This dissertation presents the development of fatigue crack detection techniques based on nonlinear ul-trasonic modulation. When two surface-mounted lead zirconate titanate (PZT) transducers apply low frequency (LF) and high frequency (HF) inputs to a structure, the presence of a fatigue crack can provide a mechanism for nonlinear ultrasonic modulation and create spectral sideband components. First, the binding conditions (BCs) for the generation of nonlinear ultrasonic modulation specifically for a localized nonlinear source such as a fa-tigue crack, are theoretically formulated. Then, the suitability of the BCs are experimentally validated consider-ing both propagating waves and stationary vibrations. Additionally, the BCs for nonlinear modulation genera-tion due to distributed material and localized crack nonlinear sources are compared. Then, the main source of nonlinear modulation is investigated through visualization of modulation components on a cracked area by a 3D laser Doppler vibrometer (LDV) scanning. Micro and macro cracks are visualized, and the main source of nonlinear modulation is discussed by comparing the fatigue crack visualization results and the microscopic im-ages. Next, the reference-free fatigue crack classifiers for online fatigue crack monitoring are proposed. The spectral sidebands are extracted using a combination of linear response subtraction (LRS), synchronous de-modulation (SD) and continuous wavelet transform (CWT) filtering. Then, the best combinations of LF and HF inputs that amplify the crack-induced spectral sideband amplitudes are identified using a spectrogram named the first sideband spectrogram (FSS). Next, a reference-free fatigue crack classifier using a sequential outlier analysis without any baseline data obtained from the structure in intact condition is developed. The robustness of the proposed technique is demonstrated using the actual test data obtained from simple aluminum plates and complex aircraft fitting-lug specimens under various temperature and loading conditions. The limitations of the fatigue crack classifier using the outlier analysis are found during the applications to various structures. Thus, a new classifier using a Skewness-Median (SM) analysis is proposed. The modified fatigue crack classifier is vali-dated through applications to the aluminum plates and aircraft fitting-lug specimens under various tempera-ture/loading conditions and a real bridge structure. Then, a wireless sensor node for fatigue crack detection is developed by implementing the SM analysis based reference-free fatigue crack classifier. In order to achieve low power operation for field applications such as bridges and buildings, all hardware components are selected to minimize power consumption. The developed wireless sensor node is validated through laboratory tests and application to Yeongjong Grand Bridge by comparing the damage diagnosis results obtained by the conven-tional wired system.
본 연구는 비선형 초음파 모듈레이션(변조)을 이용한 피로균열 진단 기법 개발을 목표로 한다. 금속 구조물의 피로균열은 국부적으로 비선형성을 가지며 초음파가 해당 영역을 통과할 때 가진한 주파수 성분의 조화 및 변조가 발생한다. 일반적으로 손상으로 인한 초음파의 반사 및 감쇠, 산란을 감지하여 손상을 진단하는 선형 초음파 기법에 비해 비선형 초음파 기법이 피로균열 및 미소손상에 매우 민감하다고 알려져 있다. 먼저, 비선형 초음파의 특성에 대한 연구가 수행되었다. 국부 피로균열에 대한 비선형 초음파의 발생조건을 파 전파와 정상파를 모두 고려하여 종합적으로 해석 하였다. 파 전파와 정상파에 대하여 비선형초음파의 발생조건을 수식화 하였고 비선형 초음파 모듈레이션에 초점을 두어 이를 실험적으로 검증하였다. 또한 비선형 초음파 모듈레이션의 주된 원인을 파악하기 위하여 피로균열이 있는 구조물 표면을 3차원 레이저 도플러 속도계로 스캐닝한 후 변조성분만을 추출하여 시각화 하였다. 마지막으로 시각과 결과와 현미경 이미지와 비교하여 비선형 초음파의 주된 발생 원인을 논하였다. 다음으로 무기저 손상진단 기법들이 제안되었다. 먼저, 선형성분제거와 복조, 웨이브렛 필터를 이용하여 변조성분만을 추출하였다. 그 다음 손상으로 인해 발생하는 변조성분을 위한 최적 주파수 조합을 찾기 위해 측파대 스펙트로그램을 개발하였다. 구조물에 손상이 없을 때 계측한 기저자료 없이 자동으로 손상을 진단할 수 있도록 순차 이상치 분석을 이용한 무기저 손상진단 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘은 단순 알루미늄 평판과 실제 항공기 금속 구조물에 대하여 다양한 온도와 하중 조건에서 그 적용성을 검증하였다. 실 구조물 적용을 위한 다양한 구조물에의 적용과정에서 개발된 알고리즘의 한계가 발견되었고, 이를 보완하기 위하여 비대칭도-중앙값 분석을 이용한 손상진단 알고리즘이 개발되었다. 개발된 알고리즘은 실험실 조건뿐만 아니라 영종대교와 같은 실제 강 구조교량에의 현장 실험을 거쳐 그 적용성을 검증하였다. 또한 개발된 손상진단 알고리즘을 탑재한 무선센서노드 개발을 진행하였다. 교량, 건물과 같은 실 구조물 적용을 위한 소비전력 최소화를 위해 저전력 구동방식을 개발하였고, 모든 소자들은 저전력 요구사항에 맞도록 선택되었다. 개발된 센서노드는 실험실 실험과 인천공항고속도로 내 영종대교에 적용하는 현장실험을 통해 그 적용성을 검증하였다. 일반 유선 시스템과의 손상진단 결과를 비교한 결과, 개발된 무선센서노드와 유선 시스템이 서로 동일한 손상진단 결과를 보이는 것을 확인하였다.
