[보고서]안전계측 기술 개발

윤동진

안전계측 기술 개발
Development of Advanced Measurement Technology for Public Safety 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국표준과학연구원 Korea Research Institute of Standards and Science
연구책임자	윤동진
참여연구자	권일범 , 김기복 , 김영길 , 김영주 , 김치엽 , 박정학 , 박춘수 , 서대철 , 안봉영 , 이대수 , 이승석 , 이완규 , 조승현 , 최만용 , 장강원 , 정영주 , 허태훈 , 박희상 , 김수언 , 최남경 , 김건우 , 성영민 , 김준우 , 조태식 , 임주은 , 김미현 , 한병희 , 한원배
보고서유형	1단계보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2012-10
과제시작연도	2012
주관부처	미래창조과학부 KA
사업 관리 기관	한국표준과학연구원 Korea Research Institute of Standards and Science
등록번호	TRKO201300031651
과제고유번호	1345196027
DB 구축일자	2013-12-21
키워드	비파괴평가,공공안전,위해요소,보안,미세결함,상시감시Nondestructive Evaluation(NDE),Public Safety,Hazardous Objects,Security,Micro-defect,On-line monitoring

초록 ▼

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 범위
□ 사업의 최종목표 : 공공시설 및 국민의 안전을 위해하는 재해⋅위험요소로부터 국민을 보호하기 위한 폭발/붕괴 비파괴검사, 위해요소 검출, 공공안전 첨단측정 신기술개발 및 신뢰성 향상
□ 세부연구개발 내용개발
안전 측정표준 역량 강화의 일환으로 비파괴평가 및 보안/방재 분야의 측정 능력을 향상시키기 위해 아래와 같은 세부 연구내용으로 구성 함
1) 비파괴 측정표준 및 물성평가 기술 개발
◦ 박막 탄성계수 및 레이저 초음파 비파괴평가 시스템 구성 및 특성 평가
- 박막에서 유도초음파 송수신을 위한 레이저 시스템 제작 및 특성 분석
- 두께 100 nm ∼ 1000 nm의 니켈 박막 제작 및 유도초음파 송수신
- 박막에서 측정된 유도초음파 속도 측정결과 분석을 통한 박막에서의 초음파 분산특성 분석.
- 최적화 과정을 통한 제작된 박막의 탄성계수 평가
◦ AE 센서 및 초음파 탐촉자 성능 시험 절차 개발
- 초음파 탐촉자 및 음향 방출 센서 수신 주파수 응답 특성 측정 방법 개발
◦ 전자기 비파괴법을 이용한 금속판 감육 및 결함탐상 표준체계 구축
- Through transmitting mode의 펄스 와전류 탐촉자와 이를 이용한 다층구조의 금속 판재의 두께 측정 기술 개발
2) 공공안전 위해요소 검출 기술 개발
◦ 비파괴검사를 위한 THz 3차원 영상 기술 개발
- 고속 THz 빔 스티어링 반사형 3차원 영상 기술을 위해 필요한 THz 빔 스캐너 개발 및 고속 THz 주파수영역 분광 장치 구성
◦ 보안 검색용 THz 이미징 기술 개발
- 거리측정을 위한 주파수변조 연속파 (FMCW) 모듈 설계 및 제작
◦ 보안 상황 인지용 다중센싱 기술 개발
- 적외선 열화상 및 광섬유 센싱을 이용한 침입 상황 탐지 기술 개발
3) 공공안전 첨단 측정 신기술 개발
◦ 미세 균열/열화 검출용 비선형 초음파 측정 기술 개발
- 이차 고조파 성분 기반 비선형 파라미터 측정 기술 개발
◦ 압전소자 미세가공 초음파 변환기(pMUT) 및 응용기술 개발
- 압전소자 미세가공 초음파 변환기 공진 해석을 위한 유한요소모델(FEM) 개발 및 제작공정 분석
◦ 특수 광섬유 제작 및 누출 탐지 원천기술 개발
- 센서용 광섬유로는 하이브리드 광섬유, 광자결정 광섬유 및 구멍 있는 광섬유를 제작하였고, SEM과 EDS 장비를 이용하여 광섬유 제작 상태 및 재료를 확인하였다. 하이브리드 광섬유는 절단법에 의하여 광전송 손실을 측정하였고, 섬유표면의 양 끝단에 전극처리를 하여 압전 반응 특성을 조사하였다. 두 개의 코어구조를 갖는 광자결정 광섬유를 제작하고 이 광섬유의 변형률 및 온도 감지도 실험을 수행하였다

Abstract ▼

Ⅲ. Contents and Scope
－ Development of laser based ultrasonic system for generation and detection of guided wave propagation in a layer on a thick substrate.
－ Nickel thin films with thickness of 100 nm ∼ 1000 nm were fabricated and in those speciments guided waves were generated and detected.
－ Evaluation of elastic constants of thin films from the dispersion relation calculated by guessed longitudinal and shear velocities.
－ Developement of a method to measure the frequency response of ultrasonic transducer and acoustic emission sensor.
－ Development of through transmitting mode pulsed eddy current probes and the technique of thickness emasurement of multi-layered metal plates with them.
－ Development of a THz beam scanner needed for high-speed THz beam-steering reflection three-dimensional imaging technology and construction of a high-speed THz frequency-domain spectroscopy system.
－ Hybrid optical fibers, photonic crystal fibers, and holey fibers were manufactured as sensory optical fibers, and the surface characteristics were observed by SEM and the material components were studied by EDS equipment. The transmission loss of hybrid optical fibers were studied by the cut-back method, and the piezo responses of the fiber were tested with electrodes located at the end of the fiber. Also, the strain and temperature sensitivities were tested with photonic crystal optical fibers havinf two cores.
－ Developing the measurment technique of the nonlinear parameter based on the second harmonic frequency component.
－ Development of finite element model for analyzing the resonance characteristic of piezoelectric micromachined ultrasonic transducer (pMUT) and analysis of fabrication process.

목차 Contents

표지 ... 1
제출문 ... 2
보고서 초록 ... 4
요약문 ... 6
SUMMARY ... 10
CONTENTS ... 14
목차 ... 17
제 1 장 서 론 ... 20
제 1 절 연구의 필요성 ... 20
제 2 절 연구 내용 및 목표 ... 25
제 3 절 추진전략 및 추진체계 ... 26
제 4 절 활용방안 및 기대성과 ... 29
제 5 절 연구 과제 진행 및 결과 점검 ... 32
제 2 장 박막의 탄성계수 평가를 위한 레이저 유도 초음파 송수신시스템 개발 ... 33
제 1 절 서 론 ... 33
제 2 절 박막 구조(layer on a half-space)에서의 유도초음파 분산특성 ... 34
제 3 절 유도초음파 송수신을 위한 레이저 시스템 제작 ... 38
제 4 절 박막에서의 유도초음파 송수신 및 박막의 탄성계수 평가 ... 41
제 5 절 요 약 ... 51
참고문헌 ... 52
제 3 장 초음파 / 음향 방출 센서 교정 체계 구축 ... 54
제 1 절 서 론 ... 54
제 2 절 초음파 탐촉자 특성 측정 준비 ... 55
제 3 절 초음파 탐촉자의 진동 특성 측정 ... 56
제 4 절 초음파 탐촉자의 음향 임피던스 측정 ... 61
제 5 절 초음파 / 음향 방출 센서의 수신 주파수 특성 ... 64
제 6 절 결 론 ... 68
제 4 장 펄스 와전류 탐상 표준 체계 구축 ... 69
제 1 절 서 론 ... 69
제 2 절 펄스 와전류 이론 ... 70
제 3 절 펄스 와전류 탐촉자 ... 72
제 4 절 펄스 와전류 시험 ... 74
제 5 절 결 론 ... 91
참고문헌 ... 92
제 5 장 비접촉 비파괴 THz 3차원 영상 기술 개발 ... 94
제 1 절 서 론 ... 94
제 2 절 THz 빔 스캐너 개발 ... 95
제 3 절 고속 THz 주파수영역 분광 장치 구성 ... 109
제 4 절 결 론 ... 112
제 6 장 센서용 특수광섬유 및 변형률 측정 기술 개발 ... 113
제 1 절 서 론 ... 113
제 2 절 광섬유 설계 및 제작 ... 114
제 3 절 광섬유 특성 평가 ... 125
제 4 절 광섬유 센서 기술 ... 130
제 5 절 결 론 ... 135
참고문헌 ... 136
제 7 장 미세균열/열화 검출용 비선형 초음파 측정 기술 개발 ... 138
제 1 절 서 론 ... 138
제 2 절 탄성 재료에서의 파동 전파 ... 143
제 3 절 비선형 파라미터 측정 신호처리 ... 154
제 4 절 실험 장치 및 셋업 ... 160
제 5 절 수치해석 ... 168
제 6 절 실험 결과 ... 173
제 7 절 결 론 ... 191
참고문헌 ... 192
제 8 장 압전소자 미세가공 초음파 변환기 및 응용기술 개발 ... 194
제 1 절 서 론 ... 194
제 2 절 국내외 기술 개발 현황 ... 195
제 3 절 유한요소법에 의한 pMUT 해석모델 개발 ... 196
제 4 절 ZnO 증착공정 분석 및 적용 ... 202
제 5 절 요약 및 결론 ... 206
참고문헌 ... 207
제 9 장 보안상황 인지용 다중센싱 요소기술 개발 ... 209
제 1 절 서 론 ... 209
제 2 절 열화상 카메라를 이용한 야간환경의 보안상황 인지기술 개발 ... 210
제 3 절 위치 탐지용 광섬유 케이블 개발 ... 222
제 4 절 결 론 ... 227
제 10 장 결론 및 향후 계획 ... 228

표/그림 (193)

표 Coordinate system of a layer on a half-space
표 Phase velocity dispersion curve for CT1 < CT2, (soft layer on a half-space) Ref. ' Ultrasonic waves in solid media' , J. Rose.
표 Phase velocity dispersion curve for CT1 > CT2, (hard layer on a half-space) Ref. ' Ultrasonic waves in solid media' , J. Rose.
표 Optical arrangement for establishing interference pattern on the specimen.
표 Laser system for guided wave generation and detection in thin films.
표 Schematic of the laser system for wave generation and detection.
표 Process for measuring the velocity of guided wave propagating in thin film.
표 Example of Rayleigh wave propagated along the surface of WC specimen.
표 Frequency spectrum of measured Rayleigh wave.
표 Trace of fringe spacing.
표 Experiment for verifying two sources of wave generation
표 Fringe spacing and frequency as function of splitted beam distance
표 Phase velocity dispersion curve of Ni layer on a Si half-space (the guessed elastic constants were applied to the calculation).
표 Guided wave propagated in Ni layer of 1,000 nm thickness coated on Si substrate.
표 Cross-correlation for the time delay measurement of guided wave propagated in thin film.
표 Guided wave propagated in Ni thin films of 100, 400, 1000 (nm) thickness.
표 Compare the measured phased velocities in Ni thin layer on Si substrate with the dispersion curve calculated by using the guessed elastic constants.
표 Laser beam alignment
표 Vibration on the surface of ultrasonic transducer
표 Waveform and FFT of the vibration of the surface
표 Vibration at far field
표 Measurement to calculation of velocity and attenuation of water
표 Attenuation of water
표 Frequency response of ultrasonic transduce as a receiver
표 Full range test of an ultrasonic transducer
표 Various types of pulsed eddy current probes
표 Through transmission mode PEC probe
표 Equivalent circuit of a PEC coil.
표 Normalized current shapes of three coils of different time constants.
표 The dimensions and electrical parameters of the excitation coils
표 Signal shapes of exciting pulses and magnetic fields of two coils
표 Output voltage of the hall sensor in the receiving sensor by the through transmitting magnetic field from the small coil
표 Output voltage of the hall sensor in the receiving sensor by the through transmitting magnetic field from the large coil
표 PEC signals from aluminum thin films using the drive coil Cex_S1.
표 PEC signals from aluminum thin films using the drive coil Cex_L2.
표 The expanded signals of the Fig. 4-8.
표 The expanded signals of the Fig. 4-9.
표 PEC signals from aluminum thick plates using the drive coil Cex_S1.
표 PEC signals from aluminum thick plates using the drive coil, C_exL2.
표 Multi-layered plate of three aluminum plates of 1.5 mm thickness
표 PEC signals from a multi- layered alumunum plate using the drive coil Cex_L2.
표 PEC signals from steel thin films using the drive coil Cex_S1.
표 PEC signals from steel thin films using the drive coil Cex_L2.
표 The expanded signals of the Fig. 4-17.
표 The expanded signals of the Fig. 4-18.
표 PEC signals from steel plates of medium thickness using the drive coil Cex_S1.
표 PEC signals from steel plates of medium thickness using the drive coil Cex_L2.
표 PEC signals from steel plates of medium thickness using the drive coil Cex_L1.
표 The expanded signals of the Fig. 4-21.
표 The expanded signals of the Fig. 4-22.
표 PEC signals from thick steel plates using the drive coil Cex_S1.
표 PEC signals from thick steel plates using the drive coil Cex_L2.
표 The expanded signals of the Fig. 4-26.
표 The expanded signals of the Fig. 4-27
표 Measured times to peak versus thicknesses of steel and aluminum plates.
표 재료들의 peak 주파수(0.25 THz)에서의 특성 및 가격.
표 렌즈 제작에 사용된 Teflon 재료의 굴절률 측정 결과. (a) THz-TDS에 의해 측정되는 시간영역 데이터. (b) 굴절률 스펙트럼.
표 렌즈 시스템을 보여주는 모식도.
표 입력 변수들의 설정 값과 조건들.
표 최적화된 THz telecentric fθ 렌즈의 3차원 측면도. 아랫면이 렌즈의 앞면이고 윗면이 렌즈의 뒷면이다.
표 최적화된 렌즈의 변수
표 거울의 회전 각도에 따른 초점평면에서 빔의 초점크기.
표 (a) 거울의 회전 각도에 따른 왜곡의 결과. 각도에 따른 주광선의 fθ 위치(파란 점)와 최적화된 렌즈에 의한 주광선의 위치(빨간색 ‘+’). (b) 각도에 따른 주광선의 fθ 위치로부터 이탈 거리
표 거울의 회전 각도에 따른 초점평면에서 주광선의 입사각.
표 거울의 회전 각도에 따른 초점평면까지 주광선의 광학경로길이.
표 공차 설계 결과.
표 제작된 렌즈의 뒷면 사진
표 THz telecentric fθ 렌즈의 사용 및 정렬에 사용되는 하우징, 마운트, 및 스테이지와 galvanometer scanner의 정렬을 위해 사용되는 스테이지의 설계도 및 사진
표 3차원 THz 빔 스티어링 반사형 영상 시스템의 개략도.
표 (a) X축 (파란색)과 Y축 (빨간색) galvanometer scanner에 입력되는 삼각 파형과 스텝파형. (b) Galvanometer scanner에 의해 스캔되는 모양.
표 왜곡을 측정하기 위한 격자무늬 마스크.
표 (a) 왜곡이 없는 상관 영상. (b) Fig. 5-5의 설계된 렌즈에서 계산된 왜곡에 의해 예상되는 상관 영상.
표 포토믹서 발생기에서 발생되어 포토믹서 검출기에 입사하는 THz 연속파의 전기장 (검은 선)과 포토믹서 검출기에서 여기되는 photocarrier 밀도.
표 DFB LD (파란 선)와 파장 훑음 레이저 (검은 선)의 광 스펙트럼.
표 고속 THz 주파수영역 분광 장치의 개략도.
표 Hole forming plan (left to right : 2, 3, 4, 5 and 6 hole structure)
표 Schematic of hybrid POF
표 Photonic crystal fiber design and mode analysis
표 Fiber fabrication results of preform (left to right : 2, 3, 4 and 5)
표 Applied temperature with time graph during fiber fabrication process
표 (a) Schematic of dip coating system and (b) experimental system align
표 Fabricated index structured POF and its optical cross section image
표 Fabricated hybrid POF
표 Cross section image of hole forming
표 Cross sectional image of fabricated 2 hole POF
표 Cross sectional image of fabricated 3 hole POF
표 Fabrication process of capillary tube preform
표 Optical and physical properties of capillary tubes
표 Capillary mass production system and capillary tube fabrication
표 Tthe results of capillary tube
표 Schematic of drawing tower
표 SEM image of high-birefringence PCF
표 PMMA POF(left) and PVdF coated POF(right)
표 Clad composition and structure analysis of fabricated POF
표 Schematic of POF transmission loss measure system(left) and its transmission spectrum(right)
표 Schematic of transmission loss measure system
표 Transmission spectrum of different POF length and optical power
표 Transmission of fabricated PMMA POF with different fiber length
표 Transmission spectrum of fabricated index structured POF
표 Fabricated hybrid POF(left) and vibration property test
표 Bending property test with fabricated hybrid POF
표 Sagnac interferometer with fabricated PCF
표 Transmission spectrum change with strain
표 Center wavelength shift with temperature
표 Schematic of the phase measurement system for time-of-flight method, VCO(Volatage controlled oscillator), Tx(Transmitter), Rx(Receiver)
표 Schematic of measurement setup for Time-of-Flight method
표 Experimental setup for Time-of-Flight method
표 Modulation frequency for each channel
표 Datasheet for each channel
표 The behavior of the crack growth in material
표 Measurement of fatigue of 2090 aluminum alloy
표 The schematic diagram of collinear mixing technique (a) and noncollinear mixing technique (b).
표 미소 탄성체에 작용하는 힘과 좌표계
표 평면파 전파 예(plane wave propagation)
표 비선형 현상 관찰을 위한 입/출력관계 및 좌표 설정
표 입사 2차 고조파 성분이 있을 때 입/출력관계 및 좌표 설정
표 시간-주파수 영역 신호의 간단한 예
표 퓨리에 변환과 이산 퓨리에 변환의 비교
표 비선형 실험 도식도 및 초음파 톤버스트 (tone burst) 발생 신호
표 해닝 창문함수(Hanning window function)
표 컴퓨터 모사 실험 예제, (a) 시간 영역 신호, (b) 해닝 창문함수를 적용한 신호, (c) 주파수 스펙트럼
표 Schematic diagram of experiment setup
표 Design of acoustic buffer for ultrasonic nonlinearity measurement
표 Schematic diagram of specimen holding jig using dead weight
표 Schematic diagam of experimental test setup
표 The piezoelectric elements used for experiments; LiNbO3 (left), Quartz crystal (middle), PMN-PT(right)
표 The ultrasonic transducer for experiments
표 RAM5000-SNAP system for exciting the transducer
표 Schematic diagram of LDV sensor head
표 Measurement range of DD-300 decoder
표 ASTM E466 standard for constant amplitude axial fatigue test
표 Chemical component of T91 steel
표 Heat treatment condition for thermal degradation
표 SEM image of the micro structure of T91 steel specimens
표 음장해석 모델
표 물성과 입력 파라미터들
표 모델의 크기 및 공간 및 시간 이산화
표 PMMA을 버퍼로 사용할 경우 시간에 따른 파동 전파()
표 Preliminary test setup for ultrasonic nonlinearity measurement using LDV and single crystal quartz
표 Measured signal of ultrasonic wave using round Cu specimen and quartz
표 Measured signal using average(1/10/100/1,000/10,000/100,000 cycle)
표 FFT result and calculate beta of averaged signal
표 Measured signal according to LDV focusing position
표 FFT result and calculate beta according to LDV focusing position
표 Photo of quartz attachment jig and attached position
표 Steel specimens with various single crystal
표 Measured signal with various single crystals(Quartz, LiNbO3, PMNT)
표 FFT results of measured signal with various single crystals
표 Measured signal according to input burst count variation
표 Measured signal of glass specimen with LiNbO3 at center
표 Measured signal according to measuring position
표 FFT results of measured signal according to measuring position
표 Magnitude of 5 MHz and 10 MHz and β parameter according to position
표 Measurement setup and measured signal using transparent acrylic plate
표 Measurement setup and measured signal using plexiglas wedge
표 Test plate with small hole and measured signal through the hole
표 Measured signal at back side and front side of aluminium specimen with plexiglas buffer and PZT(K-700) transducer with hole
표 Ultrasonic nonlinearity parameter of specimens according to output level and weight
표 Ultrasonic nonlinearity parameter variation according to output level
표 Linear fit of A1^ 2 and A2
표 Ultrasonic nonliearity parameter according to fatigue cycle
표 Structure of single element pMUT with back acoustical layer
표 Material properties of ZnO-based pMUT for finite element analysis
표 Configuration of FE model for pMUT
표 Simulation results of modal analysis for pMUT with one back acoustic layer
표 Calculated displacement of pMUT with on back acoustic layer according to frequency
표 Calculated displacement of pMUT with ZnO according to the number of back acoustic
표 Calculated resonance frequency of pMUT with ZnO according to the number of back acoustic layers by FE model at indicating conditions
표 Various deposition method of ZnO film and analyses of their strengths and weaknesses
표 Fabrication Process of ZnO nano-rods
표 Conditions of spin-coater
표 SEM images of ZnO nano-wires on (a) glass #1, (b) glass #2, (c) p-Si and (d) n-Si substrates
표 Intelligent video surveillance model
표 Object image by using difference Picture
표 Tracking system by using feature point
표 Tracking system by using stereo
표 Human recognition by using IR camera
표 The existing formula
표 Identification according to the distance of lens
표 Identification according to the distance of lens
표 Human recognition according to pixel
표 Research of artificial lighting and Invisible Light
표 Maximum panning speed according to the distance between the target
표 Maximum tilting speed according to the distance between the target
표 Zooming function design according to the distance between the target
표 Fiber optic sensor network structure using LAN.
표 Configuration of implemented sensor board.
표 Fiber optic interferometric sensor for detection of sound and vibration.
표 Fiber optic sensor network.
표 Suggested sound-sensitive probe and its frequency response.
표 Measured vibration signal (left) and sound signal (right).
표 Convergence network of fiber optic sensor with CCTV and smart phone.
표 Signal detection for a violent situation.

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