요 지
본 연구에서는 다채널 자속누설 센서를 이용하여 강케이블의 국부손상을 검색하였다. 먼저 자속누설 기법을 고정된 케 이블 구조물에 적용하기 위해 프로토타입의 8채널 자속누설 센서헤드를 제작하였고, 국부손상이 발생한 케이블을 구현하 기 위하여 PVC 파이프에 강케이블을 채워 강케이블 다발 시편을 제작하였고, 케이블 시편 외부 및 내부에 다양한 크기 및 방향을 가지는 국부손상을 단계적으로 발생시켰다. 이와 같이 제작된 강케이블 시편을 대상으로 각 손상단계에서 자속누설 센서헤드를 이용하여 자속신호를 스캔하고 출력전압으로 표현하였다. 이어서 일반극치분포를 이용해 손상유무를 판단할 수 있는 기준이 되어줄 임계값을 설정하였고, 이를 각 채널에서 계측된 자속신호와 비교하여 객관적인 손상판단을 수행하 였다. 또한 케이블 모니터링에 있어 가장 중요한 정보인 손상의 길이방향 위치를 효과적으로 검색하기 위해 모든 채널의 자속값을 합하여 총합값의 형태로 임계값과 함께 나타내었다. 최종적으로 임계값을 초과한 부분의 길이방향 및 원주방향 위치를 실제 손상과 비교함으로써 본 기법의 국부손상 검색 가능성을 살펴보았다.
핵심용어 : 자속누설, 국부 단면손상, 강케이블, 일반극치분포, 케이블 등반로봇
Abstract
In this study, Multi-Channel Magnetic Flux Leakage(MFL) sensor - based inspection system was applied to monitor the condition of cables. This inspection system measures magnetic flux to detect the local faults(LF) of steel cable. To verify the feasibility of the proposed damage detection technique, an 8-channel MFL sensor head prototype was designed and fabricated. A steel cable bunch specimen with several types of damage was fabricated and scanned by the MFL sensor head to measure the magnetic flux density of the specimen. To interpret the condition of the steel cable, magnetic flux signals were used to determine the locations of the flaws and the level of damage. Measured signals from the damaged specimen were compared with thresholds set for objective decision making. In addition, the magnetic flux density values measured from every channel were summed to focus on the detection of axial location. And, sum of flux density were displayed with threshold. Finally, the results were compared with information on actual inflicted damages to confirm the accuracy and effectiveness of the proposed cable monitoring method.
Keywords : magnetic flux leakage, local fault, steel cable, GEV distribution, cable climbing robot
···
†책임저자, 정회원․성균관대학교 사회환경시스템공학과 조교수 Tel: 031-290-7525 ; Fax: 031-290-7649
E-mail: [email protected] * 성균관대학교 u-City공학과 박사과정 ** 성균관대학교 사회환경시스템공학과 박사과정 *** 세종대학교 토목환경시스템공학과 조교수
**** 한국도로공사 도로교통기술원 건설환경연구실 수석연구원
∙이 논문에 대한 토론을 2012년 10월 30일까지 본 학회에 보내주 시면 2012년 12월호에 그 결과를 게재하겠습니다.
1. 서 론
최근 사장교, 현수교 등의 초장대 교량과 같이 강케이블을 이용한 사회기반시설물의 건설이 활발히 이루어지고 있는데, 이러한 구조물에서 케이블 부재는 구조물의 하중 대부분을
지지하는 핵심적인 역할을 한다. 그런데 이러한 케이블 부재 는 부식 또는 단선과 같은 단면적 손상이 발생할 수 있고, 이는 손상부의 응력집중을 야기해 구조물 전체의 붕괴로까지 이어질 수 있는 위험성을 가진다. 이러한 위험을 미연에 방 지하기 위해서, 조기에 케이블 단면의 손상을 찾아낼 수 있
그림 1 케이블 등반로봇 그림 2 자속누설기반 손상 검색 원리
그림 3 횰효과(Hall effect)
그림 4 자기이력곡선의 포화자화 구간 는 효과적인 케이블 비파괴 검사법이 요구되고 있지만 여러
가닥의 와이어로 이루어진 케이블 부재의 구조적 특성과 낮 은 접근성으로 인해 적절한 검사법이 미비한 상황이다. 이러 한 어려움을 극복하고자 케이블의 손상부에 접근 가능한 그 림 1과 같은 케이블 등반로봇에 케이블 구조에 적합한 NDE 기술을 탑재한 자동화된 케이블 검사시스템을 제안하였다.
강케이블 부재에 적합한 NDE 기술로는 마그네틱 센서를 선정하여 본 연구에 적용하였는데, 마그네틱 센서는 뛰어난 신뢰도와 재현성의 장점을 가져 항공, 선박 등을 포함한 다 양한 구조물의 모니터링에 널리 사용되고 있다(Mandal 등, 1997; Sumitro 등, 2002; Wang 등, 2005; Lee 등 2008). 마그네틱 센서는 그 종류가 다양하며 대상 구조물의 특성에 맞춰 사용하게 되는데(Lenz, 1990), 본 연구에서는 현재 파이프 및 엘리베이터 와이어 등의 연속체 구조물에 일 반적으로 적용되고 있는 자속누설(Magnetic Flux Leakage:
MFL)법을 강케이블에 적합한 검사법으로 선정하여 그 가능 성을 검증해 보았다(Weischedel, 1985; Atherton, 1987;
Weischedel 등, 1991; Coktepe, 2001; Mandache 등, 2005). 또한 이를 고정형 케이블에 적용가능한 형태로 개선 하여 센서헤드를 제작하였고, 이를 통해 계측되는 신호를 통 계학 기반의 GEV 분포를 이용하여 임계값을 설정하여 객관 적으로 손상을 판단하였다.
2. 이론적 배경
2.1 자속누설 계측 기반 국부손상 검색 원리
본 연구에서는 국부손상의 검색을 위해 자속누설 센서를 이 용하여 자속의 누설을 계측하였다. 강재 시편이 자화되어 있을 때 강재는 자석과 같은 특성을 띄게 되는데, 이러한 강재에 국 부손상이 발생했을때 손상 틈의 공기는 자석만큼의 자기장밀 도를 가지지 못하기 때문에 그림 2와 같이 손상부에 자속누설 이 발생하게 된다. 이러한 원리에 기초하여 센서를 이용 자속 의 누설을 계측함으로써 강재의 국부손상을 검색할 수 있다.
누설되는 자속의 세기는 홀센서를 사용하여 계측할 수 있
는데, 그림 3과 같이 홀센서가 자기장에 놓였을때 전류와 자 기장의 방향에 수직하는 홀 전압이 발생하게 되는데, 이를 홀효과라고 한다(Lenz, 1990). 이를 이용하여 누설자속의 세 기를 계측 가능한 전압 값으로 변환하며(Ramsden, 2006), 이렇게 변환된 전압 값은 DAQ장비를 통해 계측 되어진다.
자기장에 놓인 시편의 자화는 그림 4과 같은 자기이력곡 선을 따르게 되는데, 자속누설 검사는 일관된 시험결과를 얻 기 위해 반드시 그림 4에 실선으로 나타낸 포화자화 상태에 서의 검사수행이 필수적이다. 따라서 자화를 위해 시편을 충 분히 포화자화시킬 수 있는 A 이상의 자기장강도를 가지는 강력한 영구 자석 또는 전자석을 이용한다.
3. 실험적 연구
3.1 자속누설 센서 헤드 제작
자속누설 측정을 위한 센서헤드는 크게 시편을 자화시키는 자화부와 누설되는 자속을 계측하는 계측부 두 부분으로 나
그림 5 영구자석을 사용한 요크로 구성된 자화부
그림 6 8ch의 홀센서가 배열된 계측부
그림 7 완성된 MFL 센서헤드
그림 8 강케이블 시편 및 실험 구성 눌 수 있다.
본 연구에서 자화부의 경우 그림 5와 같이 각각 네오디움 영구자석 2개와 탄소강판으로 구성된 한 쌍의 요크로 자화부
널을 구성하였다. 마그네틱 센서의 경우 시편과 센서간의 거 리에 따라 민감도에 차이를 보이므로 계측부의 내경을 케이 블 시편의 외경에 맞추어서 시편과 센서가 최대한 근접할 수 있게 설계하였다.
그림 7에 본 연구에서 제작한 MFL 센서헤드를 나타내었 다. 설계에 따라 제작된 자화부와 계측부를 높이 18cm, 폭 18cm, 길이 30cm의 육면체의 알루미늄 케이스에 조립하였 다. 센서헤드는 고정된 케이블에의 편리한 착탈을 위해 개폐 형으로 제작되었고, 계측부의 경우 대상 케이블의 외경에 맞 춰 교체할 수 있게 제작하였다.
3.2 검증실험 구성 및 손상 시나리오
MFL 센서를 이용한 케이블의 국부손상의 검색 가능성을 살펴보기 위해 실험적 연구를 수행하였다.
실험을 위해 1cm 직경, 170cm 길이의 강 케이블 25가닥 을 6cm 내경의 PVC파이프에 채워 6cm 직경, 170cm의 케 이블 다발 시편을 그림 8과 같이 제작하였다.
이어서 국부손상을 가정하기 위해 그림 9와 같이 단계적 으로 손상을 발생시켰다. 그림 9에서 검정색 둥근 점은 단일 케이블의 단선을 의미한다. 먼저 손상 #1~#3 단계에서 점 차 손상단면적이 증가하면서 서로 다른 크기와 방향을 가지 는 케이블 다발 표면의 단선 손상을 발생시켰고, 손상 #4단 계에서는 내부 케이블을 단선시켰다. 각 단계의 손상은 시편 길이방향의 중앙에 위치하며, 제작한 MFL 센서를 이용하여 시편의 가운데 1m 구간에서 각 손상단계마다 자속을 스캔하 였다. 각 계측구간을 연결하여 그림 8처럼 총 4가지의 손상 을 가지는 가상의 5m 길이 강케이블 시편을 가정하였다.
그림 9 케이블 단면 손상 및 계측 시나리오
Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)
0 1 2 3 4 5
-2 0 2
Ch #1
0 1 2 3 4 5
-2 0 2
Ch #2
0 1 2 3 4 5
-2 0 2
Ch #3
0 1 2 3 4 5
-2 0 2
Ch #4
0 1 2 3 4 5
-2 0 2
Ch #5
0 1 2 3 4 5
-2 0 2
Ch #6
0 1 2 3 4 5
-2 0 2
Ch #7
0 1 2 3 4 5
-2 0 2
Distance (m)
Ch #8
MFL signal
그림 10 각 채널에서 계측된 자속신호
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 1 2
Ch #1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 1 2
Ch #2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 1 2
Ch #3
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 1 2
Ch #4
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 1 2
Ch #5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 1 2
Ch #6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 1 2
Ch #7
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 1 2
Location (m)
Ch #8
MFL Threshold
Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)Voltage (V)
그림 11 각 채널별 양수화된 자속신호 및 임계값 3.3 실험 결과
3.3.1 각 채널별 자속신호 기반 손상 검색 결과 각 계측채널에서 계측된 자속신호를 그림 10에 나타내었 다. 그림 10과 같이 1.5m 지점의 Ch #2, 2.5m 지점의 Ch #2, #6 그리고 3.5m 지점의 Ch #2, #3, #6에서 뚜렷 한 대칭형의 LF 신호가 계측되었다. 이들은 실제 손상의 길 이방향 위치와 정확히 일치하였고, 또한 원주방향으로 손상 의 위치에 가장 근접한 계측 채널에서만 손상부에서 LF 신 호가 계측됨을 보였다. 또한 내부 손상(손상 #4)이 위치한 4.5m 지점에서는 모든 채널의 자속신호에서 약한 LF신호가 감지되었다. 이를 통해 MFL 센서를 이용해서 케이블 외부 뿐만 아니라 내부의 LF 손상 또한 검색할 수 있음을 확인할 수 있었고, LF 신호의 감도는 손상과 센서사이의 거리에 따 라 달라짐을 알 수 있었다.
이어서 자동화된 손상의 판단을 위해서 객관적으로 손상과
정상상태를 분류해 주는 기준인 정상상태의 임계값을 설정하 였다. 자속의 변화값을 양수화된 크기로 나타내어 하나의 임 계값을 구하기 위해 자속신호를 절대값을 취하여 양수화하였 다. 본 연구에서는 통계학적 방법인 일반극치분포를 이용하 여 99.99% 신뢰도의 임계값을 구하였고 그 값은 0.1358 였다(Coles, 2001).
그림 11에 양수화된 자속 신호와 계산된 임계값을 함께 나타내었다. 그림 11에서 실제 손상이 존재하는 지점의 해당 되는 계측 채널에서만 양수화된 자속신호가 임계값을 초과함 을 확인할 수 있다. 내부손상이 발생한 4.5m 지점에서도 대 부분의 채널에서 근소하게나마 임계값을 넘었다. 이와 같은 사실을 통해 임계값설정을 이용하여 케이블의 국부손상을 객 관적으로 정상상태 및 노이즈신호로부터 분리할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 원주방향의 다채널 센서 배치를 통해 손상의 원주방향 위치를 효과적으로 추정할 수 있었다.
자속 신호 그래프와는 달리 내부 손상의 경우에도 외부 손상 과 마찬가지로 자속신호가 임계값을 확실히 초과함을 확인 알 수 있다. 따라서 길이방향 위치만을 파악하는데 자속의 총합 값을 이용한 방법이 더 효과적이라고 할 수 있었다. 하 지만 같은 크기의 외부손상과 내부손상의 자속 총합 값을 비 교해 보면 외부손상의 값이 훨씬 큰 값을 나타내는데, 이는 총합 값을 이용하더라도 MFL 방법의 내부손상에 대한 민감 도가 외부손상에 비해 상대적으로 떨어짐을 보여준다.
그림 12 길이방향 위치에 따른 자속신호 총합값 및 임계값
4. 결 론
본 연구에서는 강케이블의 국부손상 검색을 위해 다채널의 MFL 센서를 제작하였고, 이를 사용한 다양한 국부손상의 검색 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
① 국부손상의 위치에서 누설자속신호가 계측되었다.
② 손상부와 센서 사이의 거리에 따라 계측 감도가 달라졌다.
③ 센서를 원주방향으로 배열함으로써 채널별 자속신호 값 을 통해 손상의 원주방향 위치를 찾을 수 있었다.
④ 실제 국부손상 위치에서 자속신호가 일반극치분포를 이 용하여 설정한 임계값을 초과하였고, 이를 이용하여 객 관적으로 손상을 판단할 수 있었다.
⑤ 자속신호의 총합값을 이용할 경우 내부손상에 대한 길 이방향의 위치를 검색하는데 효과적이었다.
추후 다양한 유형의 손상검색, 실제와 유사한 환경에서의 연구를 수행하고, 소형화, 경량화를 통해 개발중인 케이블 등
원(08기술혁신E01)과 2010년도 교육과학기술의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업(2010-0023404) 지원 및 국 토해양부의 u-City 석․박사과정 지원사업의 지원을 받아 수행되었습니다.
참 고 문 헌
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Coktepe, M. (2011) Non-Destructive Crack Detection by Capturing Local Flux Leakage Field, Sensors and Actuator A-Physics, 91, pp.70~72.
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Weischedel, H.R. (1985) The Inspection of Wire Ropes
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Weischedel, H.R., Chaplin, C.R. (1991) Inspection of Wire Ropes for Offshore Applications, Materials Evaluation, 49(3), pp.362~367.
논문접수일 2012년 6월 29일 논문심사일 2012년 7월 9일 게재확정일 2012년 7월 29일
