KR100355050B1 - 디지털 엔코딩을 이용한 음향방출 검출장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 음향방출법의 신호처리 방법을 개선하여 신호의 장거리 전송과 데이터의 저장효율을 향상시키기 위한 디지털 엔코딩(Digital Encoding)을 이용한 음향방출 검출장치에 관한 것으로, 특히 기존의 압전센서와 증폭기에서 출력된 전압을 기준 전압값과 비교하는 비교기(Comparator)와, 상기 비교기에서 비교된 값을 0과 1의 광신호로 변환하는 레이저 전압원(power source)과 레이저 다이오드(Laser diode)와, 상기 광신호를 전송하는 광섬유와, 상기 광섬유에 의해 전송된 광신호를 전기신호로 변환하는 광검출기(Photo-detector)와, 상기 광검출기에서 출력된 전압을 0과 1로 저장하는 메모리와, 상기 메모리에 저장된 값을 범용 컴퓨터에 저장하기 위한 인터페이스 회로 및 프로그램과, 상기 저장된 데이터로부터 음향방출변수인 카운트(Count), 이벤트(Event), rms 전압(root-mean-square voltage), 펄스 폭(pulse width) 등을 산출하는 소프트웨어 및 음향방출 신호의 발생위치를 검출하는 소프트웨어를 포함하여 재료의 변형이나 균열 발생시 발생되는 음향방출 신호를 측정하기 위한 음향방출 검출장치에 관한 것이다.

Description

디지털 엔코딩을 이용한 음향방출 검출장치{Acoustic Emission Detector Using Digital Encoding}
본 발명은 재료의 변형이나 균열 발생시 발생되는 음향방출(Acoustic Emission; 이하, AE) 신호를 측정하는 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 아날로그 AE 신호를 1비트의 디지털 신호로 변환시킴으로서 장거리 전송과 저장방식의 효율성을 향상시키고 AE 신호의 변수와 발생위치를 산출하는 장치에 관한 것이다.
일반적으로 음향방출신호를 처리하는 방법은 압전센서로부터 증폭된 AE신호를 카운터(Counter), rms 전압계(root-mean-square voltage meter), 피크 검출기(Peak Detector), A/D 변환기(Analog-to-digital converter)를 통하여 측정하고 주파수 분석 소프트웨어를 통하여 신호를 해석하는 것이다.
종래의 AE 검출장치는 도 1에 도시된 바와 같이 음향방출신호가 발생하면 압전센서를 이용하여 그 진폭을 전기신호로 변환하고 카운터(3), rms 전압계(4), 피크 검출기(5)를 통하여 각변수를 측정하며 주파수분석을 수행하고자 할 때는 원 신호를 8비트 혹은 12비트의 A/D 변환기(6)를 이용하여 범용컴퓨터에서 처리하였다.그러나 상술한 종래의 AE 검출장치를 이용하여 실제 산업현장에 AE방법을 적용할 때, 센서에서 증폭된 신호에서 카운터, rms 전압계, 범용컴퓨터 등 신호처리장치까지의 거리가 길어 신호전송 중에 잡음의 유입이 많고 원신호가 손실될 위험이 있을 뿐만 아니라, 100kHz∼1MHz의 주파수를 포함한 신호를 저장하기 위해서는 고속 A/D 변환기(샘플링 레이트 : 2MHz 이상)를 필요로 할 뿐 아니라 8비트의 디지털 신호로 변환한다 해도 많은 양의 데이터 저장공간을 필요로 하며, 또한 AE신호의 분석이나 위치검출을 수행하기 위해서는 AE 신호를 저장해야 하는데 A/D 변환기의 성능이 우수해야 할 뿐 아니라 많은 저장공간을 필요로 한다는 문제점이 있었다.또한, 어플라이드 옵틱스(Applied Optics)(저자 ; 칼로란(Carolan), 루벤(Reuben) Vol. 36, No. 1, pp. 380-385, 1997)에 개시되어 있는 AE측정장치에 의하면 광섬유센서를 이용함으로서 장거리 전송을 가능하도록 하였으나 측정장비의 가격이 매우 비싸고 복잡하여 실제로 적용되기 어려운 문제점이 있었다.또한, 상기와 같은 일반적인 AE 시스템은 신호 전송중에 잡음의 유입이 많고 데이터의 처리량이 방대하여 재료파괴중에 발생하는 원신호를 전부 저장할 수 없었고 1개나 2개의 파라미터만을 저장할 수 있었다. 또한, 광섬유로 구성된 AE 시스템도 구성가격이 매우 고가여서 산업 현장에 적용하기 위해서는 많은 번거로움과 비용이 소모된다는 문제점도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 아날로그인 AE 신호를 1비트의 디지털 신호로 변환하고 광섬유를 이용하여 신호를 전송하고 저장함으로써 신호처리의 효율성을 높이고 데이터 저장량을 낮추는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 AE 신호를 단순화함으로써 음향방출 신호의 발생위치 검출이나 카운트, 이벤트, rms 전압과 같은 AE 변수를 여타의 복잡한 하드웨어를 거치지 않고 소프트웨어로 간편하게 산출하는데 있다.
도 1은 종래의 음향방출(Acoustic Emission; 이하, AE) 검출장치를 나타낸 블럭도.
도 2는 본 발명에 따른 AE 검출장치를 나타낸 블럭도.
도 3은 본 발명의 AE 검출장치를 이용하여 원신호를 디지털 신호로 엔코딩한 것을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 AE 검출장치를 이용하여 인장시험시 압전센서로 측정한 원신호와 디지털변환된 AE 신호를 나타낸 도면.
도 5는 도 4의 원신호와 디지털 엔코딩된 신호의 rms 전압 분포를 나타낸 그래프.
도 6은 도 4의 원신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 AE 검출장치를 이용하여 디지털 엔코딩된 신호를 복원한 것을 나타낸 그래프.
도 8은 디지털 엔코딩된 신호의 펄스폭과 원신호의 진폭 분포와의 관계를 나타낸 그래프.
도 9는 원신호와 엔코딩된 신호의 rms 관계를 나타낸 그래프.
도 10은 광섬유를 통과한 AE 신호의 그래프.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 디지털 엔코딩을 이용한 AE 검출장치는 AE 신호처리, 전송 및 저장을 하는데 있어서, 기존의 압전센서와 증폭기에서 출력된 전압을 기준 전압값과 비교하는 비교기, 비교된 값을 0과1의 광신호로 변환하는 레이저 전압원과 레이저 다이오드, 신호를 전송하는 광섬유, 광신호를 전기신호로 변환하는 광검출기, 광검출기에서 출력된 전압을 0과1로 저장하는 메모리, 메모리에 저장된 값을 범용 컴퓨터에 저장하기 위한 인터페이스 회로와 프로그램, 저장된 데이터로부터 음향방출변수, 즉 카운트, 이벤트, rms 전압, 펄스 폭 등을 산출하는 소프트웨어 및 음향방출 신호의 발생위치를 검출하는 소프트웨어를 포함하는 것을 특징으로 한다.이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에서 제시한 디지털 엔코딩의 기본 원리는 음향방출신호를 설정된 전압을 기준으로 0과 1로 단순화시키는 방법으로서, 원신호의 왜곡이 발생하나 아날로그 신호가 1비트의 디지털 값으로 변환되므로 신호처리의 효율성을 높일 수 있다.
도2는 본 발명에 따른 디지털 엔코딩을 이용한 AE 검출장치를 나타낸 것으로, 압전센서에서 진동을 전기신호로 변환한 뒤 증폭기와 필터에서 처리된 신호는 비교기를 통하여 0과1의 디지털 신호로 변환된다. 이때 비교기와 범용컴퓨터와의 거리가 수십미터 안쪽이면 (1)번의 방법을 사용하며, 거리가 수 킬로미터 내외이면 (2)번의 방법을 사용한다. (1)번 방법은 비교기에서 처리된 신호를 전류를 증폭시켜 전선을 통하여 신호를 전송하는 것이고, (2)번 방법은 비교기에서 처리된 신호의 출력을 증폭시켜 레이저 다이오드를 구동한 후 광섬유를 이용하여 전송하는 방법이다. 이때 사용하는 레이저는 1310nm 혹은 1550nm의 레이저를 사용하며 광섬유는 1310nm 혹은 1550nm의 단일모드 광섬유를 사용한다. 광섬유를 통해 전달된 신호는 광검출기를 통하여 다시 전압신호로 변환되고 2킬로바이트의 메모리에 저장된다. 이때 메모리에 저장되는 샘플링 레이트(sampling rate)는 2.5MHz-5MHz이며 인터페이스 회로를 통하여 범용컴퓨터에 저장된다. 메모리의 입출력포트는 8비트이고 1비트당 1채널을 사용할 수 있으므로 총 8개의 채널을 사용할 수 있다. 저장된 신호는 소프트웨어를 통하여 카운트, 이벤트, rms 전압, 펄스폭 등을 산출하고 여러개의 채널을 사용할 경우 AE신호의 발생위치를 산출한다.
도3은 본 발명의 AE 검출장치에 의한 디지털 엔코딩 과정을 나타낸 것으로서 음향방출신호의 파형과 변수 및 음향방출신호를 잡음의 영향을 제거하기 위해 설정한 문턱값(Threshold Voltage)을 기준으로 그 이상의 신호는 1, 이하의 신호는 0인 디지털 신호로 변환한 것을 나타낸 것이다. 음향방출신호를 디지털 엔코딩하면 음향방출신호의 기초변수인 카운트, 이벤트를 측정할 수 있다.
도4는 본 발명의 AE 검출장치로 수행한 인장실험시 압전 센서(사용 주파수: 100∼300㎑)를 사용하여 측정된 음향방출신호로서 원신호와 원신호를 문턱값 50㎷를 기준으로 프로그램을 작성하여 0과 1의 신호로 변환한 것이다. 이와 같이 신호를 디지털 부호화 함으로서 신호 전송시 발생할 수 있는 잡음의 유입을 차단할 수 있다.
디지털 엔코딩 과정을 통해 rms 전압을 측정하면 그 특성상 원신호와의 차이가 발생하는데 도4의 인장실험 데이터를 이용하여 rms 전압을 분석하였다.
도5는 도4의 원신호와 엔코딩된 신호의 rms 전압 분포를 나타낸 것으로x축은 문턱값으로 사용한 전압을 나타내고y축은 해당 문턱값에 대한 rms 전압을 나타낸다. 설정 전압이 높아질수록 문턱값을 통과하는 파형은 감소하므로 두 방법에 의해 계산된 rms 전압은 모두 작아지는데 문턱값을 70㎷이하로 설정하면 디지털 엔코딩된 신호로 계산된 rms 전압이 높게 나타난다. 그 이유는 원신호가 문턱값 보다 높을 경우 1로 변환되므로 신호가 과평가되기 때문인데 문턱값이 70㎷이상이 되면 원신호와 엔코딩된 신호의 분포가 유사해진다. 문턱값을 적절히 설정함으로서 원신호와 엔코딩된 신호의 분포가 유사하게 되는 이유는 음향방출센서의 특성과 시편의 기하학적 형상 때문이다. 음향방출센서는 일반적으로 공진형과 광대역형으로 분류되는데 공진형의 경우 한정된 주파수 영역에서만 반응한다는 단점이 있으나 민감도가 높고 일반적인 재료실험시 발생하는 주파수영역을 포함한다. 또한, 구조물의 특성상 음향방출신호는 특정한 모드를 형성하면서 전파되므로 기하학적 형상마다 유사한 주파수 분포 특성을 나타낸다. 특히 구조물 실험시 발생하는 음향방출신호는 돌발형 파형이고, 이 파형은 구조물의 Plane wave형성과 함께 센서의 공진 특성을 유도하여 특정한 주파수 성분의 신호가 발생된다.
이와 같은 관점에서 음향방출신호는 지배주파수를 포함하므로 디지털 엔코딩된 신호는 원신호로 복원할 수 있다.
도6은 도4의 음향방출 원신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸 것으로서 지배주파수는 72㎑이며 다른 주파수 대역의 신호에 비하여 10㏈이상 차이가 있다. 디지털 엔코딩된 신호로부터 펄스폭을 측정하고 지배주파수를 이용하면 원신호의 진폭을 산출할 수 있다. 또한, 도7은 펄스폭을 이용하여 음향방출 신호를 복원하는 과정을 나타낸 것으로서 엔코딩된 디지털신호와 원신호의 관계는 수학식1과 같다.
여기서 A는 원신호의 진폭, Vth는 문턱값, td는 지배 주파수의 역수인 지배주기, tpw는 펄스폭이다.
엔코딩된 신호는 0과 설정한 문턱값으로 표현되는 디지털 신호로 나타내었으며 음향방출신호의 전압이 문턱값을 넘는 시간 간격에 따라 펄스폭이 달라진다. 도8은 도4의 음향방출신호의 진폭분포와 펄스폭의 관계를 나타낸 것으로서 실선은 지배주파수를 이용하여 각 펄스폭으로부터 이론적으로 계산한 진폭이고 ○로 표시된 점들은 원신호의 진폭을 나타낸 것이다. 원신호는 지배주파수 성분 외에 다양한 주파수 성분을 포함하고 있으므로 이론과 실험치가 정확하게 일치하지는 않았으나 최대 30%이내에서 일치하였으며 변화의 경향은 유사하였다.
또한, 디지털 엔코딩 방법을 이용하면 펄스폭을 측정할 수 있다. 펄스폭은 윗식에 의해 원신호의 진폭분포와 관계되는데 재료실험시 음향방출법의 진폭분포는 재료의 파괴특성을 효율적으로 나타내는 변수로 알려져 있다. 진폭과 펄스폭의 관계로 볼 때 펄스폭이나 최대 펄스폭은 재료의 파괴특성을 충분히 반영하며 음향방출법의 새로운 변수로 이용할 수 있다.
도9는 원신호와 엔코딩된 신호의 rms 전압관계를 나타낸 것으로서 실선은 윗식의 그래프를 증폭과정과 잡음을 감안하여 x축과 y축으로 이동시킨 것이다. 연필심 부러뜨림 실험의 특성상 원신호의 rms 전압이 50∼900㎷범위에서 검출되었으며, 원신호와 엔코딩된 신호의 rms 전압은 진폭과 펄스폭의 관계를 나타낸 윗식과 일치하였다.
도10의 위 그림은 인장실험시 측정된 음향방출신호이고 아래 그림은 디지털 엔코딩된 신호를 나타낸 것이다. 잡음의 rms 전압은 48㎷이고, 문턱값인 100㎷이상의 신호가 입력되면 엔코딩된 신호가 검출되었다.
이와 같은 디지털 엔코딩 방법을 이용한 AE 시스템은 센서와 데이터를 처리하고 저장하는 범용 컴퓨터의 거리에 따라 2가지로 제작할 수 있다. 거리가 수십 미터 이내일 경우 전압원 만을 이용하여 도2의 (1)과 같은 경로를 구성하며, 거리가 수십 미터 이상일 경우 광섬유를 이용하여 도2의 (2)와 같은 구성을 갖는다.
도2의 (1)경로는 펄스발생기만을 이용하여 구성한 경우로서 신호측정부, 디지털 엔코딩부 및 소프트웨어부로 구성된다. 압전센서에서 발생된 신호는 신호측정부의 앰프와 필터를 통과한 뒤 비교기를 통하여 0과 1로 변환된다. 이때 문턱값의 결정은 주변의 잡음과 신호의 크기를 고려하여 결정한다. 비교기에서 출력된 디지털 신호는 디지털 펄스를 출력하는 전압원을 통하여 충분히 전류증폭을 하여 외부잡음의 영향없이 전송거리를 지날 수 있다. 전송된 신호는 바로 메모리에 저장되고 인터페이스회로를 통하여 범용컴퓨터에 입력된다. 입력된 신호는 구성된 소프트웨어에 의하여 카운트,이벤트, rms 전압, 펄스폭을 산출한다. 복수개의 센서를 구성할 경우 신호의 발생위치를 추정할 수 있는데 디지털 값이므로 기존의 방법보다 효율적으로 위치를 추정할 수 있다.
도2의 (2)경로는 광섬유를 이용하여 구성한 경우로서 전압원과 메모리사이에 광신호를 발생하기 위한 레이저 다이오드, 광섬유, 광검출기가 더 추가된 형태이다. 광섬유는 전송손실이 0.2㏈/㎞로 매우 낮으며 전기적 외란 또는 잡음의 영향이 없고 오염, 부식과 같은 환경조건에 강하므로 시험환경이 열악하거나 센서와 범용컴퓨터의 거리가 수킬로미터가 되어도 적용가능한 것이 특징이다.
따라서, 디지털 엔코딩을 이용한 AE 시스템은 아날로그인 AE 신호를 1비트의 디지털 값으로 변환하여 신호처리하고 (1)혹은 (2)경로를 이용하여 전송된 신호는 A/D 변환기 없이 바로 램에 저장되며 소프트웨어에 의하여 AE변수를 산출하고 신호발생위치를 검출한다. 또한 디지털 엔코딩을 이용한 AE 시스템은 다음과 같은 조건을 구비해야 한다.
첫째, 디지털 엔코딩을 이용한 AE 시스템은 설정전압값을 기준으로 비교기에서 0과1 의 디지털 신호로 변환되야 한다. 디지털 신호로 변환될 때 A/D 변환기는 사용하지 않으며, 설정 전압값은 주변 잡음과 AE신호의 크기에 따라 결정해야 한다.
둘째, 비교기에서 변환된 디지털 신호의 전송은 전선이나 광섬유를 이용해 전송한다. 센서와 범용컴퓨터의 거리가 수십미터 이내일때는 전선을 사용하고 수킬로미터내외일 경우 광섬유를 사용한다.
셋째, 전송된 신호는 디지털 값으로 메모리에 저장되야 한다. 메모리가 8비트의 입출력 채널이 있으므로 최대 8개 센서를 장착할 수 있으며 범용컴퓨터에 인터페이스 회로를 통하여 입력된다.
넷째, 저장된 신호에서 AE 변수, 즉 카운트, 이벤트, 진폭, 펄스폭을 산출하는 소프트웨어가 있으며, 복수개의 센서를 사용하여 원신호의 발생위치를 검출하는 소프트웨어가 있어야 한다.
상술한 바와 같이, 디지털 엔코딩을 이용한 AE 시스템은 별도의 A/D 변환기나 카운터, rms 전압계등을 부착하지 않고 비교기와 메모리만을 이용하여 AE신호의 각 변수를 산출할 수 있을 뿐만 아니라 AE신호의 발생위치를 찾을 수 있는 이점을 제공한다.또한, 본 발명은 기존의 장치에 비하여 메모리양을 1/8이하로 줄일 수 있고 신호의 장거리 전송을 가능하게 하여 산업현장에 적용하기 쉬운 이점을 제공한다.

Claims (6)

  1. 재료나 구조물의 변형이나 균열시 발생되는 음향방출신호를 감지하는 압전센서와, 상기 압전센스부에서 검출된 신호를 증폭하기 위한 증폭기와 필터부, 및 신호 데이터를 처리하는 범용컴퓨터로 구성된 음향방출 검출장치에 있어서,
    상기 압전센서와 범용컴퓨터 간의 거리가 수십미터 이내일 경우에 상기 음향방출 검출장치는,
    상기 증폭기를 통과한 신호를 소정의 문턱값을 기준으로 디지털 신호를 변환하는 비교기,
    상기 비교기에서 출력된 디지털 신호를 증폭하는 펄스 발생기,
    상기 펄스발생기에서 출력된 신호를 전송하는 전선,
    상기 전선을 통해 전송된 신호를 저장하는 메모리부, 및
    상기 메모리부에 저장된 신호 데이터를 처리하여 음향방출 변수를 산출하고 신호 발생원을 검출하는 범용컴퓨터 소프트웨어부를 포함하고,
    압전센서와 범용컴퓨터 간의 거리가 수 킬로미터 내외일 경우에 상기 음향방출 검출장치는,
    상기 증폭기를 통과한 신호를 소정의 문턱값을 기준으로 디지털 신호를 변환하는 비교기,
    상기 비교기에서 출력된 디지털 신호를 증폭하는 레이저 전압원,
    상기 레이저 전압원에 의해 증폭된 신호를 이용하여 광원을 발생시키는 레이저 다이오드,
    상기 레이저 다이오드에서 출력된 광을 전송하는 광섬유, 및
    상기 광섬유의 펄스를 전기신호로 변환하는 광검출기,
    상기 광검출기에서 출력된 신호를 저장하는 메모리부, 및
    상기 메모리부에 저장된 신호 데이터를 처리하여 음향방출 변수를 산출하고 신호 발생원을 검출하는 범용컴퓨터 소프트웨어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향방출 검출장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    레이저 다이오드 광원의 파장은 1310nm 혹은 1550nm 이고, 광섬유도 같은 파장대의 단일모드 광섬유를 사용하는 것을 특징으로 하는 음향방출 검출장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    메모리는 2킬로 바이트이고, 메모리의 8bit 입출력단자에 8개의 센서를 연결하는 것을 특징으로 하는 음향방출 검출장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    메모리에 입력되는 샘플링레이트가 2.5MHz - 5MHz인 것을 특징으로 하는 음향방출 검출장치.
  6. 제1항에 있어서,
    음향방출신호의 변수를 출력하는 소프트웨어는 기존의 변수인 카운트, 이벤트, rms 전압 및 펄스폭을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향방출 검출장치.
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