7 to convert the response generated in the structure 7 by vibration to an electrical signal.
  • the digitizer 6 measures the output of the third piezoelectric transducer 5 according to the third control signal ctrl3 and converts the output of the third piezoelectric transducer 5 in the form of an analog signal into a digital signal.
  • the digitizer 6 may be implemented as an analog to digital converter.
  • the outputs of the high frequency generator 29 and the low frequency generator 28 are applied to the first piezoelectric transducer 3 and the second piezoelectric transducer 4, and the output of the third piezoelectric transducer 5 Is applied to the digitizer 6.
  • the high frequency generator 29, the low frequency generator 28, the digitizer 6, and the piezoelectric transducers 3, 4, and 5 are connected by a cable or a transmission line.
  • the digital signal processor 23 extracts a primary modulated signal by performing linear signal removal processing and synchronous demodulation processing from the response generated in the structure by the frequency signals, and generates an FSS to determine whether the structure is damaged or not, and to diagnose the diagnosis. The results are sent to a remotely located safety inspector or inspection system.
  • the digital signal processor 23 includes a linear signal remover 16, a synchronization demodulator 17, an FSS generator 18, and a wireless transmitter 19.
  • the linear signal cancellation technique is a unique signal processing technique that subtracts the response of the structure when the pumping signal and the probe signal are separately excited from the response of the structure when the pumping signal and the probe signal are simultaneously excited.
  • the linear signal cancellation technique is described in detail below.
  • the third piezoelectric transducer 5 converts the response of the structure generated by simultaneously bringing the pumping signal and the probe signal to the structure into an analog electric signal, and the digitizer 6 converts the analog electric signal into a first digital signal.
  • the third piezoelectric transducer 5 and the digitizer 6 have a second digital response. Convert to a signal.
  • the third piezoelectric transducer 5 and the digitizer 6 then convert the response of the generated structure with only the probe signal to the structure 7 into a third digital signal.
  • the linear signal removing unit 16 removes the second digital signal and the third digital signal from the first digital signal.
  • the linear signal removing unit 16 may extract only a sideband signal from the output of the digitizer.
  • the linear signal remover 16 may generate a linear response u (1) from signals of the entire frequency band from the output signal u T from the structure as shown in Equation 1 below.
  • the linear signal removing unit 16 may apply an equation (2) to extract the sideband signal from which an error occurring in an actual situation is removed by performing LRS.
  • the signal u (3) according to Equation 1 is a theoretically possible linear signal canceled value, and the signal of Equation 2 ) Is a linear signal removal process considering the errors occurring in the actual situation.
  • the synchronous demodulator 17 synchronous demodulates the output of the linear signal remover 16.
  • the synchronous demodulation technique is a signal processing technique used in general communication.
  • the control unit 24 varies the output frequencies of the low frequency generator 28 and the high frequency generator 29, so that both low and high frequencies are applied to the structure, only low frequencies are applied, or only high frequencies are applied.
  • the signal output timing of the generator 28 and the high frequency generator 29 is controlled.
  • the controller 24 selects a frequency for outputting the largest value of the first modulated signal from the first sideband spectrogram and sets the frequency of the pumping signal and the probe signal.
  • the FSS generator 18 receives the output signal of the synchronous demodulator 17 according to the frequency variation of the high frequency and the low frequency according to the fourth control signal ctrl4 and extracts only the primary modulated signal to generate the FSS.
  • the controller 24 varies the output frequencies of the low frequency generator 28 and the high frequency generator 29, the FSS is generated from the primary modulation components extracted from the synchronization demodulator 17 according to the changed frequency.
  • Unit 18 combines to produce a first sideband spectrogram.
  • the wireless transmitter 19 wirelessly transmits the output of the FSS generator 18 to an inspector or an inspection system at a remote location so that the inspector can immediately determine whether the structure is fatigue cracked.
  • the wireless transmission unit 19 is a wireless communication such as code division multiple access (CDMA), zigbee, Bluetooth, Wi-Fi, wireless broadband internet, WiMAX (world interoperability for microwave access) The data is transmitted by the method.
  • CDMA code division multiple access
  • zigbee Bluetooth
  • Wi-Fi wireless broadband internet
  • WiMAX world interoperability for microwave access
  • FIG. 5 illustrates output characteristics of the digitizer 6, the linear signal remover 16, and the synchronous demodulator 17 according to the LRS and SD signal processing technique and the structure damage according to the present invention.
  • 5 (a) and 5 (b) are the results of analyzing the signal output from the damaged structure and the structure without damage (output of the digitizer 6) in the time-frequency band, a large difference depending on the presence of damage Therefore, it is impossible to determine the damage only by the signal output from the structure.
  • 5 (c) and 5 (d) show the results of analyzing the LRS-processed signal in the time-frequency domain of the output of the digitizer 6 in the linear signal remover 16, and the linear signal remover 16
  • the primary modulated signal is generated from the damaged structure (FIG. 5 (d)) and the primary modulated signal is not generated from the undamaged structure (FIG. 5 (c)).
  • 5 (e) and 5 (f) are signals obtained by extracting only the primary modulated signal from the output of the digitizer 6 by applying a synchronous demodulation technique after the LRS technique to the response of the structure. Since the modulated signal is generated only when the damage occurs in the synchronous demodulator 17, the damage of the structure can be detected by the presence or absence of the modulated signal.
  • the present invention fixes the frequency of the probe signal, measures the output signal of the digitizer while changing the frequency of the pumping signal, extracts only the primary modulation component by LRS and synchronous demodulation of the measured signal, and extracts the primary modulation component for each frequency. Combine to generate the FSS.
  • FIG. 4 is a measurement system for performing a safety diagnosis experiment of a structure according to another embodiment of the present invention, a plurality of piezoelectric transducers (12, 13) attached to output the response of the structure than the piezoelectric transducer, It is a configuration to test the presence of error of the measurement result according to the position attached to the structure.
  • the piezoelectric transducer for detecting damage to the structure is attached to two different locations. Differences in the measurement results according to the positions of the two piezoelectric transducers 12 and 13 are analyzed to be insignificant with reference to FIGS. 6 and 7. Descriptions of the configuration after the digitizer 14 (linear signal removal unit, synchronization demodulation unit, FSS generation unit, and wireless transmission unit) are the same as those shown in FIG.
  • FIG. 6 illustrates a first sideband spectrogram generated by continuously changing the frequency of the pumped signal from 10 to 20 kHz and the probe signal from 80 kHz to 110 kHz.
  • 6 (a) and 6 (c) show the measurement results of the measurement system shown in FIG. 4, and the digitizer 14 from the sixth piezoelectric transducer 12 and the seventh piezoelectric transducer 13 when there is no damage to the structure.
  • the frequency of the pumped signal is increased in 500 Hz from 10 kHz to 20 kHz, and the frequency of the probe signal is kept constant from 80 kHz to 110 kHz. It can be seen that the primary modulation component does not occur when there is no damage to the structure.
  • 6 (b) and 6 (d) show pumping signals and probe signals from the sixth piezoelectric transducer 12 and the seventh piezoelectric transducer 13 when the structure is damaged. Is the result of generating FSS by continuously changing the frequency for each frequency.
  • the primary modulation component occurs in both the sixth piezoelectric transducer 12 and the seventh piezoelectric transducer 13.
  • the peculiarity is that even if the structure is damaged, there is a frequency band in which the modulation component does not occur depending on the frequency combination. Therefore, when the frequency of the pumping signal is 10 kHz to 20 kHz and the frequency of the probe signal is set to 80 kHz to 110 kHz, the output level of the primary modulated signal according to the presence or absence of damage to the structure is significantly different, 80 kHz to 110 By selecting the frequency of the probe signal in the kHz frequency band it is possible to accurately detect the presence of damage to the structure compared to the conventional safety diagnostic method.
  • the frequency of the probe signal may be selected as the above frequency.
  • the diagnostic apparatus using the frequency of FIG. 7 should apply a probe signal and a pumping signal of greater power to the piezoelectric transducer. 7 shows that using the frequency band shown in FIG. 6 is advantageous to low power sensor implementation.
  • the controller may control the high frequency generator and the low frequency generator to output the probe signal and the pumping signal of the corresponding frequency, thereby implementing a diagnostic sensor having improved accuracy according to the temperature or the characteristics of the structure.
  • the present invention can be widely used as a safety diagnostic sensor in the field of safety diagnosis management of various structures, including infrastructure, aircraft, railroad cars, and the like.

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Abstract

본 발명은 서로 다른 주파수의 신호들을 모두 인가하여 구조물을 진동시키는 단계, 상기 진동에 의해 발생한 상기 구조물의 응답을 디지털 신호로 변환하는 단계, 상기 디지털 신호로부터 상기 주파수 신호들의 고조파 응답과 선형 응답을 제거하고 동기복조하여 일차 변조 신호를 생성하는 단계, 상기 서로 다른 주파수의 신호들의 주파수를 연속 변화시켜 일차 변조 신호들을 추출하고, 주파수별 일차 변조 신호들을 결합하여 제1 측파대 스펙트로그램(first sideband spectrogram)을 생성하는 단계 및 상기 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 상기 구조물의 균열유무를 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 안전진단 방법에 관한 발명으로서, 구조물에 인가되는 초음파의 전력이 종래 기술에 비해 매우 작음에도 손상유무를 정밀하게 판별할 수 있으므로 전력 소비를 감소시킬 수 있다.

Description

비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치 및 그를 이용한 안전진단 방법
본 발명은 구조물의 무선 진단장치에 관한 것으로서, 상세하게는 선형신호제거기법과 제1 측파대 스펙트로그램 생성기법에 의해 구조물의 손상여부를 정밀하게 감지하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치에 관한 것이다.
일반적으로 교량, 대형 시설물, 지하 매설물 등의 기간산업 시설물들은 사회 구성원들의 다양한 요구에 부응하여 점점 대형화 및 첨단화되고 있다. 이에 따라 여러 가지 신기술, 신공법, 신소재 등이 도입되고 있으며 이러한 새로운 기술을 도입하기 위한 선결 조건인 안전성 등의 검증에 대한 필요성이 요구되고 있다. 또한, 준공 후 수십 년이 지난 노후한 구조물의 수는 점차 많아지고 있으며, 구조물의 현재 상태를 평가하기 위한 정밀 안전진단 기술이나 유지관리를 위한 계측 시스템의 도입이 가속화되는 추세이다.
이러한 사회기반시설물의 안전진단관리 시스템은 보편적으로 안전검사자격증을 소지한 검사자의 비파괴 검사 수행을 통해 이루어지고 있다. 그러나 이러한 안전진단 검사는 정기적으로 수행되기 때문에 손상의 즉각적인 감지가 어렵다는 점, 검사 중에는 구조물 가동이 중지된다는 점, 그리고 육안으로 일일이 검사해야하므로 인건비를 포함한 검사 비용이 많이 드는 점 등의 문제점이 있다. 또한 금속 구조물 손상의 약 90%는 피로균열에 의해 발생되는데, 피로균열은 눈에 보이지 않을 정도로 작은 크기에서 시작되어 총 피로균열 수명의 80%에 도달해야 기존의 손상 감지 방식으로는 확인이 가능하다. 피로균열이 커지게 되어 이를 복구하는 비용이 증가하는 문제점이 있다.
한국등록특허 제0784582호(2007년 12월 04일 등록)는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법에 관한 기술이나, 공급 전력이 약할 경우에 균열유무를 정밀하게 감지하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 선형신호제거 기법과 동기복조 기법에 의해 일차 변조 신호를 추출하고, 초음파 주파수를 변화시켜가며 추출된 일차 변조 신호들을 결합하여 제1 측파대 스펙트로그램을 생성하고, 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 구조물의 균열유무를 진단하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치를 제공하고자 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 안전진단 방법은, 서로 다른 주파수의 신호들을 모두 인가하여 구조물을 진동시키는 단계, 상기 진동에 의해 발생한 상기 구조물의 응답을 디지털 신호로 변환하는 단계, 상기 디지털 신호로부터 상기 주파수 신호들의 고조파 응답과 선형 응답을 제거하고 동기복조하여 일차 변조 신호를 추출하는 단계, 상기 서로 다른 주파수의 신호들의 주파수를 변화시켜 일차 변조 신호들을 추출하고 상기 일차 변조 신호들을 결합하여 제1 측파대 스펙트로그램(FSS)을 생성하는 단계 및 상기 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 상기 구조물의 균열을 진단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서, 본 발명에 의한 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 피로균열 계측 방법은, 서로 다른 두 주파수의 초음파 중 하나의 초음파를 구조물에 부착된 동심 이중 압전변환기의 내측에 인가하고, 다른 하나의 초음파를 상기 동심 이중 압전변환기의 외측에 인가하여 상기 구조물을 진동시키는 단계, 상기 진동에 의해 상기 구조물에 발생한 응답을 제1 디지털 신호로 변환하는 단계, 상기 하나의 초음파만을 상기 동심 이중 압전변환기에 인가함에 따른 상기 구조물의 응답을 제2 디지털 신호로 변환하는 단계, 상기 다른 하나의 초음파만을 상기 동심 이중 압전변환기에 인가함에 따른 상기 구조물의 응답을 제3 디지털 신호로 변환하는 단계 및 상기 제1 디지털 신호로부터 상기 제2 디지털 신호와 상기 제3 디지털 신호를 제거한 후 이를 동기복조한 출력으로부터 상기 구조물의 균열유무를 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 피로균열 계측 시스템은 제1 제어 신호에 따라 고주파수의 초음파를 생성하는 고주파 생성부, 제2 제어 신호에 따라 저주파수의 초음파를 생성하는 저주파 생성부, 상기 구조물에 부착되어 상기 저주파수의 초음파를 상기 구조물에 인가하는 제1 압전변환기, 상기 구조물에 부착되어 상기 고주파수의 초음파를 상기 구조물에 인가하는 제2 압전변환기, 상기 초음파들에 의해 발생된 구조물의 응답을 전기 신호로 변환하는 제3 압전변환기, 상기 제3 압전변환기의 출력을 디지털 신호로 변환하는 디지타이저, 상기 제1 제어 신호와 상기 제2 제어 신호의 활성화 타이밍을 제어하는 제어부 및 상기 디지타이저의 출력으로부터 선형 응답과 고조파 응답을 제거하고 동기복조하여 상기 구조물의 피로균열 정보를 출력하는 디지털 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 본 발명에 의한 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치는, 서로 다른 주파수의 펌핑 신호와 탐침 신호를 출력하는 주파수 생성부, 상기 펌핑 신호와 상기 탐침 신호를 구조물에 인가하여 진동을 유발하고 상기 구조물의 응답을 전기 신호로 출력하는 압전변환기부, 상기 압전변환기부의 출력을 디지털 신호로 변환하는 디지타이저, 상기 디지타이저의 출력을 선형신호제거하고 동기복조하여 일차 변조 신호를 추출하고 제1 측파대 스펙트로그램을 생성하는 디지털 신호 처리부 및 상기 제1 측파대 스펙트로그램을 무선 전송하는 무선 전송부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 구조물의 가동을 중지하지 않은 상태에서 손상을 감지할 수 있으므로, 피로균열의 초기부터 감지가 가능하고 진단 결과를 무선으로 원격지의 검사 시스템으로 전송함으로써 구조물의 균열이 커지는 것을 미연에 방지할 수 있다.
본 발명은 구조물의 진단 결과의 무선 전송에 의해 실시간 안전 검사가 가능하므로 인력 투입에 따른 검사 비용을 크게 절감할 수 있다.
본 발명에 의한 독특한 신호 처리 기법과 계측 방법에 의해, 손상유무를 정밀히 판별할 수 있는 주파수를 발견하고, 해당 주파수의 초음파를 구조물에 가진하여 손상을 진단하므로, 인가되는 초음파의 전압 레벨이 종래 기술에 비해 매우 작음에도 손상 유무를 정밀하게 판별할 수 있으므로 진단장치의 전력 소비를 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명은 피로균열의 초기에서부터 감지하고, 균열이 커지는 것을 사전에 예방할 수 있으므로, 사회기반 시설물, 항공기 및 철도 차량 등의 수명을 연장시킬 수 있으며, 이러한 시설물들의 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명은 저전력 공급에도 정밀 진단이 가능하고, 진단센서를 소형화시킬 수 있다. 따라서 진단센서의 크기에 제약받지 않고 광범위하게 활용할 수 있다.
도 1은 구조물의 손상유무에 따른 주파수 응답 특성.
도 2는 본 발명에 사용된 항공기의 동체와 날개를 연결시키는 피팅 러그(fitting-lug) 구조물의 실물모형.
도 3은 본 발명에 의한 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치의 구성도.
도 4는 본 발명에 의한 구조물의 안전진단 실험을 수행하기 위한 계측 시스템의 개략도.
도 5는 본 발명에 의한 신호처리 기법과 구조물의 손상 여부에 따른 출력 특성.
도 6은 본 발명의 제1 주파수 대역에서의 제1 측파대 스펙트로그램의 출력 특성.
도 7은 본 발명의 제2 주파수 대역에서의 FSS 출력 특성.
도 8은 본 발명에 의한 선형신호제거 처리기법을 설명하기 위한 도면.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
본 발명은 손상으로 인해 구조물에 발생한 비선형성을 감지하여 손상진단에 활용하는 발명으로서, 구조물에 서로 다른 주파수의 초음파들을 조사하여 구조물에서 감지한 변조 성분을 선형신호제거(linear response subtraction, 이하 "LRS"라 함)와 동기복조(synchronous demodulation, 이하 "SD"라 함) 및 제1 측파대 스펙트로그램(first sideband spectrogram, 이하 "FSS"라 함) 생성 기법에 의해 FSS를 생성하여 구조물의 손상유무를 진단하고, 진단결과를 원격지에 있는 검사 시스템으로 무선 전송함으로써 구조물의 균열 유무를 실시간으로 검사할 수 있고 구조물의 균열이 크게 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 1(a)와 도 1(b)는 구조물의 손상유무에 따른 주파수 특성을 도시한 것으로서, 도 1(a)와 같이, 금속 구조물에 피로손상(fatigue damage)이 없을 경우에는 구조물에 초음파를 조사하면 주파수 응답은 두 초음파 주파수의 신호만이 계측된다. 그러나 도 1(b)와 같이, 금속 구조물에 피로손상이 있을 경우, 손상영역은 국부적으로 비선형성을 갖게 되므로, 초음파가 해당 손상영역을 통과할 때 초음파 주파수 성분의 고조파(harmonics) 및 변조(modulation)가 발생한다. 본 발명은 종래 기술과는 달리 서로 다른 주파수의 두 초음파를 구조물에 가진시키고, 손상영역으로부터 발생된 신호 응답으로부터 선형신호제거 기법 및 동기복조 기법에 의해 일차 변조 성분을 추출하여, 초음파들의 주파수 가변에 따라 다른 값을 갖는 일차 변조 성분들을 결합하여 제1 측파대 스펙트로그램을 생성하고, 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 구조물의 피로손상을 진단하는 발명이다.
본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 항공기의 동체와 날개를 연결시키는 피팅 러그(fitting-lug) 구조물 실물 모형으로 테스트한 결과이다. 도 2(a)와 도 2(b)는 실험에 사용된 피팅 러그이고, 도 2(c)는 피로손상 모사를 위한 반복하중 시험이다. 도 2(a)와 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 피팅 러그에 동심 이중 압전변환기를 부착한다. 저주파의 펌핑(pumping) 신호는 동심 이중 압전변환기(ACT)의 외측부분의 압전변환기에 인가하고, 고주파의 탐침(probing) 신호는 동심 이중 압전변환기(ACT)의 내측 부분의 제2 압전변환기(4)를 통해 가진하고, 응답신호는 상기 동심 이중 압전변환기의 타측에 부착된 두개의 압전변환기의 내측으로부터 동시에 계측한다. 도 2(c)는 실제 항공기의 비행시간인 1000 시간에 해당되는 반복하중을 가할 수 있는 장비에 시편을 설치한 모형이며, 도 2(d)는 반복 하중에 의해 약 40 mm 길이의 피로손상이 발생된 시편을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 무선 진단장치(20)를 도시한 것으로서, 도 2에 도시된 구조물과 같은 피로균열을 진단할 수 있다. 서로 다른 주파수 신호를 출력하는 저주파 생성부(28)와 고주파 생성부(29)로 구성된 주파수 생성부(21), 상기 저주파 생성부(28)와 고주파 생성부(29)로부터 고주파와 저주파를 입력받아 구조물을 진동시키고 구조물로부터의 초음파를 감지하는 압전변환기부(22) 및 압전변환기부(22)의 출력을 디지털 신호로 변환하는 디지타이저(digitizer), LRS 및 SD 처리하여 일차 변조 성분을 추출하고, 초음파의 주파수를 가변시켜 추출한 일차 변조 성분의 결합으로부터 제1 측파대 스펙트로그램을 생성하고, 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 균열유무를 진단하고, 진단 결과를 검사자 또는 검사 시스템에 무선 전송하는 디지털 신호처리부(23)를 포함한다.
예를 들면, 고주파는 80 kHz ~ 110 kHz의 초음파이고 탐침 신호(probing signal)라 한다. 저주파는 10 kHz ~ 20 kHz의 초음파이고 펌핑 신호(pumping signal)라 한다. 상기 저주파 생성부(28)는 제1 제어 신호(ctrl1)에 따라 저주파인 펌핑 신호를 생성한다. 예를 들면 펌핑 신호는 16.5 kHz, 12V의 사인파(sine wave)이다. 상기 고주파 생성부(29)는 제2 제어 신호(ctrl2)에 따라 고주파인 탐침 신호를 생성한다. 예를 들면, 탐침 신호는 80 kHz ~ 110 kHz 주파수 대역을 갖는 12V의 선형 처프(linear chirp) 신호이다. 본 발명에 사용되는 초음파의 전압 레벨이 종래 기술보다 매우 작음에도 손상유무의 진단이 가능하므로, 저전력 소모의 무선 진단센서를 구현할 수 있다. 상기 저주파 생성부(28)와 상기 고주파 생성부(29)는 디지털 아날로그 컨버터로 구현할 수 있다. 추가로 상기 저주파 생성부(28)와 상기 고주파 생성부(29)는 필터와 증폭기를 더 포함할 수 있다.
도 3의 구성을 구체적으로 설명하면, 상기 압전변환기부(22)는 상기 저주파신호를 상기 구조물에 가진하는 제1 압전변환기(3), 상기 고주파 신호를 상기 구조물에 가진하는 제2 압전변환기(4) 및 상기 저주파와 상기 고주파에 의한 구조물의 응답을 전기신호로 출력하는 제3 압전변환기(5)를 포함한다.
상기 제1 압전변환기(3)와 제2 압전변환기(4)는 구조물에 부착하여 서로 다른 주파수의 초음파를 구조물에 인가하고 진동을 유발하며, 도 2(a), 2(b) 및 2(d)에 도시된 동심 이중 압전변환기를 사용하여 구현할 수 있다. 동심 이중 압전변환기는 중심이 동일한 두개의 압전변환기로 구성되며, 하나(제1 압전변환기(3))는 중심에 원형 센서이고, 다른 하나(제2 압전변환기(4))는 원형 센서와 소정 거리로 이격되어 형성된 링 형태의 센서이다. 도 2(d)를 참조하면, 상기 제1 압전변환기(3)는 저주파 신호가 제1 입력단자(31)를 통해 인가되며, 상기 제2 압전변환기(4)는 고주파 신호가 제2 입력단자(32)를 통해 인가된다. 동심 이중 압전변환기를 사용하면 서로 다른 위치에서 초음파를 인가하여도 같은 위치에서 인가된 것과 동일한 효과가 나타난다.
상기 제3 압전변환기(5)는 구조물(7)에 부착되어 진동에 의해 상기 구조물(7)에 발생된 응답을 전기신호로 변환한다.
상기 디지타이저(6)는 제3 제어 신호(ctrl3)에 따라 상기 제3 압전변환기(5)의 출력을 계측하고, 아날로그 신호 형태인 제3 압전변환기(5)의 출력을 디지털 신호로 변환한다. 상기 디지타이저(6)는 아날로그 디지털 컨버터로 구현할 수 있다.
상기 고주파 생성부(29)와 상기 저주파 생성부(28)의 출력은 상기 제1 압전변환기(3)와 상기 제2 압전변환기(4)에 인가되며, 상기 제3 압전변환기(5)의 출력은 상기 디지타이저(6)로 인가된다. 고주파 생성부(29), 저주파 생성부(28), 디지타이저(6)와 압전변환기(3,4,5)들은 케이블 또는 전송선 등에 의해 연결된다.
상기 디지털 신호 처리부(23)는 상기 주파수 신호들에 의해 구조물에 발생한 응답으로부터 선형신호제거 처리 및 동기복조처리하여 일차 변조 신호를 추출하고, FSS를 생성하여 이로부터 구조물의 손상 유무를 판별하고, 진단 결과를 원격에 위치한 안전관리 검사자 또는 검사 시스템에 전송한다. 상기 디지털 신호 처리부(23)는 선형신호제거부(16), 동기복조부(17), FSS 생성부(18) 및 무선 전송부(19)를 포함한다.
선형신호제거 기법은 펌핑 신호와 탐침 신호가 동시에 가진되었을 때의 구조물의 응답으로부터 펌핑 신호와 탐침 신호가 각각 따로 가진되었을 때의 구조물의 응답을 뺀 기법으로서, 본 발명만의 독특한 신호처리 기법이다.
선형신호제거 기법을 구체적으로 설명하면 아래와 같다. 구조물에 펌핑 신호와 탐침 신호를 동시에 가진함에 따라 발생한 구조물의 응답을 제3 압전변환기(5)가 아날로그 전기신호로 변환하고, 디지타이저(6)는 상기 아날로그 전기 신호를 제1 디지털 신호로 변환한다. 그리고 펌핑 신호와 탐침 신호의 선형 응답과 고조파 응답을 제거하기 위해, 이번에는 펌핑 신호만을 구조물(7)에 가진하여 발생한 구조물의 응답을 제3 압전변환기(5)와 디지타이저(6)는 제2 디지털 신호로 변환한다. 그 다음에는 탐침 신호만을 구조물(7)에 가진하여 발생한 구조물의 응답을 제3 압전변환기(5)와 디지타이저(6)는 제3 디지털 신호로 변환한다. 상기 선형신호제거부(16)는 상기 제1 디지털 신호에서 상기 제2 디지털 신호와 상기 제3 디지털 신호를 제거한다. 여기서, 각 주파수 신호들이 인가되는 시간차에 의한 오차는 없는 것으로 가정한다. 따라서 도 5(d)를 참조하면, 상기 선형신호제거부(16)는 디지타이저의 출력으로부터 측파대의 신호만을 추출할 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2013012037-appb-I000001
[수학식 2]
Figure PCTKR2013012037-appb-I000002
도 8을 참조하면, 상기 선형신호제거부(16)는 수학식 1과 같이, 구조물로부터의 출력 신호(uT)로부터 전체 주파수 대역의 신호들로부터 선형 응답(linear response)(u(1))을 제거하고, 고조파 응답(harmonic response)(u(2))을 제거하여 측파대(baseband)의 신호(u(3))만을 추출할 수 있다. 또는 상기 선형신호제거부(16)는 수학식 2를 적용하여 LRS 처리하여 실제 상황에서 발생하는 오차가 제거된 측파대 신호를 추출할 수 있다. 수학식 1에 의한 신호(u(3))는 이론적으로 가능한 선형신호제거 처리된 값이고, 수학식 2의 신호(
Figure PCTKR2013012037-appb-I000003
)는 실제 상황에서 발생하는 오차들을 고려하여 선형신호제거 처리된 값이다.
상기 동기복조부(17)는 상기 선형신호제거부(16)의 출력을 동기복조한다. 동기복조 기법은 일반적인 통신에서 사용하는 신호처리 기법이다.
상기 제어부(24)는 상기 저주파 생성부(28)와 고주파 생성부(29)의 출력 주파수를 가변시키고, 상기 구조물에 저주파와 고주파가 모두 인가되거나, 저주파만 인가되거나, 고주파만 인가되도록, 상기 저주파 생성부(28)와 고주파 생성부(29)의 신호 출력 타이밍을 제어한다. 상기 제어부(24)는 상기 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 가장 큰 값의 일차 변조 신호를 출력하는 주파수를 선택하여 상기 펌핑 신호와 상기 탐침 신호의 주파수로 설정한다.
상기 FSS 생성부(18)는 제4 제어 신호(ctrl4)에 따라 고주파와 저주파의 주파수 가변에 따라 상기 동기복조부(17)의 출력 신호를 입력받아 일차 변조 신호만을 추출하여 FSS를 생성한다. 상기 제어부(24)가 상기 저주파 생성부(28)와 고주파 생성부(29)의 출력되는 주파수를 가변시키면, 변동된 주파수에 따라 상기 동기복조부(17)에서 추출된 일차 변조 성분들을 상기 FSS 생성부(18)에서 결합하여 제1 측파대 스펙트로그램을 생성한다.
상기 무선 전송부(19)는 상기 FSS 생성부(18)의 출력을 원격지에 있는 검사자 또는 검사 시스템에 무선 전송함으로써 검사자가 구조물의 피로균열 여부를 즉각 확인할 수 있다. 상기 무선 전송부(19)는 CDMA(code division multiple access), 직비(zigbee), 블루투스(bluetooth), 와이파이(WIFI), 와이브로(wireless broadband internet), 와이맥스(world interoperability for microwave access) 등의 무선 통신방식에 의해 데이터를 전송한다.
도 5는 본 발명에 의한 LRS 및 SD 신호처리 기법과 구조물의 손상 여부에 따른 디지타이저(6), 선형신호제거부(16) 및 동기복조부(17)의 출력 특성을 도시한 것이다.
도 5(a)와 도 5(b)는 손상이 있는 구조물과 손상이 없는 구조물로부터 출력 (디지타이저(6)의 출력)된 신호를 시간-주파수 대역에서 분석한 결과이며, 손상유무에 따라 큰 차이가 없으므로 구조물로부터 출력된 신호만을 갖고는 손상유무를 판별할 수 없다.
도 5(c)와 도 5(d)는 디지타이저(6)의 출력을 선형신호제거부(16)에서 LRS 처리된 신호를 시간-주파수 영역에서 분석한 결과이며, 선형신호제거부(16)는 손상이 있는 구조물(도 5(d))로부터는 일차 변조 신호를 발생시키고, 손상이 없는 구조물(도 5(c))로부터는 일차 변조 신호를 발생시키지 않는다. 또한, 도 5(e)와 도 5(f)는 구조물의 응답에 LRS 기법 이 후 동기복조 기법을 적용하여 디지타이저(6)의 출력으로부터 일차 변조 신호만을 추출한 신호이다. 동기복조부(17)에서는 손상이 발생하였을 때만 변조된 신호가 발생하므로, 변조 신호의 발생 유무에 의해 구조물의 손상을 감지할 수 있다.
도 6은 본 발명의 주파수 대역에서의 FSS 출력 특성으로서, 구조물에 발생한 비선형성에 의한 주파수 응답은 변조를 위해 가진한 두 초음파의 주파수 조합에 큰 영향을 받음을 알 수 있다. 따라서 광대역의 주파수 조합에 대한 신호를 계측하여 가장 큰 출력 신호를 제공하는 주파수를 손상진단에 활용하면 된다. 그에 따라 본 발명은 탐침 신호의 주파수는 고정시키고, 펌핑 신호의 주파수를 변화시키면서 디지타이저의 출력 신호를 계측하고, 계측된 신호를 LRS 및 동기복조하여 일차 변조 성분만을 추출하고, 주파수별 일차 변조 성분을 결합하여 FSS를 생성한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 의한 구조물의 안전진단 실험을 수행하기 위한 계측 시스템으로서, 도 3보다 구조물의 응답을 출력하기 위해 다수개의 압전변환기(12,13)를 부착한 것으로서, 압전변환기의 구조물에 부착된 위치에 따라 측정 결과의 오차 발생 유무를 테스트하기 위한 구성이다. 도 4의 계측 시스템에는 구조물의 손상을 감지하는 압전변환기를 위치가 다른 두 군데에 부착한다. 두 압전변환기(12,13)의 위치에 따른 측정 결과의 차이는 도 6과 도 7을 참조하면, 미미한 것으로 분석된다. 상기 디지타이저(14) 이후의 구성(선형신호제거부, 동기복조부, FSS 생성부 및 무선 전송부)에 관한 설명은 도 3에 도시된 구성과 동일하므로 생략한다.
도 6은 펌핑 신호의 주파수를 10 ~ 20 kHz, 탐침 신호의 주파수를 80 kHz ~ 110 kHz로 연속 변화시켜 생성한 제1 측파대 스펙트로그램을 도시한 것이다. 도 6(a)와 도 6(c)는 도 4에 도시된 계측 시스템의 측정 결과로서, 구조물에 손상이 없을 때의 제6 압전변환기(12)와 제7 압전변환기(13)로부터 디지타이저(14)의 신호를 펌핑 신호와 탐침 신호를 주파수별로 연속 변화시켜 FSS를 생성한 결과이다. 측정 시, 펌핑 신호의 주파수를 10 kHz부터 20 kHz까지 500 Hz씩 증가시키고, 탐침 신호의 주파수는 80 kHz에서 110 kHz로 일정하게 유지시킨다. 구조물의 손상이 없을 때는 일차 변조 성분이 발생하지 않음을 알 수 있다.
도 6(b)와 도 6(d)는 구조물에 손상이 있을 때의 제6 압전변환기(12)와 제7 압전변환기(13)로부터 FSS 생성부(18)의 출력 신호를 펌핑 신호와 탐침 신호를 주파수별로 연속 변화시켜 FSS를 생성한 결과이다.
도 6을 살펴보면, 구조물에 손상이 있을 때 제6 압전변환기(12)와 제7 압전변환기(13)에서 모두 일차 변조 성분이 발생함을 관찰할 수 있다. 특이한 점은 구조물에 손상이 있더라도, 주파수 조합에 따라 변조 성분이 발생하지 않는 주파수 대역이 있다는 점이다. 따라서 상기 펌핑 신호의 주파수는 10 kHz ~ 20 kHz이고, 탐침 신호의 주파수는 80 kHz ~ 110 kHz 로 설정할 때, 구조물의 손상 유무에 따른 일차 변조 신호의 출력 레벨은 확연히 차이가 나므로, 80 kHz ~ 110 kHz의 주파수 대역에서 탐침 신호의 주파수를 선택함으로써 종래의 안전진단 방법에 비해 구조물의 손상유무를 정밀하게 감지할 수 있다. 그에 따라 구조물의 피로균열을 정밀하게 감지하는 진단센서를 제조하려면 탐침 신호의 주파수를 상기의 주파수로 선택하면 된다. 이를 일반화하면, 펌핑 신호와 탐침 신호의 주파수는 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 가장 높은 출력 특성을 갖는 신호의 주파수를 선택하는 것이 안전 진단장치 구현에 바람직하다.
도 7은 펌핑 신호의 주파수는 50 ~ 150 kHz, 탐침 신호의 주파수는 400 ~ 500 kHz까지 증가시켰을 때의 계측 결과이다. 주파수를 도 6의 실험에 비해 증가시킨 결과, 손상유무에 따른 제1 측파대 스펙트로그램의 변화가 도 6에 비해 매우 작다. 따라서 도 7의 주파수를 사용하는 진단장치는 압전변환기에 더 큰 전력의 탐침 신호와 펌핑 신호를 인가해야 한다. 도 7을 통해 도 6에 도시된 주파수 대역을 사용하는 것이 저전력 센서 구현에 유리함을 알 수 있다.
제어부는 고주파 생성부와 저주파 생성부가 해당 주파수의 탐침 신호와 펌핑 신호를 출력하도록 제어함으로써, 온도나 구조물의 특성에 따라 정밀도를 향상시킨 진단 센서를 구현할 수 있다.
이상에서는 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 사회기반 시설물, 항공기, 철도 차량 등을 포함한 각종 구조물의 안전진단관리 분야의 안전 진단센서로 광범위하게 활용할 수 있다.

Claims (15)

  1. 구조물의 안전진단 방법에 있어서,
    서로 다른 주파수의 신호들을 모두 인가하여 구조물을 진동시키는 단계;
    상기 진동에 의해 발생한 상기 구조물의 응답을 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 디지털 신호로부터 상기 주파수 신호들의 고조파 응답과 선형 응답을 제거하고 동기복조하여 일차 변조 신호를 추출하는 단계;
    상기 서로 다른 주파수의 신호들 중 적어도 하나의 주파수를 변화시킴에 따라 추출된 일차 변조 신호들을 결합하여 제1 측파대 스펙트로그램(first sideband spectrogram)을 생성하는 단계 및
    상기 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 상기 구조물의 균열유무를 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 안전진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동에 의해 발생한 상기 구조물의 응답을 디지털 신호로 변환하는 단계 이후에,
    상기 주파수 신호들 중 하나를 인가하여 상기 구조물에 발생한 응답을 제2 디지털 신호로 변환하는 단계 및
    상기 주파수 신호들 중 다른 하나를 인가하여 상기 구조물에 발생한 응답을 제3 디지털 신호로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 안전진단 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 일차 변조 신호를 추출하는 단계는,
    상기 디지털 신호로부터 상기 제2 디지털 신호와 상기 제3 디지털 신호를 뺄셈하는 선형신호제거 단계 및
    상기 선형신호제거된 신호를 동기복조하여 상기 디지털 신호에서 상기 일차 변조 신호를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 안전진단 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 서로 다른 주파수의 신호들을 인가하여 구조물을 진동시키는 단계는,
    상기 서로 다른 주파수 신호 중 하나를 상기 구조물에 부착된 동심 이중 압전변환기의 내측에 인가하고, 다른 하나를 상기 동심 이중 압전변환기의 외측에 인가하는 것을 특징으로 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 안전진단 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 상기 구조물의 균열유무를 판별하는 단계는,
    상기 구조물의 손상유무를 원격지에 있는 검사 시스템으로 무선 전송하여 실시간으로 안전진단을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 안전진단 방법.
  6. 구조물의 피로균열 계측 방법에 있어서,
    서로 다른 주파수의 초음파 중 하나의 초음파를 구조물에 부착된 동심 이중 압전변환기의 내측에 인가하고, 다른 하나의 초음파를 상기 동심 이중 압전변환기의 외측에 인가하여 상기 구조물을 진동시키는 단계;
    상기 진동에 의해 상기 구조물에 발생한 응답을 제1 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 하나의 초음파만을 상기 동심 이중 압전변환기에 인가함으로 인해 발생한 상기 구조물의 응답을 제2 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 다른 하나의 초음파만을 상기 동심 이중 압전변환기에 인가함으로 인해 발생한 상기 구조물의 응답을 제3 디지털 신호로 변환하는 단계 및
    상기 제1 디지털 신호로부터 상기 제2 디지털 신호와 상기 제3 디지털 신호를 제거한 신호를 동기복조하여 상기 구조물의 균열유무를 판별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 피로균열 계측 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 구조물의 균열유무를 판별하는 단계는,
    상기 초음파들의 주파수를 연속 변화시켜가며 상기 일차 변조 신호를 추출하고, 각 주파수별 추출된 일차 변조 신호들을 결합하여 제1 측파대 스펙트로그램을 생성하고, 생성된 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 상기 구조물의 균열유무를 판별하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 피로균열 계측 방법.
  8. 구조물의 피로균열 계측 시스템에 있어서,
    제1 제어 신호에 따라 저주파수의 초음파를 생성하는 저주파 생성부;
    제2 제어 신호에 따라 고주파수의 초음파를 생성하는 고주파 생성부;
    상기 구조물에 부착되어 상기 저주파수의 초음파를 상기 구조물에 인가하는 제1 압전변환기;
    상기 구조물에 부착되어 상기 고주파수의 초음파를 상기 구조물에 인가하는 제2 압전변환기;
    상기 초음파들에 의해 발생된 구조물의 응답을 전기 신호로 변환하는 제3 압전변환기;
    상기 제3 압전변환기의 출력을 디지털 신호로 변환하는 디지타이저;
    상기 제1 제어 신호와 상기 제2 제어 신호의 활성화 타이밍을 제어하는 제어부 및
    상기 디지타이저의 출력으로부터 선형 응답과 고조파 응답을 제거하고 동기복조하여 상기 구조물의 피로균열 정보로 출력하는 디지털 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 피로균열 계측 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 저주파 생성부의 출력 주파수 또는 고주파 생성부의 출력 주파수를 가변시키거나, 상기 구조물에 저주파와 고주파가 모두 인가되거나, 저주파만 인가되거나, 고주파만 인가되도록 상기 저주파 생성부와 고주파 생성부의 신호 출력 타이밍을 제어하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 피로균열 계측 시스템.
  10. 서로 다른 주파수의 펌핑 신호와 탐침 신호를 출력하는 주파수 생성부;
    상기 펌핑 신호와 상기 탐침 신호를 구조물에 인가하여 진동을 유발하고, 상기 구조물의 응답을 전기 신호로 출력하는 압전변환기부;
    상기 압전변환기부의 출력을 디지털 신호로 변환하는 디지타이저 및
    상기 디지타이저의 출력을 선형신호제거(linear response subtraction)하고 동기복조하여 제1 측파대 스펙트로그램을 생성하는 디지털 신호 처리부 및
    상기 제1 측파대 스펙트로그램을 원격지의 검사 시스템으로 무선 전송하는 무선 전송부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는,
    상기 펌핑 신호와 상기 탐침 신호가 모두 인가될 때의 상기 디지타이저의 출력에서 상기 펌핑 신호만 인가될 때의 상기 디지타이저의 출력과 상기 탐침 신호만 인가될 때의 상기 디지타이저의 출력을 제거하는 선형신호제거부 및
    상기 선형신호제거부의 출력을 동기복조하여 일차 변조 신호를 생성하는 동기복조부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 디지털 신호 처리부는,
    상기 펌핑 신호의 주파수 또는 상기 탐침 신호의 주파수를 소정 주파수 구간에서 연속 변화시키면서 얻은 주파수별 일차 변조 신호들을 결합하여 제1 측파대 스펙트로그램을 생성하는 FSS(first sideband spectrogram) 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 측파대 스펙트로그램으로부터 가장 큰 값을 갖는 일차 변조 신호에 해당하는 주파수들을 상기 펌핑 신호의 주파수와 상기 탐침 신호의 주파수로 설정하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 압전변환기부는,
    상기 구조물에 부착되어 상기 펌핑 신호를 상기 구조물에 인가하는 제1 압전변환기;
    상기 구조물에 부착되어 상기 탐침 신호를 상기 구조물에 인가하는 제2 압전변환기 및
    상기 펌핑 신호와 상기 탐침 신호에 의해 발생된 구조물의 응답을 전기 신호로 변환하는 제3 압전변환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 펌핑 신호의 주파수는 10 kHz ~ 20 kHz이고, 상기 탐침 신호의 주파수는 80 kHz ~ 110 kHz인 것을 특징으로 하는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 무선 진단장치.
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