For vibration control applications in smart structure field, a collocated input/output response is generally desired. The original purpose of existing sensoriactuator investigation was to measure the collocated response for system identification. A perfect sensor/actuator collocation usually provides a stable performance in closed-loop feedback controls. In addition, a self-sensing actuator is attractive from the standpoint of minimizing the amount of instrumentation required to control a structure. However, attempts to estimate the exact performance of the sensoriactuator proved to be difficult, and in an attempt to improve the response, the complexity of the compensation technique continually increased. Also an existing sensoriactuator has several problems still such as a hysteretic effect, a phase error, a nonlinear response, a variation of capacitance and so on.
In this study, a newly developed sensing-patch and phase tracking method are presented. These are compulsory techniques in order to develop a novel sensoractuator or a smart-patch. The sensing-patch comprises an extrinsic Fabry-Perot interferometer (EFPI) and a piezoceramic as a direction detector. And a simple and practical phase tracking logic is applied for the real-time tracking of optical phase of an interferometer. An EFPI sensor itself has non-linear behavior due to the interferometric characteristics, and a piezoceramic has a hysteretic behavior. However, the sensing-patch proposed in this study overcomes the problems that can arise in case of individual uses as a sensor. Moreover, it has good strain resolution and wide dynamic sensing range. Finally, a sensing-patch could be extended to the smart-patch which has the capability of simultaneous sensing and actuation. A smart-patch does not only guarantee stabilities in 'direct-feedback control loops' like existing sensoriactuator but also has better strain resolution and wider dynamic sensing range than existing sensoriactuator does. Also, the combination of an EFPI sensor and piezoelectric material could solve existing sensoriactuator problem such as a hysteretic behavior, a phase delay, a non-linear behavior and so on. Finally, the developed smart-patch is successfully applied to vibration control experiments.
스마트 구조 분야 중에서도 진동 제어에 있어서는, 감지기와 작동기의 위치에 따른 올바른 입출력 응답을 필요로 하고, 이를 위해 시스템 판별에 있어서 감지작동기를 이용한 이상적인 응답을 얻고자 하는 노력이 많이 수행되었다. 이러한 이상적인 응답은 구조물의 진동 제어 관점에서 안정성을 매우 높일 수 있을 뿐만 아니라, 실제 구조물에 적용할 때, 구조적인 안정성도 높일 수 있는 장점이 있다. 또한 하나의 감지작동기가 감지기와 작동기의 능력을 대신할 수 있으므로 미세 기전 시스템과 같은 작은 크기를 요구하는 시스템에 적용할 때 성능을 향상 시킬 수 있는 장점이 있다. 이러한 감지작동기와 관련해서 최근 스마트 재료에 관한 연구 또한 발전하였다.
그 중에서도 압전 재료는 기전 연계 특성을 가지고 있기 때문에 감지기 혹은 작동기로 사용할 수 있는 특징이 있고, 이러한 점을 이용하여 압전 재료를 이용한 감지작동기 개발에 관한 많은 연구가 수행되어 왔다. 이러한 감지작동기는 대부분 압전 재료의 순방향 효과(기계적인 변형에 따라 전하를 발생하는 효과)에 의해 발생한 전하 성분만을 추출하는 보상회로를 이용한 방법을 사용하고 있다. 그러나 압전 재료의 히스테리시스 거동, 비선형 거동, 회로 이용에 따른 감지기 혹은 작동기로서의 성능 저하 등의 문제점이 나타났고, 이러한 문제점들로 인하여 근본적인 해결이 수행되지 못하였고, 관련 연구가 지속적으로 발전하지 못하였다.
또한 최근에는 스마트 센서 구현을 위해, 여러 센서들의 결합 형태인 패치 형태 센서들에 관한 연구가 많이 수행되고 있으며, 이러한 감지기들은 각각의 문제점을 해결하는 동시에 각 센서들의 장점을 극대화 시키는 형태로 발전하고 있다. 또한 여러 센서들 중에서, 광섬유 센서는 크기가 작아서 구조물에 삽입이 가능하고 인간의 신경망과 같은 형태로 구조물에 신경을 부여할 수 있는 장점을 가지고 있기 때문에 다른 센서와 함께 사용하여, 스마트 센서로 많이 사용되고 있다. 광섬유 센서는 분해능이 매우 높고 전자기파에 의한 영향을 받지 않기 때문에, 변형률 센서로서 많이 사용되고 있으나, 광 간섭 효과를 이용하기 때문에, 신호의 왜곡형태가 나타나고, 실시간으로 구조물의 진동 제어에 적용하기에는 많은 한계점을 나타내고 있다.
본 연구에서는 압전 재료와 광섬유 센서를 패치 형태로 결합한 패치형 감지기를 제시하였고, 실시간 위상 누적 기법을 통해 구조물의 동특성 감지를 가능하도록 구성하였다. 이를 통해서 광섬유의 광신호를 바탕으로 하고, 압전 재료를 통해 얻은 방향성 정보를 이용하여 실시간으로 변형을 감지하여, 기존의 센서들을 감지기로 사용할 때 나타나는 문제점인 압전 재료의 히스테리시스 거동이나 광섬유 광신호의 왜곡 문제를 해결하고, 감지 성능을 향상시켰다. 또한 기존의 광섬유 센서의 동특성 한계를 극복하여 보다 넓은 주파수 대역에서 동특성을 감지할 수 있도록 구성하였다.
그리고 패치형 감지기를 감지작동기로 확장하기 위하여 보상 회로를 구성하였고, 패치형 감지기가 동시에 작동기로도 사용 가능하도록 구성하였다. 이를 통해 새로운 형태의 감지작동기를 개발하여 기존의 감지작동기가 가지고 있었던 문제점을 해결하는 동시에 광섬유 센서의 높은 분해능을 통해 감지 성능을 높일 수 있었다. 이러한 감지작동기는 앞서 설명하였듯이 제어 관점에서의 안정성 뿐만 아니라 구조적인 안정성을 높일 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 실험을 통해, 새로 개발한 감지기 및 감지작동기를 적용하여 효과적으로 구조물의 진동을 억제하였고 이러한 감지작동기는 기존의 스마트 구조 분야 외에도 미세 기전 시스템까지도 적용 가능할 것으로 보인다.
