This study presents an electromechanical (EM) impedance measurement technique using a dual piezoelectric transducer for continuous monitoring of large structures. The dual piezoelectric transducer, composed of two separate but concentric lead zirconate titanate (PZT) segments, can effectively measure the small response of the host structure, since it is not influenced by the excitation-induced PZT strain. The proposed EM impedance measure-ment technique shows high signal-to-noise ratio (SNR) and good repeatability from the measured impedance signals in massive structures. At the same time, the proposed technique allows low-cost and fast measurement of the impedance signatures. In this study, the dual PZT impedance measurement is formulated theoretically and verified numerically. Then, a series of experimental validation were carried out on a laboratory-size specimen and full-scale bridge and building structures. The experimental results show that the proposed technique successfully measures the EM impedance signals with high SNR and good repeatability from massive structures even in which the conventional techniques fail to do so.
본 연구에서는 대형 구조물의 건전성 모니터링을 위한 새로운 기전 임피던스 계측 기법을 제안한다. 압전센서와 대상 구조물간의 기계-전기적 결합을 이용하는 기전 임피던스 기반의 손상진단 기법은, 압전센서 근처 국부 손상에 매우 민감한 것으로 알려져 있다. 일반적으로 기전 임피던스 신호는 상용 임피던스 계측기를 이용하여 계측되어 왔고, 최근 저가의 자가 센싱회로를 통해서도 계측이 가능해 졌다. 임피던스 계측기는 정확한 임피던스를 측정할 수 있지만, 상당히 고가이고, 장비의 부피가 크며, 느린 계측 속도 때문에 실제 현장에서 실시간 계측이 힘들다는 단점이 있다. 자가 센싱회로의 경우, 저가의 소형 측정장비를 이용하고 실시간 측정이 가능하다는 장점이 있으나, 기저 저항체 또는 커패시터를 이용하여 간접적으로 응답을 계측하기 때문에, 구조물로부터 계측된 응답의 높은 신호대 잡음 비를 기대하기 어렵다. 여기서, 두 계측기법 모두 교량, 원전 구조물과 같은 대형 구조물로부터 기전 임피던스 신호를 획득하는 데 한계가 있다. 본 연구에서는 동심원형의 이중 압전센서를 이용하여, 저가의 소형 계측 장비를 이용하면서 높은 신호대 잡음 성능을 가지는 기전 임피던스 계측 기법을 제안한다. 우선, 이중 압전센서 임피던스의 이론적 모델을 정립하였고, 수치해석 및 실험실 규모의 임피던스 계측실험을 통해 정립된 모델을 검증하였다. 검증된 이중 압전센서 임피던스 계측기법을 실규모 교량 및 건축 구조물에 적용을 하였고, 대형 구조물에서 제안하는 이중 압전센서 임피던스 계측 기법만이 높은 신호대 잡음비 및 반복률을 보이며 기전 임피던스 신호 획득에 성공하는 것을 확인하였다.
