A new methodology of guided wave based nondestructive testing (NDT) is developed to detect crack damage in metallic plate-like structures without using prior baseline data (Kim, et al., 2007 [1]). The developed NDT technique is called “Reference-free NDT technique”. Crack formation creates Lamb wave mode conversion due to a sudden change in thickness of the structure. Using the feature of the mode conversion, instantaneous damage diagnosis can be possible without stored base-line data. In the previous study, the reference-free NDT technique using two pairs of collocated lead zirconate titanate transducers (PZTs) placed on the top and bottom surfaces of a plate has been shown in the time domain. However, the time domain approach has technical limitations of application to complex structures. When a guided wave response signal becomes complex due to multiple reflections and higher Lamb wave modes, the interpretation of the time response signal becomes a challenging task, demanding advanced signal processing technique. Also, the time domain analysis requires precise design parameters such as the time duration of signal analysis, input waveform and the driving frequency of input. Furthermore, the configuration of two pairs of collocated PZTs used in the previous time domain approach can cause enormous initial error due to PZT imperfections.
In this study, the reference-free NDT technique is further advanced to tackle the aforementioned technical challenges. First, the reference-free NDT technique is reformulated considering energy distribution among Lamb wave modes to overcome the limitations of the previous time domain approach. Also, the extension from tone-burst input to chirp input waveform is investigated. It has potential for advance in instantaneous diagnosis by reducing data analysis time and saving data storage space. Then different PZT transducer layouts are investigated to minimize vulnerability of the reference-free technique to PZT imperfection. Furthermore, the proposed techniques are extended and validated considering environmental effects such as temperature variation, static loading condition and ambient vibration. Numerical simulations and experimental verifications as well as theoretical developments are performed to investigate the performance of proposed techniques.
The scope of the proposed techniques offer a potential for a technically significant advance in SHM/NDT practice via the integration of active sensing, smart materials, statistical pattern recognition techniques and new theoretical development for damage diagnosis that has not been attempted to date. This field deployable NDT technique will be unique because (1) Various PZT transducer layouts are available to make the proposed technique more robust against PZT imperfection, more sensitive to defect, easier to design. (2) Chirp input waveform makes data analysis time and data storage space can be reduced. It makes a great contribution to instantaneous damage diagnosis of the structures. (3) Environmental and operational variations that in-service structures experience will not affect damage diagnosis, minimizing false indications of damage.
Guided wave를 활용한 구조물 손상 감지 기법의 새로운 방법론으로서 과거 기저 자료와 현재 측정된 신호를 비교하지 않고 구조물의 현재 상태를 진단할 수 있는 기법, 즉 무기저 손상 감지 기법이 Kim, et al. (2007)에 의해 제안되었다. 이 기법은 구조물의 균열 손상과 같은 갑작스런 단면 변화에 의해 발생하는 변환모드를 추출함으로써 현재 구조물의 건전도를 판단하는 원리이다. 과거 무기저 손상 감지 기법은 두 쌍의 압전 센서를 구조물 양면에 대칭으로 배치하여 시간 영역에서 이를 해석하였다. 그러나 시간 영역 해석방법은 다수의 반사파 및 고차 모드의 발생에 따른 해석의 한계점을 지니고 있다. 또한 시간 영역 해석법은 신호 해석 구간 및 입력 신호 형태 그리고 입력 신호 주파수 등의 정확한 매개변수 설정이 필요하다. 더욱이 두 쌍의 압전 센서를 이용한 대칭 배치는 압전 센서의 불완전성에 의한 초기 에러를 크게 유발할 가능성을 지니고 있다.
본 논문에서는 기존에 개발된 무기저 손상 감지 기법의 한계점을 극복하기 위하여 다음과 같이 총 4부분의 연구를 수행하였다.
(1) 에너지 기반의 무기저 손상 진단 기법: 기존의 시간 영역 해석 방법의 한계점을 극복하기 위하여 신호를 에너지 분포로 재구성한 무기저 손상 감지 기법을 개발하였다.
(2) 다양한 압전 센서의 배치: 기존에 사용되었던 두 쌍의 대칭된 압전센서의 배치(그림 1-(a))로부터 한 쌍의 대칭된 압전 센서의 배치 (그림 1-(b)), 한 쌍의 듀얼 압전 센서 배치 (그림 1-(c)) 그리고 하나의 듀얼 압전 센서(그림 1-(d))를 이용한 무기저 손상 감지 기법을 개발 하였다. 이는 압전 센서에 따른 초기 에러 가능성을 줄이고, 양면에 접근하기 어려운 구조물의 적용에도 큰 기여를 할 수 있다.
(3) 입력신호의 확장: 기존의 무기저 손상 감지 기법에 사용되었던 Tone-burst 입력 신호에 추가하여 Chirp 신호로 입력 신호를 확장함으로써 응답 신호의 획득 시간 및 저장 공간을 절약 할 수 있다. 이는 즉시적 손상 감지 기법의 발전에 크게 기여할 수 있다.
제시된 기법들은 이론적 개발과 수치해석 및 다양한 손상의 경우를 가정한 실내 실험을 통해 입증하였다. 나아가, 무기저 손상 감지 기법의 외부 환경적 영향을 검증하였다. 무기저 손상 감지기법의 주요 목적은 외부 환경적 영향으로부터 독립적으로 즉시적 판단이 가능한 알고리즘을 개발하는 것이다. 앞서 개발된 알고리즘이 온도 변화(-300C ~ 800C) 및 사용 하중 (정적 및 동적 하중)의 작용 상태에서도 오보 없이 즉시적 손상 감지가 가능한 기법임을 실험을 통해 검증하였다.
