Laser ultrasonic and infrared (IR) thermography techniques have great potential for noncontact, nondestructive, noninvasive and instantaneous detection of a structural damage. In particular, their wavefield imaging with high temporal and spatial resolutions enables to identify and localize even an incipient damage. This dissertation aims to develop new laser ultrasonic wavefield imaging (LUI) and laser lock-in thermography (LLT) techniques for instantaneously automated detection of structural damages and validate their applicability for various target structures and damage types. The main objectives of the proposed techniques are listed as (1) noncontact damage detection, (2) reference-free damage diagnosis for automated and instantaneous damage alarms, (3) damage visualization for damage identification and localization and (4) adaptable and versatile damage detection techniques for real structures. These objects are able to significantly contribute to the evolution of nondestructive testing (NDT) to structural health monitoring (SHM). To achieve them, the LUI and LLT techniques are developed and validated through the following four steps: (1) development of noncontact LUI and LLT systems, (2) development of reference-free damage diagnosis algorithms, (3) numerical and experimental validations using lab scale specimens and (4) application to real structures.
For the LUI technique, a new complete noncontact LUI system is developed by synchronizing and integrating a Q-switched Nd:Yag pulse laser for ultrasonic wave generation, a laser Doppler vibrometer for ultrasonic wave measurement and a galvanometer with a focal lens for laser scanning. In particular, the characteristics of laser-generated ultrasonic waves are investigated through thermoelastic finite element modeling, and various laser scanning schemes for ultrasonic wavefield imaging are introduced and compared to address practical issues. Then, reference-free damage diagnosis algorithms, which are able to offer robust damage diagnosis against operational and environmental variations, are proposed for automated and instantaneous damage alarms. Based on a frequency-wavenumber (f-k) domain analysis, a standing wave filter and a self-referencing f-k filter are developed for isolation of only damage-induced features from ultrasonic wavefield data obtained from simple plate-like structures and complex structures with additional structural features, respectively. Subsequently, the developed LUI system and algorithms are numerically and experimentally validated using lab scale specimens. Finally, the applicability of the proposed LUI technique to an in-situ bridge site and an aircraft wing is examined, and the associated issues are also addressed.
As for LLT, the fundamental principle of IR thermography is introduced first, and then a novel LLT system is developed by synchronizing and integrating a modulated continuous wave laser for thermal wave generation, an IR camera for thermal response measurement and a galvanometer with a focal lens for laser scanning. Then, the working principle and physical interpretations of LLT is provided, and its performance is examined through thermal wave imaging tests in a metallic specimen having low emissivity. Next, a holder exponent filter is proposed to extract only damage features, and its performance is experimentally investigated by evaluating invisible damages in a steel plate and a welded joint of a T-shape steel structure. Finally, the feasibility of the LLT technique is also investigated through micro crack detection in a semiconductor chip.
Since the LUI and LLT techniques identify damage based on different physical principles, they have own advantages for certain applications. Based on their own merits, the validation results throughout the dissertation confirm that invisible damages are successfully detected without comparing baseline data previously obtained from the pristine condition of target structures. Moreover, their feasibility tests for real applications reveal that the proposed techniques are promising tools as alternative or complementary techniques to the existing SHM systems. However, still there are a number of technical hurdles that need to be overcome so that the proposed techniques are effectively adopted for various SHM applications. The associated challenges and their path forwards are also addressed in this dissertation.
최근 사회적으로 구조물의 안정성 및 신뢰성과 관련한 구조물 건전성 모니터링 (SHM) 및 손상 감지 기술의 수요가 급증하면서, 토목, 기계, 항공 및 전자 등의 다양한 분야에서 그 연구가 가속화되고 있다. 본 논문에서는 기존의 접촉식 센서를 활용한 손상 감지 기법을 뛰어넘는 비접촉식 레이저 초음파장 이미징 (LUI) 및 레이저 위상잠금 열화상 (LLT) 기법을 개발하고, 수치해석 및 실험실 단위의 실험을 통해 검증하였다. 나아가 교량, 항공기 및 반도체 손상진단 실험을 통해 실제 구조물에 적용 가능성을 검토하였다. 개발된 LUI 및 LLT 기법은 기존의 접촉식 손상 진단 기술에 비해 다음과 같은 장점을 갖는다. (1) 센서 및 케이블 설치가 불필요하며, 이에 따른 유지/보수 비용을 절감할 수 있다; (2) 구조물의 정상상태에서 축적된 데이터와 비교없이 즉시적으로 측정된 신호만을 이용하여 손상을 진단하는 무기저 손상진단이 가능하며, 이는 주변 환경 변화에 따른 오보를 최소화하여 SHM의 신뢰성을 향상시킨다; (3) 관리자 및 전문가의 개입없이 자동화된 즉시적 손상 알람을 사용자에게 제공할 수 있다; (4) 손상의 시각화를 통해 손상의 유무 뿐만 아니라 위치, 나아가 손상의 크기 정보를 제공할 수 있다; (5) 고온 및 방사선 등의 극한의 환경에 노출되거나 동적 상태의 대상 구조물 및 MEMS와 같은 접촉식 센서설치가 불가능한 대상 구조물 등의 다양한 실제 구조물에 대한 적용성 확장의 폭이 넓다. 이와 같은 장점을 구현하기 위하여, 본 논문에서는 다음의 네 단계를 통해 연구를 수행하였다: (1) 완전한 비접촉식 LUI 및 LLT 시스템 개발, (2) 무기저 손상진단 알고리즘 개발, (3) 수치해석 및 실험실 단위의 실험 검증, (4) 실제 구조물에의 적용성 검토.
LUI 시스템은 초음파 가진을 위한 Q-switched Nd:Yag pulse laser, 센싱을 위한 Laser Dopper vibrometer 및 레이저 스캐닝을 위한 초점렌즈와 Galvanometer를 통합/동기화하여 구축하였다. 다음으로, 개발된 LUI 시스템을 통해 발생된 레이저 초음파의 전파 특성 및 손상과의 상호 작용을 조사하기 위해 열탄성 유한요소 해석을 수행하였다. 이 결과로부터 규명된 초음파의 특성을 기반으로 Standing wave filter 및 Self-referencing f-k filter의 무기저 손상 진단 알고리즘을 개발하였고, 수치해석 및 다양한 실험실 시편을 통해 그 성능을 검증하였다. 나아가, 실제 교량에서의 이면 균열 및 항공기의 날개 구조물의 내부 층간분리를 시각화함으로써 실제 구조물에의 적용 가능성을 검토하였다.
LLT 시스템은 열파 가진을 위한 Modulated continuous wave laser, 센싱을 위한 적외선 열화상 카메라 및 레이저 스캐닝을 위한 초점렌즈와 Galvanometer를 통합/동기화함으로써 개발하였다. 본 연구에서는 개발된 시스템을 이용하여 주변 잡음의 영향을 배제한 열파 전달을 가시화하였으며, 이에 대한 작동원리 및 물리적 의미를 구체화하였다. 다음으로, 무기저 손상진단 알고리즘인 Holder exponent filter 를 개발하고, 이를 실제 피로 균열 평가를 통해 검증하였다. 또한, 개발된LLT 기법의 실제 구조물에 적용가능성을 조사하기 위하여 반도체 제조 공정중 발생한 반도체 칩의 미세 균열 평가를 수행하였다.
수행된 연구의 학술적 독창성 및 기여는 크게 다음과 같이 요약할 수 있다: (1) 완전한 비접촉식 LUI 및 LLT 시스템 개발, (2) 단순 평판 구조물부터 복잡한 구조물에까지 적용 가능한 무기저 손상진단 알고리즘 개발, (3) 손상 시각화를 통해 손상의 유무, 위치 및 크기 평가가 가능한 손상 감지율의 향상, (4) 실제 구조물에의 적용성 검토를 통한 제안 기법들의 성능검증 및 향후 연구 방향제시.
LUI 와 LLT 기법은 상이한 물리적 원리를 기반으로 손상을 감지하므로, 특정 적용대상에 따른 각 기법만의 고유 장점을 지닌다. 본 연구의 검증 결과에 따르면, LUI 기법은 LLT 기법에 비하여 스캐닝 이면의 손상 감지에 탁월한 효율성을 나타냈고, LLT 기법은 LUI 기법에 비해 빠른 시간내에 표면 미세 손상을 평가하는데 유리함을 알 수 있었다. 나아가, 실제 구조물에의 적용성 검토를 통해 현존하는 SHM 기법들의 보완 기술로서의 충분한 가치가 입증되었다. 하지만, 실제 구조물에 안정적인 적용을 위해서는 여전히 극복해야 할 기술적 한계가 남아있으며, 향후 거듭된 연구와 발전을 통해 다양한 분야에서 비접촉식 손상 진단에 활용될 것으로 기대한다.
