KR100784582B1 - Apparatus and method for measuring the damage of a structure using piezoelectric devices - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전소자를 이용한 구조물의 손상위치 계측장치에 관한 것으로, 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 입력하고 계측결과를 저장 및 표시하는 컴퓨터 장치(60)와; 측정대상물(20)의 대향하는 측면에 각각 적어도 하나이상 부착설치된 압전소자(30); 상기 측정대상물(20)의 중간부 근처 위치에서 시작하여 일정간격 이격시켜 다수의 위치에 동일크기의 하중 응력을 부가하는 응력부가수단(70); 및 초기에 상기 응력부가수단(70)에 의해 일정 토크가 가해져 상기 측정대상물에 세로 탄성파를 발생시키고 상기 컴퓨터 장치(60)로부터 입력된 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝에 대응하는 교류신호를 상기 압전소자(30)에 인가하며 상기 압전소자(30)의 전위변화를 통해 임피던스를 계산하는 임피던스 분석기(50); 및 상기 대향하는 측면의 압전소자(30) 각각 및 상기 임피던스 분석기(50)사이와 상기 임피던스 분석기(50) 및 상기 컴퓨터 장치(60) 사이를 전기적으로 연결하는 전선(51,52,53)들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an apparatus for measuring a damage position of a structure using a piezoelectric element, comprising: a computer device (60) for inputting a frequency step having a measurement frequency range and storing and displaying a measurement result; At least one piezoelectric element 30 mounted on opposite sides of the measurement object 20; A stress adding means (70) for adding a load stress of the same size to a plurality of positions by starting at a position near the middle of the measurement object (20) and spaced apart by a predetermined interval; And a predetermined torque is initially applied by the stress adding means 70 to generate a longitudinal acoustic wave to the measurement object and to supply an AC signal corresponding to a frequency step having a measurement frequency range input from the computer device 60 to the piezoelectric element. An impedance analyzer 50 applied to 30 to calculate impedance through a potential change of the piezoelectric element 30; And wires 51, 52, and 53 electrically connecting each of the piezoelectric elements 30 on the opposite side and between the impedance analyzer 50 and between the impedance analyzer 50 and the computer device 60. Characterized in that made.
임피던스, 손상계측, 압전소자, 탄성파, Impedance, damage measurement, piezoelectric element, acoustic wave,
Description
도 1은 압전소자를 붙인 구조물의 자유도 모델을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a degree of freedom model of the structure to which the piezoelectric element is attached.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 보에 압전소자 패치를 부착한 임피던스 측정 시험편을 나타낸 도면이다.2 is a view showing an impedance measurement test piece with a piezoelectric element patch attached to an aluminum beam according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 개략적인 구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of a damage measuring apparatus of a structure using a piezoelectric element according to the present invention.
도 4는 도 2의 알루미늄 보의 임피던스 파형도이다.4 is an impedance waveform diagram of the aluminum beam of FIG. 2.
도 5는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 하중위치에 따른 임피던스 측정방법을 설명하기 위한 구성도이다.5 is a configuration diagram illustrating an impedance measuring method according to a load position of a damage measuring apparatus of a structure using a piezoelectric element according to the present invention.
도 6은 도 5의 측정방법에 따른 임피던스 응답특성을 나타낸 그래프이다.6 is a graph illustrating impedance response characteristics according to the measuring method of FIG. 5.
도 7은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 하중크기에 따른 임피던스 측정방법을 설명하기 위한 구성도이다.7 is a configuration diagram illustrating an impedance measuring method according to the load size of the damage measuring device of a structure using a piezoelectric element according to the present invention.
도 8은 도 7의 측정방법에 따른 임피던스 응답특성을 나타낸 그래프이다.8 is a graph illustrating impedance response characteristics according to the measuring method of FIG. 7.
도 9는 건강한 상태(healthy)와 손상이 가해진(damage) 상태의 임피던스 응답 파형에서 피크주파수 쉬프트량을 나타낸 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing peak frequency shift amounts in an impedance response waveform in a healthy state and a damaged state.
도 10은 건강한 상태(healthy)와 손상이 가해진(damage) 상태의 임피던스 응답 파형에서 피크 진폭비 변화율을 나타낸 그래프이다.FIG. 10 is a graph showing the rate of change of the peak amplitude ratio in an impedance response waveform in a healthy state and a damaged state.
도 11은 특성계수 Q값 비의 변화율을 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing the rate of change of the characteristic coefficient Q value ratio.
도 12는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치를 통한 계측방법의 개략적인 흐름도이다.12 is a schematic flowchart of a measuring method using a damage measuring apparatus of a structure using a piezoelectric element according to the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
20: 구조물20: structure
30: 압전소자30: piezoelectric element
50: 임피던스 분석기50: Impedance Analyzer
60: 컴퓨터60: computer
70: 응력부가수단70: stress adding means
본 발명은 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 구조물의 대향측면에 하나 이상의 압전소자를 부착하고 응력부가수단을 통해 응력을 부가하여 세로탄성파를 발생시키고 임피던스 분석기를 통해 특정한 주파수 범위에서의 임피던스를 분석함으로써 구조물의 손상 상태를 알 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상 계측장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a damage measuring apparatus and method of a structure using a piezoelectric element, in particular one or more piezoelectric elements attached to the opposite side of the structure and adds stress through the stress adding means to generate a longitudinal seismic wave and through the impedance analyzer The present invention relates to a damage measuring apparatus and method using a piezoelectric element to analyze the impedance in a frequency range so that the damaged state of the structure can be known.
다리나 철탑등의 거대구조물은 주로 사람의 생활 가까이에 설치되어 있다. 이들이 붕괴하면 많은 인명피해가 발생하게 되기때문에 붕괴를 막기 위해서 손상을 조기 발견해 대책을 제시할 필요가 있다. 우리나라에서 발생했던 1994년 성수대교 붕괴사고, 서울 종암동 육교붕괴사고, 이듬해인 1995년 삼풍백화점 붕괴사고, 일본의 1998년 송전탑 붕괴사고, 미국의 1984년 샌프란시스코 오클랜드만 교량붕괴 등이 이러한 손상계측기술의 필요성을 잘 말해주고 있다. Large structures such as bridges and steel towers are usually installed near human life. Since these collapses cause many casualties, it is necessary to detect damages early and take countermeasures to prevent them. Such damage measurement techniques include the collapse of Seongsu Bridge in 1994, the overpass collapse of Jongam-dong, Seoul, the collapse of Sampoong Department Store in 1995, the collapse of a transmission tower in Japan in 1998, and the collapse of Oakland Bay in 1984 in San Francisco. The necessity speaks well.
구조물 손상의 종류로서는 강재의 균열이나 부식, 볼트의 풀림이나 탈락 등이 있다. 강재의 균열이나 볼트의 풀림은 도장에 의해 외부로 드러나지 않기 때문에 조기 발견이 어려운 문제점이 있고, 더욱이 강재의 균열은 금속 피로의 경우가 많고, 재료가 부식되면 강도가 한층 저하되어 이로 인한 파괴의 위험을 수반하게 된다. 여기서 강재의 내부 응력이나 부식 및 손상 상태, 볼트 조임상태 등을 정상적으로 검사할 필요성이 제기되고 있는 실정이다.Types of structural damage include cracking and corrosion of steel, loosening or dropping of bolts, and the like. Steel cracks and bolts are not exposed to the outside by painting, which makes it difficult to detect them early. Moreover, steel cracks often cause metal fatigue, and the corrosion of the material lowers the strength, which leads to the risk of destruction. Will accompany. In this case, the necessity of normally inspecting the internal stress, corrosion and damage of the steel, and tightening of bolts is raised.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 구조물의 대향측면에 하나 이상의 압전소자를 부착하고 응력부가수단을 통해 응력을 부가하여 세로탄성파를 발생시키고 임피던스 분석기를 통해 특정한 주파수 범위에서의 임피던스를 분석함으로써 구조물의 손상 상태를 알 수 있도록 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치 및 방법을 제공함에 있다.An object of the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, by attaching one or more piezoelectric elements on the opposite side of the structure and by applying a stress through the stress adding means to generate a longitudinal elastic wave and impedance analyzer The present invention provides an apparatus and method for measuring damage to a structure using piezoelectric elements, by analyzing impedance in a specific frequency range.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 입력하고 계측결과를 저장 및 표시하는 컴퓨터 장치와; 측정대상물의 대향하는 측면에 각각 적어도 하나이상 부착된 압전소자; 상기 측정대상물의 중간부 근처 위치에서 시작하여 일정간격 이격시켜 다수의 위치에 동일크기의 하중 응력을 부가하는 응력부가수단; 및 초기에 상기 응력부가수단에 의해 일정 토크가 가해져 상기 측정대상물에 세로 탄성파를 발생시키고 상기 컴퓨터 장치로부터 입력된 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝에 대응하는 교류신호를 상기 압전소자에 인가하며 상기 압전소자의 전위변화를 통해 임피던스를 계산하는 임피던스 분석기; 및 상기 대향하는 측면의 압전소자 각각 및 상기 임피던스 분석기사이와 상기 임피던스 분석기 및 상기 컴퓨터 장치 사이를 전기적으로 연결하는 전선들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치가 제공된다.According to a preferred embodiment of the present invention for achieving the above object, a computer device for inputting a frequency step having a measurement frequency range and storing and displaying the measurement results; At least one piezoelectric element attached to opposite sides of the measurement object; Stress adding means for adding a load stress of the same size to a plurality of locations by starting at a position near the middle of the measurement object and being spaced apart at regular intervals; And a constant torque is initially applied by the stress adding means to generate a longitudinal seismic wave to the measurement object, and apply an AC signal corresponding to a frequency step having a measurement frequency range input from the computer device to the piezoelectric element. Impedance analyzer for calculating the impedance through the potential change of; And wires electrically connecting the piezoelectric elements on each of the opposing side surfaces and between the impedance analyzer and between the impedance analyzer and the computer device.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 계측주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 입력하고 계측결과를 저장 및 표시하는 컴퓨터 장치와; 측정대상물의 대향하는 측면에 각각 적어도 하나이상 부착된 압전소자; 상기 측정대상물의 초기 응력부가 위치에서 응력의 크기를 달리하여 동일위치에 하중 응력을 부가하는 응력부가수단; 및 초기에 상기 응력부가수단에 의해 일정 토크가 가해져 상기 측정대상물에 세로 탄성파를 발생시키고 상기 컴퓨터 장치로부터 입력된 계측주파수 범위와 가진 주파 수 스텝에 대응하는 교류신호를 상기 압전소자에 인가하며 상기 압전소자의 전위변화를 통해 임피던스를 계산하는 임피던스 분석기; 및 상기 대향하는 측면의 압전소자 각각 및 상기 임피던스 분석기사이와 상기 임피던스 분석기 및 상기 컴퓨터 장치 사이를 전기적으로 연결하는 전선들을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a computer apparatus for inputting a frequency step having a measurement frequency range and storing and displaying a measurement result; At least one piezoelectric element attached to opposite sides of the measurement object; Stress adding means for adding a load stress to the same position by varying the magnitude of the stress at the initial stress portion of the measurement object; And a constant torque is initially applied by the stress adding means to generate a longitudinal acoustic wave to the measurement object, and apply an AC signal corresponding to the frequency step having a measurement frequency range input from the computer device to the piezoelectric element, An impedance analyzer for calculating impedance through a potential change of the device; And wires electrically connecting the piezoelectric elements on each of the opposing side surfaces and between the impedance analyzer and between the impedance analyzer and the computer device.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 제 1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및 제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 피크주파수 쉬프트량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 및 제 2 임피던스 파형의 피크주파수는 각각 건강상태의 피크주파수와 손상후 피크주파수인 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법이 제공된다.In still another aspect of the present invention, there is provided a device comprising: a first step of obtaining a first and a second impedance waveform; And a second step of measuring a peak frequency shift amount between the first and second impedance waveforms, wherein the peak frequencies of the first and second impedance waveforms are peak frequencies in a healthy state and peak frequencies after damage, respectively. A damage measurement method of a structure using a piezoelectric element is provided.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 제1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및 제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 피크진폭비 변화량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기 제 1 및 제 2 임피던스 파형의 진폭비는 각각 건강상태의 진폭비와 손상후 진폭비인 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법이 제공된다.In still another aspect of the present invention, there is provided a device comprising: a first step of obtaining a first and a second impedance waveform; And a second step of measuring an amount of change in peak amplitude ratio between the first and second impedance waveforms, wherein the amplitude ratios of the first and second impedance waveforms are amplitude ratios in the health state and amplitude ratios after damage, respectively. A damage measuring method of a structure using a piezoelectric element is provided.
본 발명의 또 다른 측면에 있어서, 제 1 및 제 2 임피던스 파형을 획득하는 제 1 단계; 및 제 1 및 제 2 임피던스 파형간의 특성계수(Q)값의 비의 변화량을 측정하는 제 2 단계;를 포함하여 이루어지고, 상기 특성계수(Q) 값은 제 1 임피던스 파형의 주파수와 제 2 임피던스 파형의 주파수중 큰 값으로부터 작은 값을 뺀 후, 최대값으로 나눈값인 것을 특징으로 하는 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방 법이 제공된다.In still another aspect of the present invention, there is provided a device comprising: a first step of obtaining a first and a second impedance waveform; And a second step of measuring an amount of change in the ratio of the characteristic coefficient (Q) value between the first and second impedance waveforms, wherein the characteristic coefficient (Q) value is a frequency and a second impedance of the first impedance waveform. The damage measurement method of a structure using a piezoelectric element is provided by subtracting a small value from a large value of a waveform frequency and dividing it by a maximum value.
손상 평가에 적합한 재료중의 하나가 압전소자인데 이는 센서와 액추에이터로써의 기능을 동시에 가지고 있어 임피던스(Impedance) 계측 방법에 적용하기가 매우 용이하다.One of the materials suitable for damage evaluation is piezoelectric element, which has the function of both sensor and actuator, making it very easy to apply to impedance measurement method.
본 발명에서는 구조물의 초기 손상을 조기 발견할 수 있고, 아울러 정량적으로 계측평가하는 장치 및 방법을 제시하고자 한다.In the present invention, to detect the early damage of the structure early, and to provide an apparatus and method for quantitative measurement and evaluation.
이하 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법 및 장치를 첨부도면을 참조로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method and apparatus for measuring damage to a structure using a piezoelectric element according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 압전소자를 붙인 구조물의 자유도 모델을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 보에 압전소자 패치를 붙인 임피던스 측정 시험편을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 2의 알루미늄 보의 임피던스 파형도이고, 도 5는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 하중위치에 따른 임피던스 측정방법을 설명하기 위한 구성도이고, 도 6은 도 5의 측정방법에 따른 임피던스 응답특성을 나타낸 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치의 하중크기에 따른 임피던스 측정방법을 설명하기 위한 구성도이고, 도 8은 도 7의 측정방법에 따른 임피던스 응답특성을 나타낸 그래프이고, 도 9는 건강한 상태(healthy)와 손상이 가해진(damage) 상태의 임피던스 응답 파형 에서 피크주파수 쉬프트량을 나타낸 그래프이고, 도 10은 건강한 상태(healthy)와 손상이 가해진(damage) 상태의 임피던스 응답 파형에서 피크 진폭비 변화율을 나타낸 그래프이고, 도 11은 특성계수 Q값 비의 변화율을 나타낸 그래프이고, 도 12는 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측장치를 통한 계측방법의 개략적인 흐름도이다.1 is a view showing a degree of freedom model of the structure to which the piezoelectric element is attached, Figure 2 is a view showing an impedance measurement test piece attached a piezoelectric element patch to the aluminum beam according to the present invention, Figure 3 is a piezoelectric element according to the present invention Figure 4 is a schematic configuration diagram of a damage measuring device of the structure used, Figure 4 is an impedance waveform diagram of the aluminum beam of Figure 2, Figure 5 is the impedance measurement according to the load position of the damage measuring device of the structure using a piezoelectric element according to the
도 1을 참조하면, 구조물에 어떠한 요인으로 손상이 발생하면 건강시에 비해 구조물의 강성이나 감쇠율 등이 변화하고, 그 결과 구조물의 기계적 임피던스(impedance)가 변화한다. 이러한 손상의 발생과 기계적 임피던스(impedance)의 변화의 관계로부터, 기계적 임피던스의 계측을 실시하는 것으로 구조물의 건강 상태(손상의 유무)를 평가 하는것이 본 발명에서 사용된 임피던스 계측법의 개념이다. 그러나 일반적으로 미소한 기계적 임피던스의 변화를 고정밀도로 계측하는 것은 어려운 것이다. 따라서, 도 2에 나타낸 압전 소자(PZT:lead-zirconium-titanate)(30)가 붙여 있는 구조물(20)의 모델을 생각하면 압전 소자의 어드미턴스(admittance)(전기적 impedance의 역수)는 구조물 및 압전 소자의 기계적 임피던스를 이용해 다음의 식으로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 1, when damage is caused by any factor in a structure, the structure's stiffness, attenuation rate, or the like is changed as compared to health, and as a result, the mechanical impedance of the structure is changed. From the relationship between the occurrence of such damage and the change in mechanical impedance, it is a concept of the impedance measuring method used in the present invention to evaluate the health state (damage) of the structure by measuring the mechanical impedance. In general, however, it is difficult to measure small changes in mechanical impedance with high accuracy. Therefore, considering the model of the
여기서, Y: 어드미턴스Where Y: admittance
Za: 압전 소자의 기계적 ImpedanceZa: Mechanical Impedance of Piezoelectric Elements
Zs: 구조물의 기계적 ImpedanceZs: Mechanical Impedance of Structure
Yxx: 압전 소자의 전계가 0때의 신장 탄성률Yxx: Elongation modulus when the electric field of the piezoelectric element is 0
d3x: 임의의 방향에 대한 등가 압전 정수d 3x : equivalent piezoelectric constant for any direction
ε33: 유전정수ε 33 : dielectric constant
d: 압전 소자의 유전손실율d: dielectric loss rate of piezoelectric element
wa,la,ha : 압전 소자의 폭, 길이, 두께.wa, la, ha: width, length, thickness of piezoelectric element.
손상이 생기지 않으면 압전 소자의 기계적 임피던스(impedance)는 일정하므로, 구조물의 기계적 임피던스의 변화가 지배적이 된다. 따라서, 구조물의 기계적 임피던스의 값은, 구조물(20)의 대향하는 측면에 붙인 압전 소자(30)의 전기적 임피던스의 계측을 통해 얻을 수 있다.If no damage occurs, the mechanical impedance of the piezoelectric element is constant, so the change in the mechanical impedance of the structure becomes dominant. Therefore, the value of the mechanical impedance of the structure can be obtained by measuring the electrical impedance of the
본 발명에서는 「구조물의 손상」과「기계적 임피던스」, 그리고 「압전 소자의 전기적 임피던스」의 세 개의 관계에서 압전 소자의 전기적 임피던스를 계측 하는 것으로 구조물의 손상 상태를 평가한다. In the present invention, the damage state of the structure is evaluated by measuring the electrical impedance of the piezoelectric element in three relations of "damage of structure", "mechanical impedance", and "electrical impedance of piezoelectric element."
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측을 위해 사용된 측정용 시험편이 도시되며, 구조물의 기본 요소인 보를 사용하였다. 경계 조건이나 외부 가진에 의한 영향을 가능한 줄이기 위해, 보를 발포 합성수지 로 지지하여 양단을 자유단으로 하였고, 세로 탄성파만 발생되도록 보의 상하 대칭의 위치에 압전 소자(30)를 1매씩 붙여, 2매의 소자를 동위상으로 구동시켰다. 상기 알루미늄 보와 압전 소자(30)의 물성치는 생략한다.Referring to Figure 2, there is shown a measurement test piece used for the damage measurement of the structure using a piezoelectric element according to the present invention, a beam that is a basic element of the structure was used. In order to reduce the influence of boundary conditions or external excitation as much as possible, the beams were supported by foamed synthetic resin, and both ends were free ends. Two
도 3을 참조하면, 손상계측 시스템의 개략도를 볼 수 있으며, 압전 소자(30)의 임피던스(Impedance)계측은 임피던스 분석기(HP4192A)(50)를 사용했다. 또, 정량적 평가방법을 확립하기 위해, 가상 손상으로서 U자형의 말굽자에 볼트너트 장치를 한 간단한 억압 장치(이하 '응력부가수단'이라 함 70)를 사용해, 구조물(20)에 부가하는 응력을 억압 나사에 토크를 정량적으로 주는 것으로 조정할 수 있도록 하였다.Referring to FIG. 3, a schematic diagram of a damage measurement system can be seen, and impedance measurement (HP4192A) 50 was used for impedance measurement of the
도 4는 도 3의 보에 대해서 압전 소자에 인가한 전압을 1∼100mV 까지 가진했을 경우의 임피던스(Impedance) 실수부의 응답이다. 여기서, 보의 양단은 자유단이므로 그 세로 진동의 기본 주파수는 수학식 2에 의해 구할 수 있다.4 is a response of an impedance real part when the voltage applied to the piezoelectric element is applied to the beam of FIG. 3 to 1 to 100 mV. Here, since both ends of the beam are free ends, the fundamental frequency of the longitudinal vibration can be obtained by
여기서, c는 보(20)의 내부를 전해지는 위상 속도이며, 재료의 주파수는 탄성계수 E와 밀도로 정해진다. 경계조건을 양단 자유로 하면, 상기 수학식 2에 의해 그 고유 주파수는 fn=3.01(kHz)가 된다.Here, c is a phase velocity propagating inside the
또한 임피던스(Impedance) 분석기(50)에 의해 측정된 임피던스 신호에는 실 수부와 허수부가 있지만, 임피던스 실수부의 신호가 구조물의 기계적 임피던스의 변화에 대해서 고감도이기 때문에, 임피던스 실수부의 파형을 사용하였다.The impedance signal measured by the
도 3에서, 손상이 있는 것으로 가장한 위치에 응력부가장치(70)를 달아 일정 토크(T=1.0 Nm)를 가해 구조물(20)의 응답을 측정한 임피던스(Impedance) 계측장치의 구조도이다. 이 장치를 통해 도 4와 같은 세로탄성파의 파형을 얻었으며, 이것으로부터 임피던스(Impedance)의 변화를 계측, 미소한 응력변화에 의한 파형변화를 계측하여 미소 손상의 존재를 예측하는 것이 가능하다.In FIG. 3, it is a structural diagram of the impedance measuring apparatus which measured the response of the
일반적으로 임피던스(Impedance) 계측법을 이용했을 경우, 구조물에 발생한 손상이 가져온 임피던스의 변화는 측정 주파수대역에 따라서 다르다. 때문에, 어느 주파수 대역을 사용할지가 계측 정밀도와 평가 신뢰성에 크게 영향을 준다.In general, when impedance measurement is used, the change in impedance caused by damage to the structure depends on the measurement frequency band. Therefore, which frequency band to use greatly affects measurement accuracy and evaluation reliability.
압전 소자 길이에 의한 진동 모드를 생각해 보면 도 4에 나타낸 것과 같이 보의 양면에 압전소자(30)가 부착된 경우 보의 고유 진동수를 살펴볼 수 있다. 압전 소자(30)와 알루미늄 보는 각각 단면적의 모양, 재질이 균일하며, 압전 소자(30)가 알루미늄 보(20)에 완전하게 고정되고 있어 동일 단면에 있어서의 진동량은 동일하다고 가정하였다. 알루미늄 보의 길이 방향을 x축, x방향 변위를 u(x,t)로 놓고, 보의 단면적을 As, 세로 탄성 계수를 Es, 단위 체적당의 질량 ρs, 또한압전 소자(30)의 단면적을 Aa, 세로 탄성 계수를 Ea, 단위 체적당의 질량을 로 ρa놓으면, 그 운동 방정식은 수학식 3과 같이 쓸 수 있다.Considering the vibration mode according to the length of the piezoelectric element, as shown in FIG. 4, when the
따라서 알루미늄 보의 양면에 붙은 압전소자로 인하여 전해지는 진동모드의 위상 속도 c는 수학식 4와 같이 쓸 수 있다.Therefore, the phase velocity c of the vibration mode transmitted due to the piezoelectric elements attached to both surfaces of the aluminum beam can be written as
그런데, 보의 양면에 압전소자가 부착된 부분에 정재파가 존재한다고 하면, 그 고유 주파수는 양단의 경계 조건에 의존하므로, 고유 주파수가 가장 높은 경계 조건일 양단 자유 또는 양단 고정의 경우와 가장 낮은 조건일 일단 고정 일단 자유의 경우에 대해 고유 주파수를 산출하면 각각 수학식 5와 6과 같이 쓸 수 있다. However, if the standing wave exists in the part where the piezoelectric element is attached to both sides of the beam, the natural frequency depends on the boundary condition of both ends, so that the boundary condition where the natural frequency is the highest is the opposite condition of free or both ends fixed. Once the natural frequency is calculated for the free case, it can be written as
압전 소자(30) 및 보(20)의 물성치(도시안됨)를 수학식 5와 6에 대입해 산출한 일차 모드의 고유 주파수는 각각 fn=49.75kHz와 fn=99.50kHz 였다. 즉, 실제 구조물을 생각했을 경우, 주파수 영역 49 ~ 100 kHz 에 대해 압전 소자(30)의 출력이 가장 큰 일을 예상할 수 있고, 이것은 도 4의 임피던스 응답 결과와도 일치한다. 따라서, 본 발명에서는 주파수역 49~ 100kHz 에 있어서의 임피던스 값이 가장 큰 파형의 전후의 것을 대상 주파수대역으로 하여 손상의 정량적인 평가를 수행하였다.The natural frequencies of the first mode calculated by substituting the property values (not shown) of the
도 5를 참조하면, 하중위치를 변화시켜가며 임피던스 변화를 측정한 장치의 도면이고, 하중 응력의 크기를 체결 토크 1.0Nm로 일정하게 하고 응력이 부가된 위치를 변화시켜 임피던스를 측정하였다. 응력 하중의 위치는 각각 L=425, 445, 465, 485, 505mm로 하였다.Referring to Figure 5, it is a diagram of a device measuring the impedance change by changing the load position, the magnitude of the load stress was fixed to the tightening torque 1.0Nm and the impedance was measured by changing the position where the stress was added. The positions of the stress load were L = 425, 445, 465, 485, and 505 mm, respectively.
도 6을 참조하면, 건강한 구조물과 하중의 위치를 달리했을 때, 모드의 변형분포 예이다. 하중의 위치에 따라 피크점이 오른쪽으로 이동하였고(△F), 파형의 크기(A/Ao)도 선형적으로 줄어든 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 6, when the positions of the healthy structures and the loads are different, the deformation distribution of the mode is an example. It can be seen that the peak point moves to the right according to the position of the load (ΔF), and the magnitude of the waveform (A / Ao) decreases linearly.
도 7을 참조하면, 하중크기를 변화시켜가며 임피던스 변화를 측정한 장치를 볼 수 있는데, 응력이 부가된 위치를 일정하게 하고 하중 응력의 크기를 0.5Nm에서 2Nm까지 0.5Nm씩 변화시켜 임피던스 변화를 측정하였다.Referring to FIG. 7, the device measuring the impedance change while changing the load size can be seen. The impedance is changed by changing the magnitude of the load stress from 0.5 Nm to 2 Nm by 0.5 Nm. Measured.
도 8 및 도 9를 참조하면, 건강한 구조물과 하중의 크기에 따른 모드의 변형분포 예이다. 여기에서도 하중 응력이 클수록 피크점이 오른쪽으로 이동하였고(△F), 파형의 크기(A/Ao)도 선형적으로 줄어든 것을 알 수 있다.8 and 9, examples of deformation distribution of modes according to healthy structures and magnitudes of loads. Here, it can be seen that as the load stress increases, the peak point moves to the right (ΔF), and the magnitude of the waveform (A / Ao) decreases linearly.
하중의 위치 및 크기에 따라 모드의 파형변화가 선형적으로 현저하게 달라지고 있는 것을 알 수 있다. 여기에서 임피던스 파형변화를 평가하는 손상평가지수의 하나로 피크주파수의 쉬프트량을 이용할 수 있다. It can be seen that the waveform change of the mode is significantly changed linearly according to the position and magnitude of the load. Here, the shift amount of the peak frequency can be used as one of the damage evaluation indexes for evaluating the impedance waveform change.
일반적으로 구조물에 손상이 발생하면 그 응력에 의해 내부를 전파한 탄성파가 변화하므로 그에 따른 주파수 응답에 변화가 일어나 건강상태에 비해 피크가 나타난 주파수가 쉬프트한다. 건강상태에서의 피크 주파수를 fpH로, 손상후 피크 주파수를 FpD로 하여 그 차이를 피크주파수 쉬프트량 △F라 정의한다. 토크가 감소하면 각각의 피크주파수 쉬프트량이 선형적으로 단조롭게 증가하고 있다. 이 결과로부터 피크주파수 쉬프트량을 이용하는 것으로 토크 변화를 정량적으로 평가할 수 있다. △F는 다음과 같은 수학식 7을 통해 구해진다.In general, when damage occurs to a structure, the elastic wave propagates inside by the stress, so the frequency response is changed accordingly, and the frequency at which the peak appears is shifted compared to the state of health. The peak frequency in a healthy state is referred to as f pH , and the peak frequency after damage is referred to as F pD , and the difference is defined as the peak frequency shift amount ΔF. As the torque decreases, the amount of peak frequency shift increases monotonically linearly. From this result, it is possible to quantitatively evaluate the torque change by using the peak frequency shift amount. ΔF is obtained through the following equation (7).
임피던스(Impedance) 피크진폭은 피크주파수 쉬프트와 같이 손상상태에 대해서 현저하게 변화한다. 그러므로, 임피던스 피크의 진폭변화를 손상평가지수로 선택한다. 진폭비 변화율 δ은 건강상태일 때의 진폭 Ah, 손상후 피크를 Ad로 하여 다음과 같은 수학식 8로 정의한다.Impedance peak amplitudes vary significantly with damage, such as peak frequency shifts. Therefore, the change in amplitude of the impedance peak is selected as the damage evaluation index. The amplitude ratio change rate δ is defined by
도 10을 참조하면, 토크가 감소하면 모든 피크에서 피크 진폭비 변화율이 선 형적으로 증가하고 있는 것을 알 수 있다. 이 결과로부터 피크 진폭비 변화율은 손상의 정량적 평가에 유효한 것을 알 수 있다.Referring to FIG. 10, it can be seen that as the torque decreases, the peak amplitude ratio change rate increases linearly at all peaks. This result shows that the peak amplitude ratio change rate is effective for quantitative evaluation of damage.
도 11을 참조하면, 마지막 평가지수로서 특성계수 Q값을 사용한 Q값 변화율을 고려한다. 주파수의 큰 값으로부터 작은 값을 뺀 후, 최대값으로 나누면 수학식 9에서 나타낸 값이 된다. 이 값은 감쇠비로 근사되기 때문에 감쇠비에 의해 정해진 값이라고도 말할 수 있다. 감쇠비가 커지면 값은 작아지고, 감쇠비가 작아지면 값은 커지는 경향을 실험을 통해 알 수 있다. 감쇠비의 증감은 그 피크가 가진 에너지의 증감을 의미하기 때문에 손상의 평가에 이용할 수 있다. 또한 이 값은 피크값에 따라 조금의 격차가 있지만 전체적으로 증가하는 성향을 보여 손상평가에 유용하게 사용될 수 있다.Referring to FIG. 11, the rate of change of the Q value using the characteristic coefficient Q value as the final evaluation index is considered. After subtracting the small value from the large value of the frequency and dividing by the maximum value, the value shown in Equation (9) is obtained. Since this value is approximated by the damping ratio, it can be said to be a value determined by the damping ratio. As the damping ratio increases, the value decreases, and when the damping ratio decreases, the trend tends to increase. The increase or decrease of the damping ratio means the increase or decrease of the energy possessed by the peak and thus can be used for the evaluation of damage. In addition, this value has a slight gap depending on the peak value, but shows a tendency to increase overall, which can be useful for damage assessment.
도 12를 참조하면, 압전소자를 이용한 구조물의 손상계측방법은 먼저 구조물(20)에 부착된 압전소자(30)에 응력부가수단(70)을 통해 응력을 부가하여 세로 탄성파를 발생시킨다(ST-2).Referring to FIG. 12, in the damage measuring method of a structure using a piezoelectric element, first, a stress is applied to the
이후, 컴퓨터(Computer)(60)로부터 계측 주파수 범위와 가진 주파수 스텝을 임피던스 분석기(Impedance Analyzer)(50)에 입력한다(ST-4).Thereafter, a frequency step with a measurement frequency range is input from the
임피던스 분석기(50)에 의해 상기 입력신호에 대응하는 일정(1 Vrms)의 교류 신호가 압전소자(30)에 더해지고, 이에 의해 구조물(20)에 생긴 정상파가 상기 압전소자(30)에 전위 변화를 가져온다.By the
이러한 전위 변화가 임피던스 분석기(Impedance Analyzer)(50)내에서 임피던스(impedance)로 계산되어(ST-6), 컴퓨터(60)(Computer)에 전송 데이터로서 기록된다(ST-8).This potential change is calculated as impedance in the impedance analyzer 50 (ST-6), and recorded as transmission data in the computer 60 (ST-8).
상기 응력부가수단(70)을 통해 측정대상물 즉, 보(20)의 중간부 근처 위치에서 시작하여 일정간격 이격시켜 다수의 위치에 동일크기의 하중 응력을 부가하는 방식과, 상기 측정대상물(20)의 초기 응력부가 위치에서 응력의 크기를 0,0.5,1,1.5,2 Nm와 같이 달리하여 동일위치에 하중 응력을 부가하는 방식이 사용될 수 있다.The stress-adding
임피던스 계측에서는 가진 주파수의 분해능이 구조물 손상의 검출 정밀도에 영향을 주어 측정 대상에 따라 적절히 설정할 필요가 있다.In impedance measurement, the resolution of the excitation frequency affects the detection accuracy of structural damage, and it is necessary to set it appropriately according to the measurement object.
응력 하중시의 임피던스 파형변화는 응력이 부가되고 있는 위치의 변형, 크기에 의존한다. 변형이 큰 위치에 응력이 부가되고 있는 경우, 측정되는 임피던스 파형은 정상상태의 파형에 비하여 피크, 주파수, 크기의 변화량이 작았다.The impedance waveform change under stress load depends on the deformation and magnitude of the position where the stress is applied. In the case where stress is applied at a large deformation position, the measured impedance waveform has a smaller change in peak, frequency, and magnitude than the steady state waveform.
손상평가지수로써 「피크주파수 쉬프트량」,「피크진폭비 변화율」, 「값비 변화율」을 제안하였다.As the damage evaluation index, "peak frequency shift amount", "peak amplitude ratio change rate", and "value ratio change rate" were proposed.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전소자를 이용한 볼트체결 상태계측방법 및 장치에 의하면, 압전소자가 부착된 구조물에 대하여 종탄성파 원리를 이용한 임피던스 측정법은 광범위 주파수 영역에서 임피던스 공진주파수를 용이하게 측정가능한 효과가 있다. As described above, according to the bolt fastening state measurement method and apparatus using the piezoelectric element according to the present invention, the impedance measurement method using the longitudinal elastic wave principle for the structure with the piezoelectric element is easy to measure the impedance resonant frequency in a wide frequency range There is a possible effect.
또한, 본 발명에서는 철교나 고가다리, 송전선 철탑 등의 구조물에 있어서의 초기 손상의 조기 발견을 목표로 하여 압전 소자에 의한 임피던스 계측법을 이용해 구조물의 미소한 손상에 대한 평가가 가능한 효과가 있다. In addition, the present invention has an effect capable of evaluating the microscopic damage of the structure by using the impedance measurement method by the piezoelectric element for the early detection of early damage in the structure, such as steel bridges, bridges, transmission line pylons.
본 발명은 상기한 바람직한 실시 예를 중심으로 기술하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술분야에 익숙한 기술자라면 첨부되는 특허청구범위를 토대로 하여 다양하게 변형실시가 가능할 것이다.Although the present invention has been described based on the above-described preferred embodiment, the present invention is not limited thereto, and those skilled in the art will be able to perform various modifications based on the appended claims.
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