This research focuses on the development of impact damage assessment system of smart composite structures using fiber Bragg grating (FBG) sensors. From the viewpoint of hardware development of an FBG sensor system, research on stabilized a high frequency demodulation technique must be performed in order to constantly maintain the sensitivity of the FBG acoustic sensor. Moreover, a multiplexing scheme for a high-speed demodulation should be developed to improve the system efficiency for the construction of the multipoint AE sensing array of impact damage assessment system for a large structure. In this research, a high frequency detectable multiplexing demodulator using the FFP filter with a narrow free spectral range (FSR) was proposed, which can demodulate the input signals of two FBG sensors simultaneously without the loss of measurable frequency range. In addition, an active stabilization control system was constructed to avoid sensitivity fadeout problems and to maintain the maximum sensitivity of the FBG vibration sensors. In the proposed FBG sensor system, the filtering wavelength of the demodulator is continuously adjusted to the operation point of the FBG spectrum where the slope is the steepest. Because the attenuation of AE signal in composite materials is relatively higher than that of metallic materials and FBG sensor has directional sensitivity variation for the vibration signals of longitudinal mode, it is necessary to develop damage assessment technique less affected by the boundary condition in composite structures. In this research, the damage assessment technique using the sharing percentage of the wavelet detail components was proposed, and a low-velocity impact test was conducted on composite laminates using FBG sensors to confirm the feasibility of the proposed signal processing method. The proposed damage assessment method correctly discriminated the impact damage without being influenced by the signal attenuation and the directivity of the FBG sensor. Through the research of the damage assessment system using an FBG sensor array, the safety and reliability of composite structures will be improved and also this real-time health monitoring technique contribute the expansion of the applications of composite materials.
손상음향방출 취득을 통해 구조물의 충격 모니터링을 효과적으로 하기 위해서는 동시다점 신호취득이 가능한 다중화된 진동 센서가 필요하며, 손상 발생전후의 구조물의 동특성 및 음향방출 신호의 특징을 분석하기위한 신호처리 기법이 요구된다. 본 연구에서는 고주파 진동신호 취득이 가능한 FBG 센서 시스템을 개발하기 위해 간섭-복조화 장치를 응용하였으며, 동시 다점 신호취득을 위한 파장분할 다중화를 위해 일정한 파장간격(free spectral range, FSR)을 갖는 가변 패브리-페로 필터를 이용한 고주파신호 동시 다중화기법을 제안하였다. 또한 온도변화와 저주파 구조변형과 같은 외란에 대해서 FBG 센서의 민감도를 일정하게 유지시키기 위해 궤환 제어 기법을 이용한 안정성 능동제어장치를 개발하여 시스템에 적용하였다.
구조 손상 여부를 판단을 위한 신호처리기법으로는 이산화 된 웨이블릿 변환을 이용한 고주파 세부성분의 손상전후 신호특성을 이용하였다. 음향 방출 신호의 고주파 영역 진폭크기를 이용해 손상 여부를 판단했던 기존의 신호처리 방법은 금속에 비해 상대적으로 신호 감쇄량이 큰 복합재료에서는 손상발생 여부를 오판할 수 있는 여지가 있다. 또한 입력신호의 입사각도에 따라 다른 민감도를 가지고 있는 FBG 센서의 경우에는 손상신호의 발생 위치에 관계없이 파손여부를 판단 할 수 있는 새로운 손상신호 처리기법이 요구된다. 본 연구에서는 4단계로 분해된 웨이블릿 세부성분사이의 주파수별 에너지 분포변화 차이를 이용하여 충격손상 여부를 판별 했으며, FBG 센서까지의 신호전달 거리 및 신호 입사 각도에 상관없이 손상여부를 정확히 판별할 수 있음을 확인하였다.
전체적인 연구내용을 정리하면 다음과 같다
1. 고주파 복조화 장치의 성능비교 :
FBG 진동센서의 광강도 복조화 장치에 사용하기 위한 패브리-페로 필터 및 브래그 격자 필터의 복조화 장치로의 성능을 비교하기 위한 연구를 하였다. 광강도 복조화 장치에 사용될 두 협대역 필터를 EDFA 광대역 광원과 함께 외부 패브리-페로 간섭 센서에 적용하여 변형률 및 손상 음향파를 검출하기 위한 복합재 시편의 인장실험을 실시하였다. 브래그 격자 필터의 경우 손실되는 광량이 적으므로 손상 신호 검출 시 0.9 % 변형률 상태에서도 150 kHz 이상의 주파수 대역에 해당하는 손상신호를 감지할 수 있었다. 가변 패브리-페로 필터의 경우 브래그 격자 필터에 비해 상대적으로 민감도는 낮았지만 20 kHz 이상의 초음파 모재균열 손상신호 취득에는 문제가 없었으며 향후 민감도 안정화를 위한 필터파장 제어가 용이하므로 광강도 복조화 장치 구성에 적합하다는 결론은 얻었다. 위 복조화 장치를 사용한 외부 패브리-페로 센서의 경우 다중 파장 간섭을 이용한 정확한 변형률 측정을 위해 250 μm 의 상대적으로 넓은 간극을 갖도록 제작했음에도 불구하고 반사면에 금속을 증착 하여 손상신호를 취득하는데 발생할 수 있는 민감도 저하를 막을 수 있었다. 손상신호의 발생 여부를 구분하기 위해 STFT의 시간-주파수 분석 방법을 적용하였으며 광섬유 센서로 측정된 손상신호의 특징이 압전 세라믹 센서의 결과와 일치함을 확인하였다.
2. 파장분할 다중화된 FBG 진동센서 복조방법 개발 :
고주파 진동신호의 동시다점 취득을 용이하게 하기 위해 23.8 nm 의 좁은 FSR를 갖는 패브리-페로 필터를 사용하여 파장분할 다중화된 FBG 진동 센서시스템을 구축하였다. 1530 nm 대역과 1550 nm 대역에 대해서 2개의 파장을 갖는 가변 패브리-페로 복조화 장치는 각 대역에 해당하는 2개의 FBG 센서를 동시에 복조화 한다. 구성된 FBG 센서의 성능평가를 위해 FBG 진동센서의 민감도 측정실험 및 주파수 응답 측정 실험을 실시하였다. 압전 세라믹 가진기에 부착한 FBG 진동센서를 100 Hz 부터 10 kHz 까지 가진 시키며 해당 주파수에서의 SN 비 및 민감도를 측정하였다. FBG 센서는 평균 2.5 nε/√Hz 의 민감도를 나타냈으며 주파수 응답특성은 20 ~ 500 kHz 의 초음파 대역에서 매우 평탄한 주파수 응답특성을 보임을 확인하였다.
최종적으로 복합재료의 손상 주파수를 포함하는 200 kHz 까지 의 초음파 대역에 대해서 서로 다른 주파수로 가진된 FBG 센서의 고주파 동시다점 진동실험을 실시하였다. 결과적으로 좁은 FSR를 갖는 패브리-페로 복조화 장치가 초음파 영역까지도 정확하게 동시다점으로 진동 신호를 취득하였으며 구조물의 손상감지에 적용이 가능함을 확인하였다.
3. FBG 진동센서의 민감도 안정화 기법 개발 :
본 연구에서는 진폭 변화 복조화 방법을 사용한 FBG 진동센서에서의 민감도 변화문제 및 신호소멸(Fade-out) 문제를 해결하기 위해 민감도 안정화 장치를 개발하였다. 민감도 안정화 장치는 복조화 장치에 사용되는 가변 패브리-페로 필터의 투과 파장이 FBG 센서의 작동지점에 항상 고정이 되도록 필터의 작동 전압을 제어하는 방법을 이용하였다. 안정화된 FBG 센서의 성능 평가를 위해 열 챔버 내에서의 온도변화 환경에서 30℃ ~ 30℃ 까지 2℃ 간격으로 온도변화를 주며 FBG 센서의 신호 대 잡음 비 및 민감도를 변화를 측정하기 위한 실험을 실시하였다. 안정화 장치 적용 시 1 kHz로 가진 된 진동 신호에 대해 FBG 센서에서 52dB 이상의 신호 대 잡음 비와 평균 2.5 nε/√Hz 의 민감도를 일관되게 유지할 수 있음을 확인하였다.
4. 복합재 손상여부 판별을 위한 충격 손상신호 특징 분석 :
본 연구에서는 구조 손상 전후의 AE 신호 특성을 비교하기위해서 1 MHz 로 샘플링 된 입력신호에 대해서 500 kHz 이하의 고주파 성분을 4단계로 분해한 웨이블릿 분해요소의 세부성분(details)사이의 에너지 분포를 비교하였다. 실험 결과 손상신호의 전달거리가 길어짐에 따라 AE 신호의 진폭은 감소하나 분산시간은 증가하여 각 주파수 대역별 에너지 분포는 전달거리와 무관함을 확인하였다. 0.1 J과 5.0 J의 충격에너지에 대한 AE신호의 주파수 분포의 변화는 구조에 손상이 발생한 5.0 J의 경우 80 kHz 이하 주파수 대역을 담당하는 웨이블릿 세부성분 $D^1M_4$ 의 비중이 증가하며 상대적으로 고주파 성분을 담당하고 있는 $D^1M_1 ~ D^1M_3$ 의 점유비율은 감소하는 것을 알 수 있다. 결과적으로 AE 신호의 에너지 분포비율의 변화를 통한 손상감지 방법을 이용할 경우 각 주파수 대역별 신호 감쇄 영향과 무관하게 충격손상의 발생 여부를 판단할 수 있음을 확인하였다.
5. FBG 센서의 신호감쇄 특성을 고려한 충격손상 판별 :
본 연구에서는 복합적층평판의 충격손상여부를 판단하기위해 FBG센서를 이용한 저속충격실험을 수행하였다. 손상신호는 160 kHz 이하의 초음파 대역은 포함하는 $D^1M_4 ~ D^1M_3$ 의 웨이블릿 세부성분에서 감지되었으며 선행파가 진행되는 0.3 ms 동안 방출이 지속되었다. 위 신호의 주파수 대역은 복합재 구조의 층간분리 손상의 주파수 대역을 포함한다. 충격발생 초기에 관찰되는 선행 음향파는 충격지점에 따른 경계조건의 영향에 상관없이 일정한 형태를 유지하였다 신호전달 거리에 따라 진폭의 크기만 변화하였다. 충격 손상신호의 신호진폭은 신호전달 거리가 150 mm에서 600 mm로 늘어남에 따라 선형적으로 감소하였다. FBG 센서의 길이 방향에 대한 충격 손상신호의 입사 각도가 커질 경우 신호의 진폭은 비선형적으로 감소함을 확인하였다. 또한 60° 이상의 입사각도에서는 선행파(leading wave)의 최대진폭이 뒤따라 발생되는 후행파 또는 반사파의 최대진폭보다 작아지는 결과를 확인할 수 있었다. 따라서 방향에 따라 민감도 변화가 없는 PZT 센서와 같은 경우에는 선행파의 음향방출 진폭을 이용하여 손상유무 및 손상정도를 평가 할 수 있지만 FBG 센서와 같은 경우에는 신호진폭만으로 손상유무를 평가하기는 어려우며 어렵다는 결론을 내렸다.
웨이블릿 세부성분의 에너지 분포 변화를 이용하여 손상유무를 감지하기 위한 신호처리 기법을 적용한 경우에는 손상 신호의 에너지 분포가 충격손상신호의 입사각도에 무관하게 일관된 특징을 보였다. 손상 전 웨이블릿 세부성분 $D^1M_4$ 의 점유율은 43 % 정도에서 손상 후 53 % 정도로 10 % 가까이 증가함을 관찰할 수 있다. 반면 $D^1M_1 ~ D^1M_3$ 에 해당하는 웨이블릿 세부성분은 각각 2 ~ 5 % 까지 모두 점유율이 감소한 것을 알 수 있다. 따라서 입력신호의 웨이블릿 세부성분 간 분포율변화를 이용한 손상검출 기법은 신호전달 거리 및 FBG 센서의 방향성에 영향을 받지 않고 구조물의 충격손상 여부를 판별 할 수 있는 기준이 될 수 있음을 확인하였다.
