Low-cost Impedance Technique for Structural Health Monitoring

임피던스 기반 저비용 구조물 건전성 모니터링 기법

Abstract

This paper presents a method for detecting damage to a structure at low cost using its impedance. The impedance technique is a typical method to detect local damage for structural health monitoring. This is a common technique for estimating damage by monitoring the electro-mechanical admittance signal of the structure. To apply this technique, an expensive impedance analyzer is generally used. On the other hand, it is necessary to develop a low-cost variant to effectively disseminate the technique. In this study, a method based on the transfer impedance using a function generator and digital multimeter, which are generally used in the laboratory instead of an impedance analyzer, was developed. That is, this technique estimates the damage by comparing the damage index using the amplitude ratio of the output voltage measured in the healthy and damaged state. A transfer impedance test was carried out on a steel specimen. By comparing the damage index, the presence of damage could be assessed reasonably. This study is a basic investigation of an impedance-based low-cost damage detection method that can be used effectively for structural health monitoring if supplemented with future research to estimate the damage location and severity.

본 연구에서는 임피던스(impedance)를 이용하여 저비용으로 구조물의 결함을 탐지할 수 있는 기법을 연구한다. 임피던스 기법은 구조물 건전성 모니터링을 위한 국부적 결함탐지의 대표적인 기법으로써, 압전재료를 구조물의 표면에 부착하여 구조물의 전기-역학적 어드미턴스(electro-mechanical admittance) 신호를 모니터링 함으로써 결함을 추정하는 기법이다. 이 기법을 적용하기 위하여 일반적으로 고가의 임피던스 분석기(impedance analyser)가 사용되는데, 기술의 효과적인 보급을 위해서는 저비용의 기법을 개발할 필요가 있다. 본 연구에서는 임피던스 분석기를 대체하여, 일반적으로 실험실에서 사용되는 함수발생기(function generator)와 디지털 멀티미터(digital multimeter)만을 이용하여 전달 임피던스(transfer impedance)를 측정함으로써 구조물에 발생하는 결함을 탐지할 수 있는 기법을 연구한다. 즉, 건전상태와 손상상태에서 측정되는 전압의 진폭비를 이용한 손상지수를 비교함으로써 결함 유무를 판정할 수 있는 기법을 연구한다. 강재 시편에 대한 전달 임피던스 실험을 수행하였는데, 출력 전압의 진폭비를 이용한 손상지수를 비교함으로써 결함 유무를 합리적으로 판정할 수 있었다. 본 연구는 임피던스 기반 저비용 결함탐지기법을 위한 기초연구로써, 향후 결함의 위치 및 정도를 판정할 수 있는 연구가 보완된다면 구조물 건전성 모니터링에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 1. Experimental set-up.

Fig. 2. Circuit for transfer impedance technique.

Fig. 3. Dimension of the specimen and damage induction (Damage Case A).

Fig. 4. Inflicted damage (Damage Case B-1).

Fig. 5. Results of repeatability tests.

Fig. 6. Gain before and after damage.

Fig. 7. Damage index before and after damage.