Guided wave and impedance-based structural health monitoring (SHM) techniques have gained much attention due to their high sensitivity to small defects. One of the popular devices commonly used for guided wave and impedance measurements is a lead zirconate titanate (PZT) transducer. This study proposes a new wireless scheme where the power and data required for PZT excitation and sensing are transmitted via laser. The proposed technique wirelessly transmits power necessary for PZT excitation and sensed guided waves using a laser and optoelectronic devices. Unlike conventional laser ultrasonics, it can also measure impedance of a structure by combining with a self-sensing circuit. Furthermore, the proposed technique can generate any arbitrary waveform without causing ablation on the target structure with longer transmission distance. Finally, because the PZT sensor node is integrated only with passive electronic components, it can have a long lifespan when ruggedly packaged. First, a wireless guided wave generation technique using a laser is proposed. The proposed wireless technique transmits power necessary for PZT excitation using laser and optoelectronic devices. Because power is remotely transmitted to the PZT transducer, no complex electronic components are necessary at the PZT node. Then, wireless guided wave and impedance measurement techniques using a laser are proposed. Based on the scheme for wireless guided wave generation, the power required for exciting a PZT as well as the data measured from a PZT can be transmitted via a laser. To measure impedance, a PZT impedance node is designed by combining PZT excitation/sensing parts with self-sensing circuit. By measuring an excitation voltage and an output current from a single PZT simultaneously, the proposed system can wirelessly measure impedance of a structure. The designed PZT guided wave and impedance nodes are finally packaged in a small printed circuit board (PCB). The applicability of the proposed wireless system to detection of various damage types such as a crack, and bolt loosening, is experimentally investigated. Using the developed nodes, two experiments are conducted based on guided wave and impedance measurements. For damage detection, maximum cross-correlation coefficients (CC) are computed and applied to compensate temperature and condition variations. The results show that the maximum CC values of the guide wave and impedance signatures measured by proposed wireless system give good information for damage localization and severity at any frequency range.
일반적으로 교량, 대형시설물, 지하 매설물 등의 기간산업 시설물들은 사회가 발전하면서 사회 구성원들의 다양한 요구에 부응하기 위하여 점점 대형화 및 첨단화되고 있다. 이에 따라 여러 가지 신기술, 신공법, 신소재 등이 도입되고 있으며 효율적인 유지관리의 필요성 역시 증대되고 있다. 이러한 배경에서 최근 특히 압전소자를 활용하여 임의의 원하는 고주파 진동을 구조물에 발생시키고 이로부터 유도파(guided wave) 및 임피던스(impedance)를 계측하여 구조물의 손상으로부터 생기는 유도파 및 임피던스 신호의 변화를 통해 구조물에 발생하는 손상을 추정하는 능동형 센싱(active sensing) 기반 손상 검색 기술 및 무선 계측시스템이 개발되고 있다. 이러한 무선 계측 시스템의 경우, 센서 노드의 운영을 위해 전원공급이 필요하기 때문에 휴대용 배터리, 혹은 주위의 에너지원을 활용하는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술을 적용하고 있다. 그러나 압전소자를 활용한 능동형 센싱(active sensing) 타입의 경우 구조물을 가진시키기 위해 추가적인 기능 및 관련 소자(chip)들이 요구되며 이 때문에 훨씬 많은 에너지가 소모된다. 결국 기존의 무선 센서를 활용하는 것은 실제 구조물에서 사람이 쉽게 접근할 수 없는 부재의 모니터링 및 손상 검색 시 현실적으로 구현하기 매우 어려운 약점이 될 수 있다. 이러한 배경에서 본 연구에서는 레이저를 통해 원격지의 압전 센서 노드에 무선으로 전원 및 가진 신호를 공급하여 압전소자를 가진시키고 계측된 유도파를 수집, 전송함으로서 배터리 등의 추가 전원부의 설치 없이 반영구적으로 사용할 수 있는 새로운 무선 시스템을 제안, 개발하고자 하였다. 이를 위하여 레이저의 세기를 사용자가 원하는 임의의 파형으로 변조시킬 수 있는 기술을 개발하였으며, 이를 다시 전기 신호로 변환시켜 원격지의 압전 센서를 가진시킬 수 있도록 하였다. 이러한 무선 가진 기술은 레이저 스캐닝 장비와 연계하여 구조물의 비접촉 가진/센싱 시스템이 되도록 구성하였고, 추가적으로 스캐닝 장비를 활용하여 대상 부재의 유도파 전파 이미지를 구성할 수 있도록 하였다. 또한 레이저를 통해 무선으로 생성된 유도파를 압전 센서로 계측한 이 후, 계측 데이터를 역시 레이저를 통해 무선으로 전송할 수 있도록 하였다. 이를 위하여 압전 센서부에서 레이저의 신호를 전기 신호로 변환, 증폭하고, 계측 신호를 다시 레이저로 변환하는 기능을 수행할 수 있는 새로운 무선 센서 노드를 고안하였다. 마지막으로, 본 연구에서 고안된 시스템을 기존에 개발된 self-sensing circuit과 결합함으로서 구조물의 임피던스 역시 계측할 수 있도록 개발하였다. 최종적으로는 이렇게 개발된 레이저 기반 무선 유도파, 임피던스 계측 기술을 활용하여 토목 구조물에 발생할 수 있는 강교량 구조물 부재의 균열 및 볼트 조임부의 풀림에 대한 손상 검색 실험을 수행하여 본 기술의 적용성을 검증하였다. 추후 본 기술을 실제 토목 구조물에 적용함으로서 그 활용성을 확대시켜 나가고자 한다.
