[논문]PVDF 필름을 이용한 구조물의 동적 변형률 측정

김수민; 신성우; 이재용; 김남식

doi:10.14346/jkosos.2011.26.6.064

PVDF 필름을 이용한 구조물의 동적 변형률 측정
Measurements of Dynamic Strain of Structures Using PVDF Films 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.26 no.6, 2011년, pp.64 - 70

김수민 (부경대학교 안전공학과) , 신성우 (부경대학교 안전공학과) , 이재용 (부경대학교 건축공학과) , 김남식 (부산대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the applicability of PVDF films for measurements of dynamic strain in a structure was investigated. A relationship between the strain and the voltage response of a PVDF film was analytically derived. Free vibration test on a steel cantilever beam was performed and vibration response of the beam was measured both by a convential foil strain gauge and a PVDF film. Strain-voltage relationship obtained from the experiment was compared with the analytic relationship. Good agreement between the analytic and experimental relationships was observed. It was found that a tailored PVDF film can measure the dynamic strain of a structure as accurate as a conventional foil strain gauge.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 구조물의 동적 변형 모니터링에 필름 형태로 가공된 PVDF의 적용성을 알아 보았다. 변형률 입력에 대한 PVDF 필름의 전압 응답을 이론적으로 유도하였으며, 캔틸레버 보에 대한 자유진동 실험을 수행하여 구조물의 동적 변형을 PVDF 필름과 ESG로 측정하였다.
본 연구에서는 구조물의 동적 변형률 모니터링에 필름 형태로 가공된 PVDF의 적용성을 알아 보고자 한다. 특히, PVDF 필름의 변형률 측정 가능성을 살펴 본 앞선 연구와는 달리⁷⁾ , 본 연구에서는 PVDF 필름의 변형률-전압 관계를 이론적으로 유도하고, 유도된 응답 전압과 구조물 변형률의 정량적 관계를 실제 실험을 통하여 구한 응답 전압과 변형률의 관계와 비교함으로써 PVDF 필름의 변형률 측정 정확성을 평가하여 PVDF 필름의 변형률 센서로서의 적용성을 검증하고자 한다.
본 연구에서는 구조물의 동적 변형률 모니터링에 필름 형태로 가공된 PVDF의 적용성을 알아 보고자 한다. 특히, PVDF 필름의 변형률 측정 가능성을 살펴 본 앞선 연구와는 달리⁷⁾ , 본 연구에서는 PVDF 필름의 변형률-전압 관계를 이론적으로 유도하고, 유도된 응답 전압과 구조물 변형률의 정량적 관계를 실제 실험을 통하여 구한 응답 전압과 변형률의 관계와 비교함으로써 PVDF 필름의 변형률 측정 정확성을 평가하여 PVDF 필름의 변형률 센서로서의 적용성을 검증하고자 한다.

제안 방법

한편, 이론적으로 유도된 전압-변형률 관계의 분석 및 검증을 위해, PVDF 필름이 부착된 위치와 동일한 위치에 ESG를 부착하였다. PVDF 필름의 출력 신호의 조절을 위한 출력조절기는, 10 Mega Ohm의 피드백 저항과 500 Nano Farad의 피드백 커패시턴스를 가진 전하증폭기(charge amplifier)를 사용하였으며, 전하증폭기의 Output power gain을 30 dB로 추가 설정하였다. 마지막으로 Fig.
PVDF 필름의 출력 신호의 조절을 위한 출력조절기는, 10 Mega Ohm의 피드백 저항과 500 Nano Farad의 피드백 커패시턴스를 가진 전하증폭기(charge amplifier)를 사용하였으며, 전하증폭기의 Output power gain을 30 dB로 추가 설정하였다. 마지막으로 Fig. 3에 나타낸 바와 같이, 전하증폭기의 출력 신호는 16bit A/D 변환기를 이용하여 Digital 신호로 변환하여 Laptop 컴퓨터에 저장되도록 하였다.
본 연구에서는 구조물의 동적 변형 모니터링에 필름 형태로 가공된 PVDF의 적용성을 알아 보았다. 변형률 입력에 대한 PVDF 필름의 전압 응답을 이론적으로 유도하였으며, 캔틸레버 보에 대한 자유진동 실험을 수행하여 구조물의 동적 변형을 PVDF 필름과 ESG로 측정하였다. 실험 결과 이론적으로 구한 변형률 응답 계수와 실험을 통해 구한 변형률 응답 계수가 상대적으로 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있었으며, 또한 변형률 응답 계수가 적용된 PVDF 필름의 변형률 응답이 실제 변형률 응답과 동일한 양상을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 이러한 입/출력 임피던스 차이를 보완하는 출력 조절 장치가 측정 과정에서 필요하다. 본 연구에서는 PVDF 필름에서 생성된 전하의 출력 조절을 위하여 피드백 저항이 R_f이고, 피드백 커패시턴스가 C_f인 Op-Amp를 이용한 전하증폭기(charge amplifier)를 출력 조절 장치로 이용하였다. 전하 증폭기를 고려한 변형률 응답 모델은 다음과 같은 전하(q)-전류(i) 관계를 이용하여 유도할 수 있다.
6에서 알 수 있다. 이를 검증하기 위해서, 600 mm와 800 mm 길이의 캔틸레버보 실험체에 대해서 각각 자유 진동 실험을 수행하였다. 자유 진동 실험을 통하여 측정된 PVDF 필름의 전압 응답 결과를 Fig.
진동에 의한 구조물의 변형률을 PVDF 필름을 이용하여 측정하기 위해서, Fig. 2와 같이 길이 700 mm, 폭 40 mm, 두께 2 mm인 캔틸레버 보 실험체를 제작하여, 자유 진동 실험을 수행하였다. 두께가 52µm인 Sheet 형태의 PVDF를 길이 30 mm, 폭 10 mm 크기의 필름 형태로 가공하여, 고정단 지지점에서 거리 300 mm인 위치에 에폭시를 이용하여 부착하였다.
캔틸레버 보 실험체에 대하여 자유진동 실험을 수행하였다. 샘플링 주파수는 25 Hz이고, 100초 동안 응답을 측정하였다.
사용된 PVDF 필름의 물성치와 크기를 Table 1에 정리하였다⁹⁾. 한편, 이론적으로 유도된 전압-변형률 관계의 분석 및 검증을 위해, PVDF 필름이 부착된 위치와 동일한 위치에 ESG를 부착하였다. PVDF 필름의 출력 신호의 조절을 위한 출력조절기는, 10 Mega Ohm의 피드백 저항과 500 Nano Farad의 피드백 커패시턴스를 가진 전하증폭기(charge amplifier)를 사용하였으며, 전하증폭기의 Output power gain을 30 dB로 추가 설정하였다.

데이터처리

71 Hz로 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 PVDF 필름을 이용하여 구조물의 동적 변형을 측정 가능하다는 것을 입증한다. ESG에 의해서 측정된 변형률과 PVDF 필름에서 측정된 전압의 상관 관계를 분석하기 위하여, 매 측정 시점마다의 PVDF 필름 전압 응답 값과 ESG의 변형률 값을 추출하여 선형회귀 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. ESG에서 측정된 변형률 값과 PVDF 필름에서 측정된 전압이 선형적인 관계를 나타내는 것을 그림에서 확인할 수 있으며, 선형회귀분석을 통해서 구한 전압-변형률 관계는 다음과 같다.

성능/효과

4에 실험을 통해 측정된 PVDF Film에서의 전압 이력과 ESG에서의 변형률 이력 그리고 각각에 대한 주파수 응답을 나타내었다. ESG에 의해 측정된 변형률 응답의 주파수는 3.71 Hz이고, PVDF 필름의 전압 응답의 주파수도 3.71 Hz로 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 PVDF 필름을 이용하여 구조물의 동적 변형을 측정 가능하다는 것을 입증한다. ESG에 의해서 측정된 변형률과 PVDF 필름에서 측정된 전압의 상관 관계를 분석하기 위하여, 매 측정 시점마다의 PVDF 필름 전압 응답 값과 ESG의 변형률 값을 추출하여 선형회귀 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig.
9에 나타내었다. PVDF 필름의 변형률 응답이 ESG로 측정한 변형률 응답에 매우 근사한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있다.
7에는 이론적인 변형률 계수 값과 실험을 통해 구한값을 적용한 PVDF의 변형률 응답 결과를 나타내었다. PVDF를 이용하여 측정한 구조물의 동적 변형률이 실제 변형률과 매우 동일한 양상을 나타내며, 상대적으로 잘 일치하는 것을 그림에서 확인 할 수 있다. 이러한 결과는 구조물의 동적 변형률 측정에 있어서 PVDF 필름을 적절히 적용할 경우에 기존의 ESG 만큼의 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다는 것을 입증한다.
6은 본 실험에 사용된 PVDF의 물성치와 전하증폭기의 특성치 및 Output gain 값을 이용하여 구한 주파수별 변형률 응답 계수이다. 가진 주파수 3.71 Hz에서의 이론적인 변형률 응답 계수값은 0.0275로써, 선형회귀분석으로 구한 값 0.0236과 비교할 때 약간의 오차가 있으나, 이론적인 해를 구하는 과정에서 전하증폭기의 거동을 이상화함으로써 발생하는 모델링 오차를 고려할 때, 실제 값에 매우 근사한 값을 나타내는 것을 알 수 있다. Fig.
10에는 본 연구에서 사용한 전하증폭기의 피드백 저항만을 100 Mega Ohm으로 변화시켰을 때의 주파수별 변형률 응답 계수를 나타낸다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 본 연구에서 사용한 전하증폭기의 피드백 저항을 100 Mega Ohm으로 바꾸면 0.5 Hz의 저주파수 성분도 왜곡없이 측정할 수 있음을 알 수 있다. 따라서, PVDF 필름을 이용하여 구조물의 동적 변형률을 왜곡없이 측정하기 위해서는, 동적 변형률 성분의 주파수 대역에 맞도록 식 (8)의 전하증폭기의 주파수 응답 함수를 조절하여야 한다.
변형률 입력에 대한 PVDF 필름의 전압 응답을 이론적으로 유도하였으며, 캔틸레버 보에 대한 자유진동 실험을 수행하여 구조물의 동적 변형을 PVDF 필름과 ESG로 측정하였다. 실험 결과 이론적으로 구한 변형률 응답 계수와 실험을 통해 구한 변형률 응답 계수가 상대적으로 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있었으며, 또한 변형률 응답 계수가 적용된 PVDF 필름의 변형률 응답이 실제 변형률 응답과 동일한 양상을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 변형률 응답의 주파수가 다른 경우에도 변형률 응답 계수로부터 추정한 PVDF 필름의 변형률 응답이 실제 변형률과 상대적으로 잘 일치하는 것을 확인하였다.
PVDF를 이용하여 측정한 구조물의 동적 변형률이 실제 변형률과 매우 동일한 양상을 나타내며, 상대적으로 잘 일치하는 것을 그림에서 확인 할 수 있다. 이러한 결과는 구조물의 동적 변형률 측정에 있어서 PVDF 필름을 적절히 적용할 경우에 기존의 ESG 만큼의 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있다는 것을 입증한다.
특히, 변형률 응답의 주파수가 다른 경우에도 변형률 응답 계수로부터 추정한 PVDF 필름의 변형률 응답이 실제 변형률과 상대적으로 잘 일치하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터 PVDF 필름이 구조물의 동적 변형률 측정에 있어서 신뢰성 있게 적용할 수 있다는 결론을 얻었으며, 장기 모니터링에 있어서 기존의 ESG를 대체하여 사용 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다.
실험 결과 이론적으로 구한 변형률 응답 계수와 실험을 통해 구한 변형률 응답 계수가 상대적으로 잘 일치하는 것을 확인 할 수 있었으며, 또한 변형률 응답 계수가 적용된 PVDF 필름의 변형률 응답이 실제 변형률 응답과 동일한 양상을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 변형률 응답의 주파수가 다른 경우에도 변형률 응답 계수로부터 추정한 PVDF 필름의 변형률 응답이 실제 변형률과 상대적으로 잘 일치하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로부터 PVDF 필름이 구조물의 동적 변형률 측정에 있어서 신뢰성 있게 적용할 수 있다는 결론을 얻었으며, 장기 모니터링에 있어서 기존의 ESG를 대체하여 사용 가능하다는 결론을 얻을 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초기에 개발된 SHM 시스템은 어떻게 구성되었는가?	교량 등과 같은 사회기반시설물의 효율적인 유지관리를 위하여, 구조물의 안전성을 상시적으로 감시하고 이상 상황 발생 시에 능동적으로 대처할 수있는 구조 건전성 모니터링 (Structural Health Monitoring : SHM) 시스템에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다1). 초기에 개발된 SHM 시스템은 구조물의 정/동적 응답을 변위 센서나 가속도 센서 등과 같은 제품화된 센서를 구조물에 설치하여 측정하고, 측정된 데이터를 유선으로 전송하는 시스템으로 구성되었다2). 그러나, 구조물의 안전성에 대한 정확한 평가나 국부적으로 발생하는 손상을 효과적으로 탐지하기 위해서는, 센서의 설치 간격을 좁혀 가급적 많은 위치에서 구조물의 응답을 측정하여야 하나, 이 경우 고가의 센서가 대량으로 필요하여 장대교량이나 초고층빌딩과 같이 측정 대상 구조물이 대형일 경우 SHM 시스템 구축을 위한 경제적 부담이 가중된다.
	초기에 개발된 SHM 시스템은 어떤 문제가 있는가?	초기에 개발된 SHM 시스템은 구조물의 정/동적 응답을 변위 센서나 가속도 센서 등과 같은 제품화된 센서를 구조물에 설치하여 측정하고, 측정된 데이터를 유선으로 전송하는 시스템으로 구성되었다2). 그러나, 구조물의 안전성에 대한 정확한 평가나 국부적으로 발생하는 손상을 효과적으로 탐지하기 위해서는, 센서의 설치 간격을 좁혀 가급적 많은 위치에서 구조물의 응답을 측정하여야 하나, 이 경우 고가의 센서가 대량으로 필요하여 장대교량이나 초고층빌딩과 같이 측정 대상 구조물이 대형일 경우 SHM 시스템 구축을 위한 경제적 부담이 가중된다. 이에 따라, 제품화된 센서를 사용하는 대신에, 구조물 표면에 부착하거나 또는 시공 과정에서 구조물 내부에 영구 매립하여 구조물의 거동을 수명 기간 동안 지속적으로 모니터링할 수 있는 스마트 센싱 기술이 SHM 시스템의 실용성 향상을 위한 기술로써 높은 관심을 받고 있다3).
	구조 건전성 모니터링은 어떤 시스템인가?	교량 등과 같은 사회기반시설물의 효율적인 유지관리를 위하여, 구조물의 안전성을 상시적으로 감시하고 이상 상황 발생 시에 능동적으로 대처할 수있는 구조 건전성 모니터링 (Structural Health Monitoring : SHM) 시스템에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다1). 초기에 개발된 SHM 시스템은 구조물의 정/동적 응답을 변위 센서나 가속도 센서 등과 같은 제품화된 센서를 구조물에 설치하여 측정하고, 측정된 데이터를 유선으로 전송하는 시스템으로 구성되었다2).

참고문헌 (9)

Chang, P. C., Flatau, A. and Liu, S. C., "Health Monitoring of Civil Infrastructure", Structural Health Monitoring, Vol. 2(3), pp. 257-2671, 2003.

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Balageas, D., Fritzen, C. P. and Guemes, A., Structural Health Monitoring, ISTE, London, UK., 2005.
Spencer, B. F., Ruiz-Sandoval, M.E. and Kurata, N., "Smart Sensing Technology: Opportunities and Challenges", Structural Control and Health Monitoring, Vol. 11(4), pp. 349-368, 2004.

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Lee, B., "Review of the Present Status of Optical Fiber Sensors", Optical Fiber Technology, Vol. 9(2), pp. 57-79, 2003.

상세보기
Arnau, A., Piezoelectric Transducers and Applications-2nd Edition, Springer, UK, 2008.
Gu, H., Zhao, Y. and Wang, M. L., "A Wireless Smart PVDF Sensor for Structural Health Monitoring", Structural Control and Health Monitoring, Vol. 12, pp. 329-343, 2005.

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Zhang, H., Galea, S. C., Chiu, W.K. and Lam, Y. C., "An Investigation of Thin PVDF Films as Fluctuatitng-Strain-Measuring and Damage-Monitoring Devices", Smart Materials and Structures, Vol. 2(4), pp. 208-216, 1993.

상세보기
Paul, R. C., Fundamentals of Electric Circuit Analysis, John Wiley & Sons, NY, USA, 2001.
Specifications of Piezoelectric Film Sheet, Measurement Specialties Inc., USA(http://www.meas- spec.com)

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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