This paper reports the development of low-cost inductively coupled passive wireless strain sensors which could be easily embedded within composite prepreg layers for structural health monitoring application. Sensors of different patterns were fabricated and were experimentally tested. Theoretical modeling utilizing three different approaches and electromagnetic simulation were performed to estimate both the strain-free resonant frequency and the shift of resonant frequency of the sensor due to strain. Both the modeling and simulation results showed satisfactory agreement with the experimental data. Experimentally, all the sensors showed great strain sensing potential, as good linearity between resonant frequency and strain and relatively low hysteresis characteristics were observed. In addition, several possible influences on sensor performance were investigated, including the misalignment between sensor and antenna in terms of relative angle, relative in-plane position and relative out-of-plane position, and the effect of metal plate in the vicinity of the sensor. Additionally, the feasibility of constructing sensor array was verified. Finally, no significant degradation of interlaminar shear strength of the composite material was observed due to sensor embedment.
본 논문은 구조건전성모니터링(Structural Health Monitoring, SHM) 애플리케이션 용으로 복합 절연체 레이어 내부에 손쉽게 삽입될 수 있는 저가형 유도 결합 수동 무선 변형률 센서의 개발에 관한 것이다. 서로 다른 패턴의 센서를 제작하여 실험을 통해 테스트했다. 무변형 공진 주파수와 변형으로 인한 센서의 공진 주파수 이동을 모두 예측하고자 세 가지 각기 다른 접근법을 활용한 이론적 모형화와 전자장해석을 수행했다. 모형화 및 결과는 모두 실험 데이터와 만족할만한 일치를 보여주었다. 실험에서 공진 주파수와 변형률 사이에 양호한 직선성과 상대적으로 낮은 히스테리시스 특징이 관찰된 바, 모든 센서에서 변형률 감지 잠재력이 크게 나타났다. 또한 상대 각도의 면에서 센서와 안테나간의 조정 불량, 상대적 비접촉식 및 상대적 접촉식과 센서 근처의 금속판의 효과 등 센서 성능에 영향을 미치는 다양한 요인을 조사했다. 뿐만 아니라 센서 배열의 제작 타당성을 확인했다. 끝으로 이러한 센서 삽입으로 인하여 복잡재의 층간전단강도가 유의한 수준으로 하락하지는 않는 것으로 확인되었다.
