Each year, structural health monitoring (SHM) techniques has been gaining significant amount of attention due to its possibility of increasing structural reliability. Although various nondestructive evaluation techniques exist for SHM, such as acustic emission, ultrasonic impedance, and impact echo testing, these techniques often require expensive and sophisticated hardware with expert operators, limiting their applications to a certain aspect. On the other hand, a nondestructive evaluation (NDE) technique widely known as electromechanical impedance (EMI) method has shown promising results as a local NDE method. In this study, advanced techniques related to EMI method is discussed to overcome some of the current existing problems.
Firstly, eliminating the manual selection process of frequency ranges for EMI method is discussed and a solution using reusable EMI technique is introduced to overcome this problem. Commercialized neodymium magnet is used to create reusable PZT sensors which allows for a single sensor to monitor multiple areas simply by attaching or removing it onto steel structures. Since the reusable sensor is attached by magnetic force, the resonance frequency ranges of the sensor remains vaguely changed. Thus by knowing the resonance frequency ranges of the reusable sensor, the need for searching suitable frequency ranges for EMI method is eliminated. Secondly, the previous work is continued by expanding the introduced idea onto structures where EMI method is very difficult to perform. For structures with large surface areas, conducting EMI method can result in unsuccessful damage detection due to vague changes in the impedance signature. However, using a metallic object in between the PZT and the host structure can enhance the damage identification performance of the EMI method.
The idea is furthered by applying this principle for conducting EMI method on structures with complex surface or elevated temperature. Since the piezoelectric ceramic material used for this study (P4E5) is brittle and its piezoelectric behavior is lost at high temperature, a technique is proposed by using a steel wire to overcome these problems. The proposed steel wire EMI method showed its possibilities to be used on structures with complex surfaces or surfaces with elevated temperatures. The final parts of the study involve predicting damaged locations on steel and composite plates using the EMI method.
PZT(Lead titanate zirconate) 재료를 이용하는 많은 연구들이 현재 시점까지 진행되어왔다. 이러한 센서는 압전효과를 나타내며, 압력을 받았을 때 전압을 일으키고, 역으로 전압을 가했을 때, 물리적인 모양변화를 일으킨다. 이러한 효과로 인해 비파괴검사의 영역이 현재까지 많이 넓혀져 왔다. 본 논문에서는, PZT 센서를 이용하는 비파괴검사인 전기기계적 임피던스 (Elec-tromechanical Impedance, EMI)에 대한 문제점을 제시하고, 극복하기 위한 제안과 실험을 통한 결과를 산출하였다. 임피던스 기법은 다른 비파괴검사 기법들에 비해 작은 크기의 센서를 사용하여 구조물 모니터링이 가능하고, 접근성이 매우 우수해 토목구조물 건전도 모니터링분야에서 많은 관심을 받고 있다. 본 내용에서 다루는 연구는 다음과 같이 요약할 수 있다. (1) 재사용 가능한 임피던스 기법, (2) 복합재료와 콘크리트 구조물의 손상감지 민감도 향상 기법, (3) 스틸와이어 임피던스 기법, (4) 여러표면의 손상감지 기법, (5) 손상위치 감지 기법이 기록돼있다.
첫 번째 연구는, 자석을 사용함으로써, 재사용 가능한 임피던스 기법이 완성되었다. 자석 표면에다 PZT 센서를 부착하여, 복합재료 접착 면에 대한 손상을 감지하였다. 부착된 자석의 크기별로 실험을 하였으며, 자석의 크기 마다, 공명주파수 영역이 다르다는 것을 알 수가 있었다. 이러한 아이디어 바탕으로 복합재료와 콘크리트 구조물에 거의 불가능한 임피던스 기법의 문제점을 극복하였다. 강철 조각에 PZT 센서를 먼저 부착하여 공명주파수를 심어주는 기술로, 손상으로 인한 신호변화가 대폭 상승하여, 임피던스 기법을 통한 손상감지가 원활하게 이루어 졌다. 다음으로 원자력발전소 내부에 설치돼있는 파이프 구조물을 위한 임피던스 기법을 제시하였으며, 온도 300˚C이 넘는 표면에다 손상감지가 가능하다는 것을 목표로 실험을 하였다. PZT 센서에다 와이어를 연결하여 구조물 표면에다 부착하여 손상감지 실험을 하였으며, 또한 여러 표면을 감지하기 위해, 하나의 PZT 센서가 아닌, 여러 PZT 센서(각각의 공명주파수를 지닌)를 연결하여 하나의 장비로, 여러 표면의 손상감지가 이루어졌다. 마지막으로 인공신경망인 Probabilistic Neural Networks 기법을 사용하여, 복합재료 시편에 대한 손상의 위치를 예측하는 연구를 진행하였다. PZT센서 3개를 표면에다 부착하여, 실험체를 6구역으로 나누어, 손상된 구역을 예측하는 실험을 진행하였으며 80%의 정확도를 나타내었다. 결론적으로 여러 요소들이 정확도에 영향을 미칠 수 있으며, 이러한 영향을 조사할 연구가 이루어질 필요가 있다고 판단되었다.
