초록 ▼

$\bullet$ 최종목표
- 구조물의 기계적 임피던스 변화를 이용한 헬스 모니터링 계측 평가시스템 구축
- 여러 구조물 및 손상 형태에 따른 손상평가지수 모형 개발
- 지식 모형 구축을 토한 임피던스정보 종합처리시스템 개발
- 간이 압전소자 임피던스 계측시스템 개발
$\bullet$ 1차년도 결과
- 압전소자 기초연구 및 이를 이용한 계측시스템 연구
- 탄성파의 전파모드와 임피던스 응답이론 정립
- 임피던스 파형변화 평가시스템 개발
- 임피던스

$\bullet$ 최종목표
- 구조물의 기계적 임피던스 변화를 이용한 헬스 모니터링 계측 평가시스템 구축
- 여러 구조물 및 손상 형태에 따른 손상평가지수 모형 개발
- 지식 모형 구축을 토한 임피던스정보 종합처리시스템 개발
- 간이 압전소자 임피던스 계측시스템 개발
$\bullet$ 1차년도 결과
- 압전소자 기초연구 및 이를 이용한 계측시스템 연구
- 탄성파의 전파모드와 임피던스 응답이론 정립
- 임피던스 파형변화 평가시스템 개발
- 임피던스 계측시스템 개발
- 균열크기 및 볼트 결합력에 따른 이완성 평가기술 개발
- 손상위치 및 손상크기 측정시스템 개발
- 여러 구조물 및 손상형태에 따른 임피던스 특성변화 평가 시스템 개발
$\bullet$ 2차년도 결과
- 평판모델 해석시스템의 임피던스 응답연구
- TRUSS모델 해석시스템의 구조해석 및 임피던스 응답연구
- 계측주파수 영역의 신호처리 시스템 연구
- 센서 시그널을 이용한 손상위치 발견 기술 및 손상크기 추정기술 연구
- 미소 손상에 대한 구조물의 정량적 평가기법 확립
- 구조물의 헬스 모니터링 평가시스템 개발
$\bullet$ 3차년도 결과
- 이상발생 감지기술 연구
- 회로소자를 이용한 특성 실험 시스템 구성
- 임피던스 정량적 평가를 위한 패턴인식 시스템 및 소프트웨어 개발
- 구조물의 임피던스 정보 종합처리 시스템 개발
- 일반 PC로 구동 가능한 간이 압전 소자 임피던스 계측시스템 개발

Abstract ▼

The research subject is concerned about the development of the structural health monitoring system. When the monitored structures suffer damages, the physical change of the structures will result in the mechanical impedance change of structures which is directly related to the electrical impedance o

The research subject is concerned about the development of the structural health monitoring system. When the monitored structures suffer damages, the physical change of the structures will result in the mechanical impedance change of structures which is directly related to the electrical impedance of the piezoceramic elements. Consequently, any changes in the electrical impedance signature can be considered an indication of changes in the structural integrity. The measurement technique of the structural impedance using the piezoceramic sensors is developed. Due to its characteristics, the measurement technique is capable of high accuracy measurements and it can even detect the small incipient damages. Therefore, the study of the piezoceramic fundamentals needs to be carried out first. Based on the test of the sensing capacities and actuating functions of different piezo materials, FEM analysis, and electrode pattern analysis, the optimum sensor is proposed. The selected sensors are designed with the capacity of operating for long service life in the worst environments and can be setup and replaced easily. Moreover, the measurement, detection of characteristic values, and the signal processing are performed; the quantitative impedance evaluation system is constructed; as well as the study on the damage evaluation indices is presented.
Finally, using the piezoceramic impedance measurement system based on the study results, the construction of the structural health monitoring system is fulfilled.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...8
• Contents...13
• 목차...18
• 1 장 연구 개발 과제의 개요...23
• 1 절 연구 개발 과제의 개요...23
• 1. 연구의 목적...23
• 2. 연구의 필요성...24
• 2 절 연구 개발 내용...25
• 1. 1차년도...25
• 2. 2차년도...25
• 3. 3차년도...26
• 3 절 연구 결과의 기대효과...27
• 4 절 연구 결과의 활용방안...28
• 1. 활용방안...28
• 2. 기업화...29
• 2 장 국내외 기술 개발 현황...30
• 3 장 연구 개발 수행 내용 및 결과...31
• 1 절 임피던스 계측법의 정립 및 압전소자 특성 연구...31
• 1. 임피던스 계측법...31
• 가. 국내외 연구 자료 수집...32
• 나. 단순 모델링을 통한 수학적 계산식 정립...33
• 2. 압전소자의 특성...39
• 3. 요약...40
• 2 절 단순보 모델의 손상 계측 및 분석...41
• 1. 단순보 모델의 미소손상 계측 및 분석...41
• 가. 개요...41
• 나. 실험 장치 및 실험 방법...43
• 다. 계측결과와 손상평가...46
• (1) 압전소자의 부착위치와 임피던스응답...49
• (2) 임피던스 피크주파수 이동량${\Delta}F$...51
• 라. 임피던스 계측기술에 의한 구조물 미소손상 계측 및 분석...53
• (1) 연구개요...53
• (2) 원형손상크기 계측 및 분석...53
• (3) 일자형 손상크기 계측 및 분석...62
• 마. 손상크기 평가 알고리즘...75
• (1) 원형 손상크기 평가방법...75
• (2) 일자형 손상크기 평가방법...77
• 바. 요약...78
• 2. 단순보 모델의 볼트 체결 상태의 계측 및 분석...79
• 가. 연구개요...79
• 나. 실험 장치 및 실험 방법...83
• 다. 평가...83
• (1) 측정방법 및 임피던스 파형...83
• 라. 실험 결과 및 손상 평가...89
• 마. 요약...94
• 3. 단순보 모델의 미소손상 위치에 따른 계측 및 분석...95
• 가. 구조물과 계측시스템...95
• 나. 실험 방법 및 평가...97
• (1) 가진주파수 분해능과 임피던스 피크파형...97
• (2) 종탄성파의 전파모드와 임피던스응답...99
• 다. 실험 방법 및 손상평가...100
• (1) 압전소자의 부착위치와 임피던스 응답...100
• (2) 미소 손상 발생시의 임피던스파형 계측 평가...104
• (3) 손상위치의 측정방법...108
• (가) 임피던스 파형변화와 모드관계...108
• (나) 손상크기의 측정방법...123
• 1) 부하응력의 크기 변화와 임피던스 파형...123
• (4) 임피던스 파형변화와 손상의 크기...135
• (5) 손상크기의 평가 알고리즘...144
• 라. 요약...146
• 3 절 사각구조물의 볼트 체결상태의 계측 및 분석...147
• 1. 구조물과 계측 시스템...147
• 2. 실험 방법 및 평가...149
• 3. 실험 결과 및 손상평가...149
• 4. 요약...157
• 4 절 평판모델의 미소손상 위치에 따른 계측 및 분석...158
• 1. 개요...158
• 가. 계측시스템 SIGLAB...158
• 나. 구조물...158
• 2. 실험 방법 및 평가...161
• 가. 실험방법...161
• 나. 계측방법...163
• 3. 실험 결과 및 손상평가...163
• 가. 실험 결과...163
• 나. 손상평가...165
• (1) 역전달 함수에 의한 미소손상 검출법...165
• (가) 주파수 영역의 추출 방법...165
• (나) 피크 이동량 계측...171
• 4. 요약...173
• 5 절 Truss 구조물구조물과 계측시스템...174
• 가. 실험 구조물...174
• 2. 실험 방법 및 평가...176
• 가. 개요...176
• 나. 평가주파수 영역의 설정...179
• 다. 압전소자의 구조물 설치 위치 및 측정주파수 대역 설정...181
• 라. 임피던스 측정의 재현성...186
• 마. 측정순서...187
• 바. 측정을 위한 샘플링 비율 결정...188
• 3. 실험결과 및 손상평가...191
• 가. 임피던스 계측에 의한 손상평가법...191
• (1) 평가지수 I : 피크주파수 이동량 ${\Delta}F$...195
• (2) 평가지수 II : 피크진폭비 변화율 ${\delta}$...197
• (3) 평가지수 III : Q값 변화율 ${\gamma}$...198
• 나. 샘플링 비율과 평가지수의 관계...200
• 4. 손상 평가법의 검증...202
• 가. 보와 Truss 구조물의 볼트 체결 위치 변화에 따른 임피던스 파형 분석...202
• (1) 볼트a와 b의 결과 비교...202
• (2) 볼트c와 d의 결과 비교...209
• 나. 3가지 손상평가 지수를 사용할 때의 장점...218
• 다. 초기상태 변화에 따른 실험 데이터의 고찰...221
• 5. 요약...227
• 6 절 구조물손상평가를 위한 평가지수 연구...228
• 1. 평가지수의 개요...228
• 2. 단일 자유도계를 고려한 평가지수...229
• 가. ${\Delta}F$...229
• 나. ${\delta}$...234
• 다. 단일 자유도계를 고려한 평가지수의 고찰...236
• 3. 다 자유도계를 고려한 평가지수...243
• 가. ${\Delta}S$...243
• 나. ${\varepsilon}$...246
• 다. 다 자유도계를 고려한 평가지수의 고찰...248
• 4. 피크 주변을 참고하는 평가지수 ${\Delta}H$...254
• 5. 측정영역 전체를 평가하는 평가지수 ${\Delta}G$...257
• 6. 요약...259
• 7 절 구조물 손상평가를 위한 통계적 평가지수 연구...260
• 1. 기존 평가지수의 특징...260
• 2. 통계적 평가지수...260
• 가. RMSD...260
• 나. MAPD...263
• 다. Cov, CC...263
• 3. 요약...268
• 8 절 구조물 헬스 모니터링 시스템 개발...269
• 1. 헬스 모니터링 시스템의 개요...269
• 가. 개발 동기...269
• 나. 측정시스템 개요...269
• 다. 압전 임피던스 계산법...272
• 라. 검증대상물과 측정 방법...274
• 마. 측정 시스템 파라미터 결정...276
• (1) 샘플링 비율 $S_N$...276
• (2) 파형수 $S_M$...277
• (3) 부가임피던스 Z의 저항치 R...279
• (4) 보정계수 ${\lambda}$...279
• 2. 하드웨어...281
• 가. 저비용 임피던스 측정법...281
• 나. 단일보드 FFT측정장비...283
• (1) 마이크로 컨트롤러...283
• (2) 주파수 발생기...283
• (3) 임베디드 컴퓨터...284
• 3. 소프웨어...284
• 가. 임피던스 헬스모니터링 알고리즘...284
• 4. 제안된 헬스 모니터링 시스템의 측정 성능 평가...288
• 5. 요약...292
• 9 절 결론...293
• 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외 기여도...303
• 1 절 1차년도...303
• 1. 연구개발목표 및 평가의 착안점...303
• 2. 연구개발목표의 달성도...304
• 2 절 2차년도...306
• 1. 연구개발목표 및 평가의 착안점...306
• 2. 연구개발목표의 달성도...308
• 3 절 3차년도...309
• 1. 연구개발목표 및...311
• 5 장 연구결과의 활용계획...312
• 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술 정보...314
• 7 장 참고문헌...315