Usage of composite materials for lightweight aircraft structures have increased interest in monitoring of structural loading and in detection of damages. Demands for replacement of conventional structural health monitoring devices to a more compact and lightweight measurement devices are growing. In this thesis, a study on microcontroller based edge node for structural health monitoring was conducted to increase the adaptability of structural health monitoring in aircraft structures. Wireless strain device (WSD) was capable of measuring low frequency loadings and high frequency impacts from strain gauges through long range wireless transmission. Also, strain measurements during temperature change were conducted for the temperature compensation calculations in order to increase the adaptability for varying temperature environments. Wireless ultrasonic device (WUD) was capable of ultrasonic measurements through fast measurement speed and high wireless data transmission rate. Wireless ultrasonic measurements with piezoelectric ceramic transducers were conducted through pitch-catch method for simultaneous sensing and actuation through WUD. Also, wireless ultrasonic measurements during temperature change were investigated for temperature compensation Pencil-lead breakage test for the wireless measurement of acoustic emission and wireless G-UPI for laser induced ultrasonic wireless measurements were conducted through WUD. Adaptability of WUD was shown through multipurpose ultrasonic measurements for complex structural health monitoring. Therefore, WSD and WUD showed the adaptability for a small sized microcontroller based multipurpose wireless edge node for integrated structural health monitoring in aircraft structures, which would increase the safety of aircraft operations.
항공기내 복합재 기반의 경량화 구조물의 사용으로 인해 운행 중 항공기에 인가되는 하중 또는 충격에 대한 모니터링과 손상 감지에 대한 관심이 증가하고 있다. 기존의 구조건전성모니터링을 위한 측정 시스템에 비하여 가볍고 부피가 적으며 설치 및 운용에 제약이 적은 장치의 수요가 증가하고 있다. 이 논문에서는 마이크로컨트롤러 기반의 다목적 엣지 노드에 관한 연구를 진행하여 복합적인 모니터링을 필요로 하며 무게 및 부피 제약이 많은 항공기 구조물에 구조건전성모니터링 적용성을 높였다. 실시간으로 낮은 주파수 영역의 하중과 높은 주파수 영역의 충격이 측정 가능한 무선 변형률 장치는 (Wireless strain device, WSD) 스트레인 게이지를 이용하여 구조물의 변형률을 측정 및 실시간 무선 전송이 가능한 것을 확인하였다. 알루미늄 및 복합재 구조물에서 낮은 주파수와 높은 주파수의 변형률을 모두 측정하였으며 온도 보상을 위한 온도에 따른 변형률 분석을 통해 변화하는 환경에 대한 적용성을 보였다. 높은 측정 속도와 빠른 데이터 전송에 기반한 무선 초음파 장치는 (Wireless ultrasonic device, WUD) 압전 소자의 가진과 측정을 동시에 하는 Pitch-catch 측정, 음향방출 측정, 무선 초음파전파영상화 측정이 복합적으로 가능하여 동일한 장치로 다양한 초음파 측정이 가능한 것을 확인하였다. WUD를 통하여 알루미늄과 복합재 구조물에서 Pitch-catch 기반 손상 탐지와 온도에 따른 초음파의 변화, Pencil-lead breakage test 기반의 음향방출, Wireless G-UPI 기반의 레이저 유도 초음파에 대한 초음파 측정 및 무선 전송이 가능한 것을 확인하여 다목적 초음파 측정을 통한 복합적인 구조건전성모니터링이 가능한 것을 보였다. WSD와 WUD를 통해 항공기 구조물의 통합 구조건전성모니터링을 위한 소형의 다목적 무선 엣지 노드의 적용 가능성을 확인하였으며 이를 통해 항공기 운행에 안전성을 크게 제고할 것으로 예상된다.
