[논문]Admittance 기반 압전체 센서 자가진단절차의 영향인자 파악 및 실험적 고찰

조혜진; 박통일; 박규해

doi:10.3795/ksme-a.2015.39.1.037

Admittance 기반 압전체 센서 자가진단절차의 영향인자 파악 및 실험적 고찰
Experimental Investigation on Admittance-Based Piezoelectric Sensor Diagnostic Process 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.1, 2015년, pp.37 - 43

조혜진 (전남대학교 기계공학부) , 박통일 (전남대학교 기계공학부) , 박규해 (전남대학교 기계공학부)

초록
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압전소자(Piezoelectric transducer, PZT)는 구조물의 안정성 평가를 목적으로 하는 구조 건전성 모니터링 기법(Structural Health Monitoring, SHM)의 센서(sensor) 및 구동기(actuator)로 많이 활용되고 있다. 사용되는 센서 및 구동기의 성능을 사전에 파악하고, 잔존수명 및 결함을 탐지하는 센서 자가 진단법은 안정적인 SHM의 결과를 얻기 위해 매우 중요한 절차이다. 본 연구에서는 Admittance 값을 기반으로 한 센서 자가 진단절차를 통하여 압전체 센서의 결함을 탐지하였으며, 센서 진단과정에 영향을 줄 수 있는 접합층 및 온도 등의 영향인자에 대해 실험적 분석을 실시하였다. 분석 결과 Admittance와 온도 및 접착제의 상관관계를 파악할 수 있었으며, admittance를 기반으로 한 센서 자가 진단 절차를 통해 센서의 접착상태와 접착제의 성능평가가 가능함을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Structural health monitoring (SHM) techniques based on the use of active-sensing piezoelectric (PZT) materials have received considerable attention. The validation of the PZT functionality during SHM operation is critical to successfully implementing a reliable SHM system. In this study, we investigated several parameters that affect the admittance-based sensor diagnostic process. We experimentally identified the temperature dependency of the active-sensor diagnostic process. We found that the admittance-based sensor diagnostic process can differentiate the adhesion conditions of bonding materials that are used to install a PZT on a structure, which is important when designing a sensor diagnostic process for an SHM system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 본 연구에서는 admittance를 기반으로 한센서 자가 진단법을 통하여 센서의 결함을 진단할 수 있을 뿐만 아니라 접착제의 성능 평가를 위한 용도로 응용가능함을 확인하였다.
본 논문에서는 구조건전성 모니터링에 사용되는 압전체의 admittance 기반 센서 자가진단에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 28℃에서 110℃의 온도범위에서 admittance를 측정함으로써 온도 변화가 압전체 센서 자가 진단에 미치는 영향을 실험적으로 파악하였다.
본 연구에서는 온도변화뿐만 아니라 PZT 센서와 주구조물 부착에 사용된 접착제의 electrical admittance에 대한 영향을 파악하기 위하여 실험을 실시하였다.

제안 방법

4와 같이 보다 경제적이고 편리하게 사용가능한 impedance circuit을 구성하였다.⁽¹⁹⁾ 이를 Dynamic Signal Analyzer(NI USB 4431)에 연결한 후 0-20kHz의 주파수 범위에서 chirp 신호로 가진하고 그 응답을 측정하여 각 온도에 따른 admittance를 계산하였다.
Fig. 3과 같이 200x300x10(mm)의 알루미늄 plate에 총 22개의 PZT 센서(APC 850, disk type)를 부착하였으며, PZT 센서의 부착조건은 Full bonding, de-bonding 으로 분류하여 센서의 손상을 모사하였다. 실험은 상온(28℃)에서부터 110℃까지 Environmental chamber(SJ-TH-S50)를 이용하여 10℃ 간격으로 온도를 조절하였다.
본 논문에서는 admittance를 기반으로 한 압전체 센서 자가 진단 절차를 통해 센서의 결함을 탐지하였으며, 분석 결과에 영향을 줄 수 있는 온도, 접착제 등의 영향인자를 확인 및 분석하였다. 실험을 통해 28~110도의 온도변화에 따른 admittance를 파악하였으며, 다양한 접착제가 사용되었을 때의 admittance를 파악함과 동시에 온도 변화와 접착제의 상관관계를 실험적으로 분석하였다.
3과 같이 200x300x10(mm)의 알루미늄 plate에 총 22개의 PZT 센서(APC 850, disk type)를 부착하였으며, PZT 센서의 부착조건은 Full bonding, de-bonding 으로 분류하여 센서의 손상을 모사하였다. 실험은 상온(28℃)에서부터 110℃까지 Environmental chamber(SJ-TH-S50)를 이용하여 10℃ 간격으로 온도를 조절하였다.
PZT 센서 부착에 사용된 접착제는 Emer’s glue와 순간접착제 Axia025, 다양한 용도로 이용되는 JB weld epoxy를 사용하였다. 실험은 상온(28℃)에서부터 110℃까지 Environmental chamber(SJ-TH-S50)를 이용해 실시되었으며, 이때 10℃ 간격으로 0-20 Khz에서 Admittance를 측정하였다.
본 논문에서는 admittance를 기반으로 한 압전체 센서 자가 진단 절차를 통해 센서의 결함을 탐지하였으며, 분석 결과에 영향을 줄 수 있는 온도, 접착제 등의 영향인자를 확인 및 분석하였다. 실험을 통해 28~110도의 온도변화에 따른 admittance를 파악하였으며, 다양한 접착제가 사용되었을 때의 admittance를 파악함과 동시에 온도 변화와 접착제의 상관관계를 실험적으로 분석하였다.
일반적으로 Admittance를 측정할 때에는 HP4194A와 같은 impedance analyzer를 사용하지만 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 보다 경제적이고 편리하게 사용가능한 impedance circuit을 구성하였다.⁽¹⁹⁾ 이를 Dynamic Signal Analyzer(NI USB 4431)에 연결한 후 0-20kHz의 주파수 범위에서 chirp 신호로 가진하고 그 응답을 측정하여 각 온도에 따른 admittance를 계산하였다.

대상 데이터

PZT 센서 부착에 사용된 접착제는 Emer’s glue와 순간접착제 Axia025, 다양한 용도로 이용되는 JB weld epoxy를 사용하였다.

성능/효과

본 실험에서는 PZT 센서의 admittance는 온도변화에 민감할 뿐만 아니라 사용된 접착제에 따라 admittance의 변화 정도가 상이함을 확인하였다. 따라서 접착제가 센서 자가 진단절차에 민감한 영향을 줄 수 있음을 실험적으로 검증 하였다.
또한 28 ℃에서 11 0 ℃까지 전체적인 admittance 기울기 변화율은 Table 1에 나타낸 바와 같이 Free-Free 42%, Axia025 48%, Emer’s glue 50%, JB weld 63%로 사용된 접착제마다 온도에 따른 영향의 정도가 상이하게 나타남을 알 수 있다.
상온(28℃)에서는 가장 작은 기울기 값을 나타냈으며, 온도가 증가함에 따라 단계적으로 기울기가 상승하는 결과를 보였다. 또한 온도가 10℃ 증가함에 따라 admittance의 기울기는 약 5% 상승하였으며, 28℃에서 110℃의 전체적인 기울기 변화율은 약 42% 상승하는 결과를 나타냈다.
따라서 센서 자가 진단 수행 시 사용된 접착제에 대한 온도변화율을 정확히 인지하고 있어야한다. 또한 위의 결과를 통해 admittance를 기반으로 한 센서 자가 진단법은 센서의 결함을 진단할 수 있을 뿐만 아니라 접착제의 성능 평가에 응용할 수 있음을 확인하였다.
온도 변화 실험(28℃~110℃)을 통하여 admittance 의 온도 변화에 대한 민감도를 파악한 결과, APC850 PZT의 경우 free-free condition을 기준으로 온도가 10℃ 상승함에 따라 admittance의 기울기는약 5% 증가하였다. 본 실험에서는 PZT 센서의 admittance는 온도변화에 민감할 뿐만 아니라 사용된 접착제에 따라 admittance의 변화 정도가 상이함을 확인하였다. 따라서 접착제가 센서 자가 진단절차에 민감한 영향을 줄 수 있음을 실험적으로 검증 하였다.
반면 Fig 8(b)는 80℃에서 full bonding 상태를 기준으로 3가지 접착제의 admittance를 나타낸다. 상온에서 미세하게 순간접착제인 axia025보다 JB weld의 접착력이 우수하게 측정됐으나, 80℃에서는 JB weld 보다 axia025의 접착력이 나은 결과를 보였다. 즉, 80℃를 기점으로 두 접착제의 기울기에 역전현상이 발생하였으며, 110℃에서는 현저한 접착력의 변화를 파악할 수 있다(Fig.
온도 변화 실험(28℃~110℃)을 통하여 admittance 의 온도 변화에 대한 민감도를 파악한 결과, APC850 PZT의 경우 free-free condition을 기준으로 온도가 10℃ 상승함에 따라 admittance의 기울기는약 5% 증가하였다. 본 실험에서는 PZT 센서의 admittance는 온도변화에 민감할 뿐만 아니라 사용된 접착제에 따라 admittance의 변화 정도가 상이함을 확인하였다.

후속연구

추후에는 실제 구조물에서 효과적으로 센서 자가 진단 절차를 수행하기 위하여 온도변화와 접합제의 영향으로부터 독립적인 센서 자가 진단법에 대한 추가 연구가 필요하다. 또한 정적하중이 임피던스 신호에 미치는 영향을 고려하고, 극 초저온에서 PZT 센서 자가 진단 시 고려해야할 요소들을 파악하여 보다 광범위하게 센서 자가 진단법을 적용하기 위한 연구가 필요할 것이다.
추후에는 실제 구조물에서 효과적으로 센서 자가 진단 절차를 수행하기 위하여 온도변화와 접합제의 영향으로부터 독립적인 센서 자가 진단법에 대한 추가 연구가 필요하다. 또한 정적하중이 임피던스 신호에 미치는 영향을 고려하고, 극 초저온에서 PZT 센서 자가 진단 시 고려해야할 요소들을 파악하여 보다 광범위하게 센서 자가 진단법을 적용하기 위한 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외부요인으로 인한 센서의 결함은 어떠한 문제를 일으키는가	실제 구조물에 부착되어있는 센서의 경우 온도, 날씨 등 다양한 외부요인으로부터 노출되어 있다. 외부요인으로 인한 센서의 결함은 SHM system 분석결과에 영향을 주며, 구조물의 상태진단에 있어 정확도 및 신뢰성 문제를 야기할 수있다. 따라서 센서 자체의 성능을 사전에 파악하고, 센서의 잔존수명 및 손상을 진단하는 센서 자가 진단 절차는 SHM의 신뢰성 증대를 위해 매우 중요한 절차이다.
	압전소자는 어디에 주로 사용되는가	따라서 다양한 국부적 구조 모니터링 기법에 대한 연구가 국내외 많은 연구자들에 의해 활발하게 진행되고 있다.(1) 압전소자(Piezoelectric transducer, PZT)는 구조 건전성 모니터링 기법에 센서(Sensor) 및 구동기(actuator)로 많이 활용되고 있으며, 일반적으로 대형구조물의 건전성 모니터링에는 많은 수의 압전 센서와 actuator를 필요로 한다.(2)
	무엇을 방지하기 위해 구조 건전성 모니터링 기법이 요구되는가	구조물에 발생된 손상을 적절한 시기에 감지하지 못한다면 재정적인 혹은 인명적인 피해가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위하여 구조물의 손상 및 결함을 조기에 감지하고 적절하게 유지 보수할 수 있는 구조 건전성 모니터링(structural health monitoring, SHM) 기법이 요구되고 있다.

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