[논문]압전소자와 광섬유센서를 이용한 케이블의 손상평가

박강근; 김이성

문제 정의

이러한 압전센서는 케이블 구속부와 강선 케이블 간에 발생하는 두께방향의 진동을 측정하기 위해 이용하였다.<그림 2>는 케이블의 단부를 나타내며, 압전소자의 부착위치를 나타낸다.
이를 케이블의 양단에 부착된 압전소자의 발생 전압과 어떠한 상관관계가 있는지에 대하여 검토하였다.
연구를 하였다. 케이블 구조물의 동적해석 수행 시 모드 참여율을 이용하여 고차 모드의 진동을 제거할 수 있는 수치감쇠 기법의 타당성을 검증하고 이러한 수치 감쇠기 법과 케이블 요소를 적용해 케이블 복합구조물의 일시적인 불안정 거동을 규명하고 정확한 해를 평가하기 위한 수치해석에 관한 연구였다摆

가설 설정

나타낸다.<그림 2>에서와 같이 케이블이 단부 구속부 내에서 케이블이 파단되어 파괴되는 경우, 압전부저가 부착된 구속봉은 내부에서 진동이 발생하므로 정상상태의 압전부저 전압에 비해 증가한다고 가정하였고, 케이블이 중앙부에서 파단파괴가 발생하는 경우도 케이블이 인장력으로 인하여 풀림이나 파단이 발생되므로 이로 인해 진동이 발생하면 케이블의 단부 구속부에 부착되어 있는 압전부저에 가 진력으로 작용하기 때문에 강선 다발로 구성된 중앙부보다는 강봉으로 이루어진 양단 구속부에 압전센서의 부착 위치로 결정하였다.

제안 방법

광섬유 센서는 광섬유에 길이변화가 발생하면 내부를 통과하는 빛의 굴절률이 변화하기 때문에 이를 이용하여 부재의 변형을 측정한다.
이용하여 측정하였다. 그리고 케이블 중앙부에 U자형태의 두랄루민 (Duralumin) 하우징 (Housing) 을 제작하여 광섬유 센서를 고정하고 케이블 양단 에인 장력이 작용할 때 측정한 케이블의 신장량과 압전부저의 발생전압을 비교하였다.
본 연구에서는 케이블 시스템의 양단부에 위치한 구속 단에 압전 부저형태의 압전소자(Piezo Disk)를 부착하여 케이블에 인장력이 작용할 때 풀림과 파단으로 발생하는 전압의 진폭(Amplitude)과 주기 (Frequency)구간을 평균치 (Root Mean Square) 정리를 이용하여 측정하였다. 그리고 케이블 중앙부에 U자형태의 두랄루민 (Duralumin) 하우징 (Housing) 을 제작하여 광섬유 센서를 고정하고 케이블 양단 에인 장력이 작용할 때 측정한 케이블의 신장량과 압전부저의 발생전압을 비교하였다.
Dowd (2001)는 케이블에 발생한 손상을 바람으로 케이블에 발생하는 진동을 이용하여 수치해석과 실험을 하였다. 실제 크기의 케이블을 제작하고 바람으로 발생하는 케이블의 진폭(Amplitude)과 파괴손상으로 발생하는 진폭 간의 관계를 비교한 연구였다.。
연성구조 시스템인 케이블 네트 구조물은 초기강성이 매우 약한 구조체이기 때문에 초기강성을 확보하기 위해서는 초기응력의 도입이 필수적이며, 초기 강성을 보유하기 전에는 불안정 현상을 나타내지만 초기 강성의 비선형성을 고려한 비선형 해석의 요구로 보다 일반화된 비선형 케이블 요소를 제안하였고, 적용 가능한 해석 프로그램(McST)을 개발하였다. 형상해석은 기하학적 강성매트릭스만을 이용하여 Newton - Raphson법에 의한 수렴계산을 하며, 응력-변형해석은 각 증분구간에서는 수정하중 증분법을 적용하고, 최종 하중에서 Newton-Raphson법을 이용함으로써 수렴의 범위를 향상시킨 연구였다顼
오실로스코프(Oscilloscope)를 이용하여 실험실 조건하에서 발생하는 잡음대역을 실시간으로 측정하였다. 케이블 시험체를 인장시험기에 정치하고 인장력을 작용시키기 전의 잡음대역을 평균치(RootMean Square)로 즉정한 압전부저의 최대전압은 0.
오실로스코프(Oscilloscope)를 이용하여 실험실 조건하에서 발생하는 잡음대역을 실시간으로 측정하였다. 케이블 시험체를 인장시험기에 정치하고 인장력을 작용시키기 전의 잡음대역을 평균치(RootMean Square)로 즉정한 압전부저의 최대전압은 0.015Volt로 케이블의 손상으로 발생한 압전부저의 전압을 측정할 경우, 잡음대역이상의 발생전압을 비교하기로 하였다.
케이블 중앙부에 광섬유 센서를 u자 형태의 두랄루민 하우징을 이용하여 부착한 다음 케이블에 인장력을 작용시 켰을 때의 케이블 신장량을 측정하였다.
케이블에 인장력이 작용할 때, 케이블에 부착된 광섬유 센서의 빛 굴절률 변화를 측정하여 케이블에 작용되는 인장응력을 평가한 연구를 하였다.a
케이블의 단부에 압전부저를 부착하여 양단에 인장력을 작용시키면서 발생되는 전압을 케이블의 하중-변위 선도와 비교하였고, 케이블에 인장력을 작용될 때 발생되는 저잡음 대역의 영향을 파악하였다. <그림 4>는 케이블 인장시험 시 실험실 주위에 진동영향 등으로 케이블 양단부에 부착된 압전부저에서 발생되는 잡음(Noise)대역이다.

대상 데이터

계측하였다.® 압전부저(Piezo Buzzer) 형태의 압전센서는 일본 MURATA 사의 제품을 사용하였으며, 데이터 로거(Data Logger)는 Tokyo Sokki사의 TDS-301을 이용하였다.
광섬유 센서는 케이블에 직접 부착하게 되면 케이블의 양단에 인장력이 작용하면서 센서의 직선성을 유지할 수 없기 때문에 이를 해결하기 위해 케이블의 단면에 적합한 U자 형태(U Type)로 제작하였으며 하우징의 재료는 두랄루민 (Duralumin) 이다.

데이터처리

<그림 4>는 케이블 인장시험 시 실험실 주위에 진동영향 등으로 케이블 양단부에 부착된 압전부저에서 발생되는 잡음(Noise)대역이다. 케이블의 풀림과 파단 시 발생되는 진동의 영향이 크기 때문에 압전부저 의 발생전 압을 진폭 (Amplitude)과 주 기 (Frequency)구간 내의 평균치 (Root Mean Square) 를 측정하여 정상상태와 손상상태를 비교하였다.< 그림 5>는 케이블을 인장실험하기 위해 정치된 상태를 나타내며, <그림 6>은 인장력으로 인해 케이블의 강재 구속부내에 케이블이 파단된 인장실험의 결과를 나타내고 있다.

이론/모형

따라서, 케이블의 진동에 의해 발생되는 압전부저의 전압측정은 평균치 (Root Mean Square) 정리를 이용하여 계측하였다.® 압전부저(Piezo Buzzer) 형태의 압전센서는 일본 MURATA 사의 제품을 사용하였으며, 데이터 로거(Data Logger)는 Tokyo Sokki사의 TDS-301을 이용하였다.
케이블의 인장시험을 하는 실험실의 잡음(Noise) 대역 분석하기 위해 독일의 Witting Technology 사의 2채널 오실로스코프인 BenchScope를 이용하여 측정하였다. 오실로스코프(Oscilloscope)를 이용하여 실험실 조건하에서 발생하는 잡음대역을 실시간으로 측정하였다.
연성구조 시스템인 케이블 네트 구조물은 초기강성이 매우 약한 구조체이기 때문에 초기강성을 확보하기 위해서는 초기응력의 도입이 필수적이며, 초기 강성을 보유하기 전에는 불안정 현상을 나타내지만 초기 강성의 비선형성을 고려한 비선형 해석의 요구로 보다 일반화된 비선형 케이블 요소를 제안하였고, 적용 가능한 해석 프로그램(McST)을 개발하였다. 형상해석은 기하학적 강성매트릭스만을 이용하여 Newton - Raphson법에 의한 수렴계산을 하며, 응력-변형해석은 각 증분구간에서는 수정하중 증분법을 적용하고, 최종 하중에서 Newton-Raphson법을 이용함으로써 수렴의 범위를 향상시킨 연구였다顼

성능/효과

0 22 Cable, 016 Cable, 012 Cable의 인장시험 결과, 케이블에 인장력이 작용하면 진동발생으로 인하여 케이블의 양단부에 부착된 압전센서의 전압을 증가되어 케이블의 파단과 파괴 시 발생되는 전압이 가장 크게 증가되는 것으로 나타났으며, 이를 이용하면 케이블에 발생되는 손상여부를 파악할 수 있을 것으로 사료된다.
0 22 Cable의 케이블 내력 58%는 양단에 부착된 압전소자의 전압이 증가되는 구간으로 나타났다. 케이블 내력의 58%일 때 케이블의 중앙에 광섬유 센서를 고정하기 위해 정착된 U자 형태의 하우징에 발생한 미끄러짐 현상의 발생구간은 케이블의 파단으로 발생한 진동으로 야기된 압전부저 의 전압증가구간 내에서 발생하는 것으로 나타났다.
1) 인장 케이블 시스템에 압전소자를 부착하여 손상을 평가하는 경우, 케이블의 풀림이나 파단으로 발생하는 압전소자의 전압으로 케이블의 손상을 평가할 수 있을 것으로 나타났다.
2) 인장 케이블 시스템에 압전소자를 이용하여 케이블에 발생한 손상을 모니터링 할 경우, 복잡한 신호처리를 이용하지 않더라도 압전소자의 발생 전압 구간에 진폭과 주기 구간별 평균치 정리를 이용하여도 손상을 파악할 수 있는 것으로 나타났다.
이때의 내력구간에 대해 압전부저의 전압발생 내 광섬유 센서를 이용한。22 Cable의 인징시험결과, 케이블 내력의 58%에서 케이블과 광섬유 센서의 하우징 간의 미끄러짐 현상이 발생하는 것으로 나타났다. 이를 케이블의 양단에 부착된 압전소자의 발생 전압과 어떠한 상관관계가 있는지에 대하여 검토하였다.
3) 케이블에 광섬유센서를 부착하여 인장력이 작용될 때 내력의 50% 대역에서 케이블과 광섬유 센서를 위한 하우징 간의 미끄러짐 현상이 발생하였다. 이는 케이블 중앙부의 급격한 단면손실로 발생하는 것으로 장력 증가로 발생한 케이블 단면 손실이 케이블의 단부에 부착된 압전소자의 전압크기가 증가되는구간과 관련된 것으로 사료된다.
광섬유 센서를 이용한 012 Cable의 인장시험 결과, 케이블 내력의 50%에서 케이블과 광섬유 센서의 하우징 간의 미끄러짐 현상이 발생하는 것으로 나타났으며, 케이블의 양단에 부착된 압전소자의 전압증가구간은 50%로 압전소자의 전압이 증가되는 구간으로 나타났다.
광섬유 센서를 이용한 016 Cable의 인장시험 결과, 케이블 내력의 40%에서 케이블과 광섬유 센서의 하우징 간의 미끄러짐 현상이 발생하는 것으로 나타났으며, 케이블의 양단에 부착된 압전소자의 전압증가구간으로 나타났다.
광섬유센서를 이용한 022 Cable, 0I6 Cable, 012 Cable의 인장시험결과, 케이블에 인장력이 작용하면 케이블의 중단부에 부착된 광섬유 센서가 케이블 내력의 50%까지 신장량을 측정하다가 케이블과 하우징 간의 미끄러짐 현상이 발생되어 케이블의 신장량을 측정하지 못하는 것으로 나타났다. 이는 케이블 양단에 작용되는 인장력으로 인하여 발생된 케이블 중앙부의 급격한 단면손실로 사료된다.
케이블 내력의 58%일 때 케이블의 중앙에 광섬유 센서를 고정하기 위해 정착된 U자 형태의 하우징에 발생한 미끄러짐 현상의 발생구간은 케이블의 파단으로 발생한 진동으로 야기된 압전부저 의 전압증가구간 내에서 발생하는 것으로 나타났다.
케이블의 파단으로 오른쪽 단부의 압전부저는 케이블의 풀림과 파단에 따라 순차적으로 전압이 증가되는 것으로 나타났으며 케이블의 왼쪽 단부의 압전부저는 초기의 발생전압보다 저감되는 것으로 나타났다. 0 16 Cable의 인장시험결과, 케이블의 손상으로 발생한 양단 단부에 각각 부착된 압전부저의 전압은 내력의 40%, 88%에서 발생하였다.
0 16 Cable의 인장시험결과, 케이블의 손상으로 발생한 양단 단부에 각각 부착된 압전부저의 전압은 내력의 40%, 88%에서 발생하였다. 케이블의 파단으로 오른쪽 단부의 압전부저는 케이블의 풀림과 파단에 따라 순차적으로 전압이 증가되는 것으로 나타났으며, 케이블의 왼쪽 단부의 압전부저는 초기의 발생 전압보다 저감되다가 케이블의 파단이 발생하는 내력 100%에서 최대 전압이 발생하였다.
케이블의 파단으로 오른쪽 단부의 압전부저는 케이블의 풀림과 파단에 따라 케이블 내력의 100%에서 전압이 증가되는 것으로 나타났으며, 케이블의 왼쪽 단부의 압전부저는 케이블의 내력 35%, 50%, 100% 에서 전압증가가 발생하는 것으로 나타났다.

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