KR100784089B1 - Sensors and systems for structural health monitoring - Google Patents

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KR100784089B1
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Abstract

본 발명은 구조물(교량, 항공, 우주, 무인기, 정유/화학시설, 선박, 차량, 고층건물 등의 구조물)의 건전상태 감시용 센서(200)을 제공하며, 상기 센서(200)은 유전체기판(202); 램파를 작동 및/또는 감지하기 위한 압전장치(208); 상기 압전장치(208)에 침착된 몰딩층(228); 상기 몰딩층(228)에 침착된 피복층(206); 및 상기 압전장치(208)를 둘러싸며, 상기 기판(202)에 부착된 후프층(204)를 포함한다. 상기 센서(200)는 상기 유전체 기판(202)에 부착된 광섬유 코일센서(210)를 더 포함하고, 상기 광섬유 코일센서(210)는 권선체이 광섬유 케이블(224)와 상기 권선체의 광섬유 케이블(224)에 적용된 코팅층(220)을 갖는다. 또한, 본 발명은 주구조물(610)에 부착된 다수개의 패치센서(602) 및 상기 패치센서(602)에 연결된 브릿지박스(604)를 포함하는 진단용 네트워크 패치를 제공한다.The present invention provides a sensor 200 for monitoring the health of a structure (structures such as bridges, aviation, space, drones, oil refining / chemical facilities, ships, vehicles, high-rise buildings, etc.), the sensor 200 is a dielectric substrate ( 202); A piezoelectric device 208 for actuating and / or sensing a lamb wave; A molding layer 228 deposited on the piezoelectric device 208; A coating layer 206 deposited on the molding layer 228; And a hoop layer 204 surrounding the piezoelectric device 208 and attached to the substrate 202. The sensor 200 further includes an optical fiber coil sensor 210 attached to the dielectric substrate 202, wherein the optical fiber coil sensor 210 has a winding fiber optic cable 224 and an optical fiber cable 224 of the winding body. ) Has a coating layer 220 applied thereto. In addition, the present invention provides a diagnostic network patch including a plurality of patch sensors 602 attached to the main structure 610 and a bridge box 604 connected to the patch sensors 602.

구조물, 건전상태, 감시, 센서, 광섬유, 무선통신 Structure, sound condition, monitoring, sensor, optical fiber, wireless communication

Description

구조물의 건전성 감시용 센서 및 시스템{Sensors and systems for structural health monitoring}Sensors and systems for structural health monitoring

도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 패치센서의 개략적인 측단면도이다.
도 1c는 도 1a의 패치센서에 사용될 수 있는 전형적인 압전장치의 개략적인 평면도이다.
도 1d는 도 1c의 전형적인 압전장치의 개략적인 측단면도이다.
도 1e는 본 발명의 타실시예에 따른 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 1f는 도 1e에 도시된 패치센서의 개략적인 측단면도이다.
도 1g는 도 1e의 패치센서를 포함하는 복합적층체의 개략적인 단면도이다.
도 1h는 도 1e의 패치센서의 타실시예의 개략적인 측단면도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 하이브리드 패치센서의 개략적인 측단면도이다.
도 2c는 본 발명의 타실시예에 따른 하이브리드 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 2d는 도 2c에 도시된 하이브리드 패치센서의 개략적인 측단면도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 패치센서의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 광섬유 패치센서의 개략적인 측단면도이다.
도 3c는 도3a의 광섬유 패치센서 내에 수용된 광섬유 코일의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 3d는 도3c에 도시된 광섬유 코일의 타실시예의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 3e 및 3f는 도 3c의 광섬유 코일의 타실시예의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 3g는 도 3e의 광섬유 코일의 개략적인 측단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 진단용 패치와셔의 개략적인 일부절제 평면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 진단용 패치와셔의 개략적인 측단면도이다.
도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 도 4a의 진단용 패치와셔를 이용한 예시적인 볼트결합 구조물의 개략도이다.
도 4d는 본 발명의 타실시예에 따른 도 4a의 진단용 패치와셔를 이용한 예시적인 볼트결합 구조물의 개략도이다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 센서/액츄에이터장치를 구비하는 심문시스템의 개략도이다.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 센서를 구비하는 심문시스템의 개략도이다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 주 구조물에 적용된 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립 네트워크 구조를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.
도 6c는 본 발명의 일실시예에 따른 오각형 네트워크 구조를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.
도 6d는 본 발명의 일실시예에 따른 리벳/볼트결합된 복합적층체 내에 장착된 진단용 네트워크 패치시스템의 개략적 사시도이다.
도 6e는 본 발명의 타실시예에 따른 접착패치로 보수한 복합적층체 내에 장착된 진단용 네트워크 패치시스템의 개략적 사시도이다.
도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 원격진단용 네트워크 패치시스템을 제어하는 무선통신시스템의 일실시예를 도시한 개략도이다.
도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립 네트워크 구조 내의 센서집합체를 구비한 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.
도 7b는 본 발명의 타실시예에 따른 오각형 네트워크 구조 내의 센서집합체를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템의 개략도이다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬접속의 광섬유 코일을 구비하는 센서집합체의 개략도이다.
도 8b는 본 발명의 타실시예에 따른 병렬접속의 광섬유 코일을 구비하는 센서집합체의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터 및 센서신호의 곡선도이다.1A is a schematic partial ablation plan view of a patch sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1B is a schematic side cross-sectional view of the patch sensor shown in FIG. 1A.
1C is a schematic plan view of a typical piezoelectric device that may be used in the patch sensor of FIG. 1A.
1D is a schematic side cross-sectional view of the exemplary piezoelectric device of FIG. 1C.
1E is a schematic partial ablation plan view of a patch sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 1F is a schematic side cross-sectional view of the patch sensor shown in FIG. 1E.
1G is a schematic cross-sectional view of a composite laminate including the patch sensor of FIG. 1E.
1H is a schematic side cross-sectional view of another embodiment of the patch sensor of FIG. 1E.
2A is a schematic partial ablation plan view of a hybrid patch sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2B is a schematic side cross-sectional view of the hybrid patch sensor shown in FIG. 2A.
Figure 2c is a schematic partial ablation plan view of a hybrid patch sensor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2D is a schematic side cross-sectional view of the hybrid patch sensor shown in FIG. 2C.
3A is a schematic partial ablation plan view of an optical fiber patch sensor according to an embodiment of the present invention.
3B is a schematic side cross-sectional view of the optical fiber patch sensor shown in FIG. 3A.
3C is a schematic partial ablation plan view of an optical fiber coil housed in the optical fiber patch sensor of FIG. 3A.
FIG. 3D is a schematic partial ablation plan view of another embodiment of the optical fiber coil shown in FIG. 3C.
3E and 3F are schematic partial ablation plan views of another embodiment of the optical fiber coil of FIG. 3C.
3G is a schematic side cross-sectional view of the optical fiber coil of FIG. 3E.
4A is a schematic partial ablation plan view of a diagnostic patch washer according to an embodiment of the present invention.
4B is a schematic side cross-sectional view of the diagnostic patch washer shown in FIG. 4A.
4C is a schematic diagram of an exemplary bolted structure using the diagnostic patch washer of FIG. 4A in accordance with an embodiment of the present invention.
4D is a schematic diagram of an exemplary bolted structure using the diagnostic patch washer of FIG. 4A in accordance with another embodiment of the present invention.
5A is a schematic diagram of an interrogation system having a sensor / actuator device in accordance with one embodiment of the present invention.
5B is a schematic diagram of an interrogation system having a sensor in accordance with one embodiment of the present invention.
6A is a schematic diagram of a diagnostic network patch system applied to a host structure in accordance with one embodiment of the present invention.
6B is a schematic diagram of a diagnostic network patch system having a strip network structure according to an embodiment of the present invention.
6C is a schematic diagram of a diagnostic network patch system having a pentagonal network structure in accordance with one embodiment of the present invention.
6D is a schematic perspective view of a diagnostic network patch system mounted in a rivet / bolt combined composite laminate in accordance with an embodiment of the present invention.
6E is a schematic perspective view of a diagnostic network patch system mounted in a composite laminate repaired with an adhesive patch according to another embodiment of the present invention.
Figure 6f is a schematic diagram showing an embodiment of a wireless communication system for controlling a remote diagnosis network patch system according to an embodiment of the present invention.
7A is a schematic diagram of a diagnostic network patch system having sensor assemblies in a strip network structure in accordance with one embodiment of the present invention.
7B is a schematic diagram of a diagnostic network patch system having sensor assemblies in a pentagonal network structure in accordance with another embodiment of the present invention.
8A is a schematic diagram of a sensor assembly including an optical fiber coil in series connection according to an embodiment of the present invention.
8B is a schematic diagram of a sensor assembly having an optical fiber coil in parallel connection according to another embodiment of the present invention.
9 is a curve diagram of an actuator and a sensor signal according to an embodiment of the present invention.

본 출원은 2003년 9월 22일에 출원된 구조물의 건전성 감시용 센서 및 시스템이라는 명칭의 미국 가출원 제60/505,120(이 출원은 본원 명세서에 참고로서 전체를 인용한다)의 이익을 청구한다. 본 발명은 구조물의 진단, 특히 구조물의 건전성 감시용 진단 네트워크 패치시스템 (DNP system)에 관한 것이다.
사용중인 모든 구조물(교량, 항공, 우주, 무인기, 정유/화학시설, 선박, 차량, 고층건물 등의 구조물)은 적절한 검사와 유지보수가 필요하므로, 그 수명을 연장하거나 돌발적인 파손을 방지하기 위해 구조물의 완전 상태 및 건전성을 감시해 주어야 한다. 최근 들어 구조물의 건전성 감시가 중요한 화제가 되고 있는 것은 분명하다. 현재까지 구조물의 결점이나 손상을 확인하기 위해, 전통적인 외관검사 및 초음파 및 와전류 스캐닝, 어쿠스틱 에미션(acoustic emission) 및 X선 검사와 같은 비파괴법을 포함하는 수많은 검사방법이 이용되어 왔다. 이들 종래의 검사방법에 있어서는 검사를 위해 구조물을 적어도 일시적으로 사용상태로부터 분리해야할 필요가 있다. 상기 종래의 방법들은 고립된 장소의 감시용으로 여전히 사용되고 있긴 하지만, 많은 시간과 비용을 요한다.
센서기술의 진보에 따라, 구조물의 완전상태 현장감시를 위한 새로운 진단기법이 상당히 향상되어왔다. 통상, 이들 새로운 진단기법은 적절한 센서로 이루어지는 센서시스템 및 주요 구조물에 장착된 액츄에이터를 이용하고 있다. 그러나, 이들 문제 해결법은 여러 가지 결점이 있고, 최소의 인력으로 구조물의 상태를 진단, 분류 및 예측할 수 있는 신뢰성 있는 센서네트워크 시스템 및/또는 정밀감시방법을 제공하는 효과적인 온라인 진단방법을 제공하지 못한다. 예로써, 우(Wu) 등에 허여된 미국특허 5,814,729에는 구조물 내의 적층복합구조물 내의 판상균열 영역을 찾아내기 위해 그 구조물 내에서의 진동파의 감쇄특성 변화를 검출하는 방법이 개시되어 있다. 상기 진동파를 생성하는 액츄에이터로서 압전세라믹(Piezoceramic) 장치가 사용되고, 상기 파신호를 수신하기 위한 센서로서 다른 격자위치(different grating locations)를 가지는 광섬유 케이블이 사용된다. 이 시스템의 결점은 다수의 액츄에이터 배열(array)을 수용할 수 없으므로 각 액츄에이터 및 센서를 개별적으로 장착해야 한다는 것이다. 상기 결함부 검출은 액츄에이터와 센서 사이의 직결통로를 따라 이동하는 진동파의 변화에 기초하여 이루어지므로, 이 검출방법은 상기 직결통로의 외측에 존재하는 결함 및/또는 구조물의 경계부의 주위에 존재하는 결함은 검출할 수 없다.
다른 결함검출방법은 블라직(Blazic) 등에 허여된 미국특허 5,184,516에서 발견할 수 있다. 이 특허는 구조물의 건전성 감시 및 평가를 위한 내장형 정각회로(conformal circuit)를 개시한다. 이 정각회로는 일련의 스트레인 센서의 적층체로 구성되고, 각 센서는 정각구조의 결함을 확인하기 위해 대응하는 위치의 스트레인 변화를 측정한다. 상기 정각회로는 수동적인 시스템으로서, 예를 들어, 신호발행을 위한 액츄에이터를 가지고 있지 않다. 이와 유사한 수동적인 센서네트워크 시스템은 매너제이(Mannur, J.) 등에게 허여된 미국특허 6,399,939에서 발견할 수 있다. 이 특허에서는 압전세라믹-파이버 센서시스템이 복합구조체에 내장된 플래너파이버(planner fibers)를 구비하는 것에 대하여 개시하고 있다. 이들 수동적인 방법의 결점은 센서와 센서 사이의 층간박리 및 손상을 감시할 수 없다는 것이다. 또, 이들 방법은 상기 내장된 회로 및 압전파이버가 부착된 국부영역에서만 그 주 구조물의 상태를 검출할 수 있다.
창(Chang) 등에 허여된 미국특허 6,370,964는 구조물 내의 손상을 검출하기 위한 하나의 방법을 개시하고 있다. 이 특허는 스탠포드 멀티-액츄에이터-리시버 트랜스덕션 층(Stanford Multi-Actuator-Receiver Transduction (SMART) Layer)이라 불리는 센서네트워크층을 개시하고 있다. 상기 SMART층®은 압전세라믹 센서/액츄에이터(또는, 간단히, 압전세라믹)를 등간격으로 배치하고, 가요성 유전체 필름을 상기 압전세라믹 센서/액츄에이터에 개재시켜 접착시킨 압전세라믹 센서/액츄에이터를 구비한다. 상기 액츄에이터는 음파(acoustic waves)를 발생하고, 센서는 그 음파를 수신하여 전기신호로 변환시킨다. 상기 압전세라믹을 전자장치에 접속하기 위해, 도금된 와이어를 종래의 가요성 회로기술을 이용하여 에칭시키고 복수의 회로기판 사이에 적층시킨다. 결과적으로 도금와이어 영역을 피복하기 위한 상당량의 가요성 회로기판면적이 필요해진다. 또, 상기 SMART층®은 적층복합체층으로 제작된 주 구조물에 고착되어야 한다. 고착공정시의 고온사이클에 기인된 내부응력에 의해 상기 SMART층® 내의 압전세라믹은 미세파괴를 일으킬 수 있다. 또, 상기 SMART층®의 기층은 주 구조물로부터 쉽게 분리될 수 있다. 또, 상기 SMART층®을 고착부를 가지는 주 구조물에 삽입하거나 부착하기가 매우 어려우므로 그 고착부에 가해지는 압축부하에 의해 도금와이어가 절곡되기 쉽다. 파괴된 압전세라믹 및 절곡된 와이어는 전자기 간섭 노이즈에 민감하여 전기신호의 유도불량의 원인이 될 수 있다. 열응력, 전장쇼크 및 진동과 같은 가혹조건에서 상기 SMART층®은 강고하지 않으므로 구조물의 건전성을 감시하는 도구로서 신뢰성이 없을 수도 있다. 또, 손상 및/또는 결함이 있는 액츄에이터/센서를 교환할 때 주 구조물을 해체해야 하므로 비용이 많이 든다.
다른 구조물의 결함검출법은 라이트(Light) 등에게 허여된 미국특허 6,396,262에 개시되어 있다. 이 특허는 구조물의 손상을 조사하기 위한 자외센서(magnetostrictive sensor)를 개시하고 있는데, 상기 센서는 강자성체 스트립 및 이 스트립에 근접 배치된 코일을 구비한다. 이 시스템의 주요 결점은 센서배열을 수용하도록 설계할 수 없으므로 센서와 센서 사이의 내부손상은 검출할 수 없다는 것이다.
따라서, 기존의 구조물 및/또는 신축 구조물 내에 쉽게 설치할 수 있고, 인력의 개입을 최소화한 상태로 구조물의 상태진단, 상태분류 및 상태예측을 위한 효과적인 온라인 기법을 제공하는 효과적이고, 정밀하고, 신뢰성이 있는 시스템이 필요하다.This application claims the benefit of US Provisional Application No. 60 / 505,120, filed September 22, 2003, entitled Sensors and Systems for Health Monitoring of Structures, which is incorporated herein by reference in its entirety. The present invention relates to diagnostic network patch systems (DNP systems) for the diagnosis of structures, in particular for the health monitoring of structures.
All structures in use (bridges, aviation, space, unmanned aerial vehicles, refineries / chemical installations, ships, vehicles, high-rises, etc.) require proper inspection and maintenance to prolong their life or to prevent accidental breakage. The integrity and integrity of the structure should be monitored. It is clear that the health monitoring of structures has become an important topic in recent years. To date, numerous inspection methods have been used, including conventional visual inspection and non-destructive methods such as ultrasound and eddy current scanning, acoustic emission and X-ray inspection to identify defects or damage to the structure. In these conventional inspection methods, it is necessary to at least temporarily detach the structure from the state of use for inspection. Although the conventional methods are still used for the monitoring of isolated sites, they require a lot of time and money.
As sensor technology advances, new diagnostic techniques for monitoring the complete state of the structure have been significantly improved. Typically, these new diagnostic techniques utilize sensor systems consisting of suitable sensors and actuators mounted on the main structure. However, these problem solutions have several drawbacks and do not provide an effective online diagnostic method that provides a reliable sensor network system and / or precision monitoring method that can diagnose, classify and predict the condition of a structure with minimal manpower. For example, U. S. Patent No. 5,814, 729 to Wu et al. Discloses a method for detecting a change in attenuation characteristics of vibration waves in a structure to find a plate-shaped crack region in a laminated composite structure in the structure. A piezoceramic device is used as the actuator for generating the vibration wave, and an optical fiber cable having different grating locations is used as a sensor for receiving the wave signal. The drawback of this system is that it cannot accommodate multiple actuator arrays, so each actuator and sensor must be mounted separately. The defect detection is based on a change in the vibration wave traveling along the direct path between the actuator and the sensor, so this detection method is present around the boundary of the defect and / or structure existing outside the direct path. The defect cannot be detected.
Other defect detection methods can be found in US Pat. No. 5,184,516 to Blazic et al. This patent discloses an embedded conformal circuit for the health monitoring and evaluation of structures. This right angle circuit consists of a series of stacks of strain sensors, each of which measures strain changes at corresponding positions to identify defects in the right angle structure. The right angle circuit is a passive system, for example, does not have an actuator for signal issuance. A similar passive sensor network system can be found in US Pat. No. 6,399,939 to Mannur, J. et al. The patent discloses that a piezoceramic-fiber sensor system has planner fibers embedded in a composite structure. The drawback of these passive methods is the inability to monitor the delamination and damage between the sensors. In addition, these methods can detect the state of the main structure only in the local region to which the embedded circuit and the piezoelectric fiber are attached.
US Pat. No. 6,370,964 to Chang et al. Discloses one method for detecting damage in a structure. This patent discloses a sensor network layer called the Stanford Multi-Actuator-Receiver Transduction (SMART) Layer. The SMART layer® includes a piezoceramic sensor / actuator in which a piezoceramic sensor / actuator (or simply, piezoceramic) is disposed at equal intervals, and the flexible dielectric film is bonded to the piezoceramic sensor / actuator via the piezoceramic sensor / actuator. The actuator generates acoustic waves, and the sensor receives the sound waves and converts them into electrical signals. To connect the piezoceramic to an electronic device, the plated wire is etched using conventional flexible circuit techniques and laminated between a plurality of circuit boards. As a result, a significant amount of flexible circuit board area is required to cover the plated wire area. In addition, the SMART layer ® should be adhered to the main structure made of a laminated composite layer. Due to the internal stress caused by the high temperature cycle during the fixing process, the piezoceramic in the SMART layer ® can cause microdestruction. In addition, the substrate of the SMART layer ® can be easily separated from the main structure. In addition, since the SMART layer ® is very difficult to insert or attach to the main structure having the fastening part, the plating wire is easily bent due to the compression load applied to the fastening part. Broken piezoelectric ceramics and bent wires are susceptible to electromagnetic interference noise and can cause induction of electrical signals. In heavy conditions, such as heat stress, battlefield shock and vibration the SMART Layer may not have ® it does not strongly reliability as a tool for monitoring structural health. It is also expensive because the main structure must be dismantled when replacing a damaged and / or defective actuator / sensor.
Defect detection of other structures is disclosed in US Pat. No. 6,396,262 to Light et al. This patent discloses a magnetostrictive sensor for investigating damage to the structure, the sensor having a ferromagnetic strip and a coil disposed proximate the strip. The main drawback of this system is that internal damage between the sensor cannot be detected because it cannot be designed to accommodate the sensor array.
Therefore, it is easy to install in existing structures and / or new structures and is effective, precise and reliable, providing an effective online technique for state diagnosis, state classification and state prediction of structures with minimal human intervention. I need a system.

본 발명의 목적은 복합체 및/또는 금속제의 주 구조물에 부착되는 진단용 네트워크 패치(DNP) 시스템에 의해 달성된다. 상기 DNP시스템은 액츄에이터/센서를 수용하고, 주 구조물의 결함/손상을 검출 및 감시할 수 있다. 인체의 신경계통과 마찬가지로, 상기 DNP시스템은 액츄에이터/센서 사이에서 음파 자극(또는, 램파)을 전송함으로써 주 구조물 내의 내부 파선(wave-ray) 통신네트워크를 제공한다.
본 발명의 일 관점에 따르는 구조물의 건전상태 감시장치는 유전체 기판, 상기 기판에 부착된 적어도 하나의 버퍼층, 상기 적어도 하나의 버퍼층에 부착된 압전장치, 상기 압전장치 상에 침착된 몰딩층, 상기 몰딩층 상에 침착된 피복층, 및 상기 압전장치에 연결된 한 쌍의 전선을 포함하고, 상기 압전장치는 신호를 발생 및/또는 수신하도록 구성된다.
본 발명의 다른 관점에 따르는 구조물의 건전상태 감시용 광섬유 코일센서는 광섬유 케이블 롤체 및 이 광섬유 케이블 롤체에 코팅된 코팅층을 구비하고, 상기 광섬유 케이블의 권선공정 중에 소정의 인장력이 가해지고, 상기 코팅층은 광섬유 케이블 롤체의 인장응력을 유지한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 구조물의 건전상태 감시장치는 유전체 기판, 상기 기판에 부착된 적어도 하나의 센서, 상기 적어도 하나의 센서를 둘러싸고, 상기 기판에 부착된 후프층; 상기 적어도 하나의 센서 상에 침착된 몰딩층; 및 상기 몰딩층 상에 침착된 피복층을 구비한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 구조물의 건정상태 감시장치는 하측기판, 상측기판, 이들 상하측 기판 사이에 개재된 적어도 하나의 센서, 및 상기 적어도 하나의 센서를 둘러싸고, 상기 상하측 기판에 부착된 후프층을 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 진단용 패치와셔(patch wahser)는 둘레방향의 홈 및 반경방향의 노치(notch)를 구비하는 환상 지지요소(ring shaped support element), 상기 지지요소에 부착되고, 상기 홈에 수용된 압전장치, 상기 압전장치에 연결된 한 쌍의 전선, 상기 지지요소에 부착되고 상기 홈 내에 수용된 광섬유 코일센서를 구비한다. 상기 광섬유 코일센서는 광섬유 케이블 롤체 및 이 광섬유 케이블 롤체에 코팅된 코팅층을 구비한다. 상기 광섬유 케이블의 권선공정 중에 소정의 인장력이 가해지고, 상기 코팅층은 상기 광섬유 케이블 롤체의 인장응력을 유지한다. 상기 진단용 패치와셔는 상기 홈을 덮기 위한 환상의 뚜껑을 더 구비하고, 상기 한 쌍의 전선 및 광섬유 케이블의 양단부는 상기 노치를 통과한다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 주 구조물의 건전상태 감시를 위한 진단용 네트워크 패치시스템은 소정의 패턴으로 상기 주 구조물에 부착된 복수의 패치를 구비하고, 상기 복수의 패치 중에서 적어도 하나는 상기 복수의 패치 중 적어도 다른 하나에 의해 발생된 진동파를 수신할 수 있다. 본 시스템은 또 복수의 패치에 연결된 브릿지 박스를 구비한다. 상기 브릿지 박스는 무선수단을 통해 복수의 패치로부터 수신된 신호를 지상통제시스템으로 송신하는 RF 원격측정시스템을 포함한다.The object of the present invention is achieved by a diagnostic network patch (DNP) system that is attached to the composite and / or metal main structure. The DNP system can receive actuators / sensors and detect and monitor defects / damages of the main structure. Like the nervous system of the human body, the DNP system provides an internal wave-ray communication network in the main structure by transmitting acoustic stimuli (or lamb waves) between actuators / sensors.
According to an aspect of the present invention, a health monitoring apparatus for a structure includes a dielectric substrate, at least one buffer layer attached to the substrate, a piezoelectric device attached to the at least one buffer layer, a molding layer deposited on the piezoelectric device, and the molding. A coating layer deposited on the layer, and a pair of wires connected to the piezoelectric device, the piezoelectric device being configured to generate and / or receive a signal.
The optical fiber coil sensor for health monitoring of a structure according to another aspect of the present invention includes an optical fiber cable roll body and a coating layer coated on the optical fiber cable roll body, and a predetermined tensile force is applied during the winding process of the optical fiber cable, and the coating layer is The tensile stress of the optical fiber cable roll is maintained.
According to still another aspect of the present invention, there is provided a health condition monitoring apparatus for a structure, comprising: a dielectric substrate, at least one sensor attached to the substrate, and a hoop layer surrounding the at least one sensor and attached to the substrate; A molding layer deposited on the at least one sensor; And a coating layer deposited on the molding layer.
According to another aspect of the present invention, an apparatus for monitoring a dry state of a structure includes a lower substrate, an upper substrate, at least one sensor interposed between the upper and lower substrates, and the at least one sensor, and attached to the upper and lower substrates. And a hoop layer.
A diagnostic patch washer according to another aspect of the invention is a ring shaped support element having a circumferential groove and a notch in the radial direction, attached to the support element, the groove And a pair of wires connected to the piezoelectric device, and an optical fiber coil sensor attached to the support element and housed in the groove. The optical fiber coil sensor includes an optical fiber cable roll body and a coating layer coated on the optical fiber cable roll body. A predetermined tensile force is applied during the winding process of the optical fiber cable, and the coating layer maintains the tensile stress of the optical fiber cable roll body. The diagnostic patch washer further includes an annular lid for covering the groove, and both ends of the pair of wires and the optical fiber cable pass through the notch.
Diagnostic network patch system for health status monitoring of the main structure according to another aspect of the present invention has a plurality of patches attached to the main structure in a predetermined pattern, at least one of the plurality of patches is the plurality of patches It can receive the vibration wave generated by at least one of the. The system also includes a bridge box connected to the plurality of patches. The bridge box includes an RF telemetry system for transmitting signals received from a plurality of patches via radio means to a ground control system.

하기의 설명은 많은 예시적 설명을 포함하고 있으나 당 기술분야의 기술자는 본 발명의 범위 내에서 많은 다양한 변경 및 개조가 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이하의 본 발명의 실시예는 청구범위의 일반성을 손실하지 않고, 또 청구범위에 제한을 가함이 없이 제시된 것이다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 패치센서(100)의 개략적인 일부절제 평면도이다. 도 1b는 도 1a의 A-A 방향을 따라 취한 패치센서(100)의 개략적 단면도이다. 도 1a-1b에 도시된 바와 같이, 상기 패치센서(100)는, 주 구조물에 부착되도록 구성된 기판(102); 후프층(104); 신호(특히, 램파(Lamb wave))의 생성용 및/또는 수신용 압전장치(108); 기계적 임피던스 매칭을 제공함과 동시에 기판(102)과 압전장치(108) 사이의 열응력 부정합의 감소를 위한 버퍼층(110); 압전장치(108)에 접속된 2개의 전선(118a-b); 상기 압전장치(108)를 기판(102)에 고착하기 위한 몰딩층(120); 상기 몰딩층(120)의 보호 및 시일(sealing)용 피복층(106)을 구비한다. 상기 압전장치(108)는, 압전층(116), 상기 전선(118b)에 접속된 하측 도전체(112) 및 상기 전선(118a)에 접속된 상측 도전체(114)를 구비한다. 상기 압전장치(108)는 소정의 전기신호가 상기 전선(118a-b)을 통해 가해지는 경우 액츄에이터(또는, 등가적으로, 신호발생기)로서 동작할 수 있다. 전기신호의 인가시, 상기 압전층(116)은 변형됨으로써 램파를 생성한다. 또, 상기 압전장치(108)는, 진동신호의 감지, 상기 압전층(116)에 가해진 상기 진동신호를 전기신호로의 변환, 및 상기 전선(118a-b)을 통한 전기신호의 전송을 위한 수신기로서 동작할 수 있다.
상기 기판(102)은 부티랄테놀릭(butyralthenolic), 아크릴 폴리이미드, 나이트랄 페놀릭(nitriale phenolic) 또는 아라미드와 같은 통상적인 캐스팅제 열경화성 에폭시와 같은 구조물 접착제를 이용하여 주 구조물에 부착될 수 있다. 상기 기판(102)은 이것에 부착된 압전장치(108)를 보호하는, 열 및 전자기 간섭에 대한 절연층으로 구성할 수 있다. 경우에 따라, 상기 유전체 기판(102)은 250℃ 이상의 온도에 대처할 필요가 있다. 또, 신호전달지연 및 압전장치(108)와 주 구조물 사이의 크로스토크를 최소화하기 위한 유전상수, 및 고주파에서의 파워로스의 감소를 위한 고임피던스를 가지는 것으로 할 수 있다.
상기 기판(102)은 다양한 물질로 제조될 수 있다. 듀퐁사(델라웨어주, 윌밍턴시 소재)에 의해 제조된 Kapton® 폴리이미드는 일반 용도에 사용하는 것이 바람직하고, 다른 3종의 물질인 테플론 퍼플루오로알콕시 (Teflon perfluoroalkoxy (PFA)), 폴리 p-자일릴렌(poly p-xylylene (PPX)), 및 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole (PBI))은 특수용도에 사용할 수 있다.
예를 들면, PFA필름은 양호한 유전특성과, 저전압 및 고온에 적합한 저유전손실을 가질 수 있다. PPX와 PBI는 고온에서 안정적인 유전력(dielectric strength)를 제공할 수 있다.
상기 압전층(116)은 압전세라믹, 압전결정, 또는 압전폴리머로 제조할 수 있다. 펜실베니아 주립대의 TRS 세라믹사(TRS Ceramics, Inc.)에 의해 제조된 PZN-PT 결정과 같은 압전결정은 높은 스트레인 에너지 밀도 및 낮은 스트레인 히스테리시스로 인해 압전장치(108)의 설계에 채용하는 것이 바람직하다. 소형의 패치센서를 위해서는, 일본국 도쿄에 소재하는 후지세라믹사(Fuji Ceramic Corporation) 또는 펜실베니아 맥키빌(Mackeyville)에 소재하는 APC 인터내쇼날사(APC International, Ltd.)에 의해 제조된 PZT 세라믹과 같은 압전세라믹을 압전층(116)용으로 사용할 수 있다. 상하측 도전체(112)(114)는 크롬이나 금과 같은 금속으로 제조할 수 있고, 종래의 스퍼터링법(sputtering process)에 의해 상기 압전층(116)에 부착할 수 있다. 도 1b에서 압전장치(108)는 한 쌍의 도전체만을 구비하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 당업자에게 있어서는 압전장치(108)가 신호파의 생성/검출에 있어서 압전층(116)의 성능을 최적화하기 위한 다양한 두께를 가지는 복수층의 도전체를 구비할 수 있다는 것이 자명한 사실이다. 각 도전체의 두께는 패치센서(100)가 부착되는 특정의 주 구조물에 가해지는 열적 한계 및 기계적 부하에 의해 결정될 수 있다.
온도사이클을 지속하기 위해, 압전장치(108)의 각 층은 다른 층의 열팽창계수와 유사한 열팽창계수를 가질 필요가 있다. 또, 기판(102)을 포함하는 통상의 폴리이미드의 열팽창계수는 대략 4-6×10-5K-1이고, 압전층(116)을 포함하는 통상의 압전세라믹/결정의 열팽창계수는 대략 3×10-6K-1이다. 이와 같은 열팽창의 불일치는 압전장치(108)의 고장의 최대원인이 될 수 있다. 압전장치(108)가 고장나면 주 구조물의 패치센서(100)를 교체해 주어야 한다. 전술한 바와 같이, 버퍼층(110)은 압전층(116)과 기판(102) 사이의 열팽창계수의 불일치의 악영향을 감소하기 위해 사용할 수 있다.
상기 버퍼층(110)은 도전성 폴리머 또는 금속, 특히 열팽창계수가 2×10-5K-1인 알루미늄으로 제조하는 것이 바람직하다. 상기 버퍼층(110)은 알루미나, 실리콘 또는 그래파이트로 제조한 하나 이상의 버퍼층으로 대체되거나 추가될 수 있다. 일실시예에 있어서, 알루미늄제 버퍼층(110)의 두께는 각각 약 0.05mm 두께인 2개의 도전체(112)(114)를 포함하여 약 0.25mm의 두께인 압전층(116)의 두께와 거의 동일하게 할 수 있다. 대체로, 버퍼층(110)의 두께는 인접층의 재료특성과 두께에 의해 결정될 수 있다. 상기 버퍼층(11)은 압전장치(108)의 열적부하에 대한 내구성의 향상 및 이중기능을 제공할 수 있다. 타실시예에 있어서, 상기 압전장치(108)는 그 상측 도전체(114)의 상측에 다른 버퍼층을 적층할 수 있다.
상기 버퍼층(110)의 다른 기능은 기판(102)에 의해 수신된 신호의 증폭작용이다. 패치센서(100)에 의해 발생된 램파 신호가 주 구조물을 따라 전파됨에 따라, 주 구조물에 부착된 다른 패치센서(100)에 의해 수신된 신호의 강도는 두 패치센서 사이의 거리가 증가함에 다라 감소한다. 하나의 램신호(Lamb signal)가 패치센서(100)가 설치된 위치의 도달하면, 기판(102)이 그 신호를 수신하게 된다. 다음에, 버퍼층(110)의 재료 및 두께에 따라 수신된 신호의 강도는 특정주파수로 증폭될 수 있다. 다음에, 상기 압전장치(108)는 증폭된 신호를 전기신호로 변환시킨다.
습기, 가동 이온(mobile ions) 및 불량한 환경조건은 패치센서(100)의 성능을 악화시키고, 수명을 감소시키므로 2개 층의 보호코팅층, 즉 몰딩층(120)과 피복층(106)을 사용할 수 있다. 상기 몰딩층(120)은 에폭시, 폴리이미드 또는 실리콘-폴리이미드를 이용하여 통상의 제조법으로 제조할 수 있다. 또한, 상기 몰딩층(120)은 저열팽창성 폴리이미드로 제조되며, 압전장치(108) 및 기판(102) 상에 침착시킬 수 있다. 상기 몰딩층(120)의 부동태화는 정각밀봉시일(conformal hermetic seal)을 형성하지 않으므로, 피복층(106)을 밀봉시일하도록 몰딩층(120) 상에 적층시킬 수 있다. 상기 피복층(120)은 니켈, 크롬 또는 은과 같은 금속으로 제조되며, 전기분해법 또는 e-비임 증착법 및 스퍼터링법과 같은 종래기법으로 적층시킬 수 있다. 일실시예에 있어서, 스크래칭 및 균열에 대한 보호층을 제공하기 위해 상기 피복층(106) 상에 에폭시 필름 또는 폴리이미드 필름을 추가로 피복시킬 수 있다.
상기 후프층(104)은 실리콘 나이트라이드 또는 글라스와 같은 유전성 절연물질로 제조될 수 있고, 압전장치(108)의 도전성 부품이 전기적으로 단락되지 않도록 기판(102) 상의 압전장치(108)를 둘러싼다.
도 1c는 본 기술분야에 공지된 종래 형식의 것으로서, 상기 압전장치(108)의 대용으로 할 수 있는 압전장치(130)의 개략적 평면도이다. 도 1d는 도 1c의 B-B방향을 따라 취한 압전장치(130)의 개략적인 단면도이다. 도 1c-d에 도시된 바와 같이, 상기 압전장치(130)는, 하측 도전체(134); 압전층(136); 전선(138b)에 접속된 상측 도전체(132); 전선(138a)에 접속된 접속체(142); 및 상기 접속체(142)를 하측 도전체(134)에 접속하기 위한 도전편(144)을 구비한다.
도 1e는 본 발명의 타실시예에 따른 패치센서(150)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 1f는 도 1e에 도시된 패치센서(150)의 개략적 측단면도이다. 도 1e-f에 도시된 바와 같이, 상기 패치센서(150)는, 하측기판(151); 상측기판(152); 후프층(154); 압전장치(156); 상하측 버퍼층(160a-b); 및 상기 압전장치(108)에 접속된 2개의 전선(158a-b)을 구비한다. 상기 압전장치(156)는, 압전층(164); 전선(158b)에 접속된 하측 도전체(166); 및 전선(158a)에 접속된 상측 도전체(162)를 구비한다. 상기 패치센서(150)의 기능과 재료는 패치센서(100)의 대응부의 것과 유사하다. 상기 각 버퍼층(160a-b)은 하나 이상의 하부층을 포함할 수 있고, 각 하부층은 폴리머 또는 금속으로 구성할 수 있다. 상기 상측기판(152)은 기판(102)의 재료와 동일한 재료로 제조할 수 있다.
상기 패치센서(150)는 구조물의 건전상태를 감시하기 위해 주 구조물에 부착할 수 있다. 또한, 상기 패치센서(150)는 적층체 내에 삽입할 수도 있다. 도 1g는 패치센서(150)를 개재하고 있는 복합적층체(170)의 개략적 단면도이다. 도 1g에 도시된 바와 같이, 상기 주 구조물은, 복수의 적층(172); 및 이 복수의 적층(172)에 고착된 적어도 하나의 패치센서(150)를 구비한다. 일실시예에 있어서, 상기 적층(172)의 내부에는 그 경화처리 이전에 에폭시 수지와 같은 접착물질을 함유시킬 수 있다. 경화처리 중에, 상기 적층(172)으로부터 나온 접착물질은 공동부(174)를 충만시킨다. 이와 같은 접착물질의 축적을 예방하기 위해 후프층(154)이 상기 공동부(174)를 충만하는 구조로 할 수 있다.
도 1h는 도 1e의 패치센서(150)의 타실시예(180)의 개략적 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 상기 패치센서(180)는, 하측기판(182), 상측기판(184), 후프층(198); 압전장치(190); 상하측 버퍼층(186, 188); 및 압전층(196)을 구비한다. 간단히 하기 위해, 압전장치(190)에 접속된 한 쌍의 전선은 도 1h에는 도시되어 있지 않다. 상기 압전장치(190)는, 압전층(196); 하측 도전체(194); 및 상측 도전체(192)를 구비한다. 상기 패치센서(180)의 구성부품의 기능과 재료는 패치센서(150)의 대응부의 것과 유사하다.
상기 후프층(198)은 그 외측의 윤곽이 공동부(174)의 형상에 일치하도록 하나 이상의 다양한 치수의 하부층(197)을 구비할 수 있다. 하부층(197)으로 공동부(174)를 충진시킴에 의해 적층체(170)의 경화처리 중에 접착물질이 축적되지 않게 된다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 패치센서(200)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 2b는 도 2a의 C-C방향을 따라 취한 하이브리드 패치센서(200)의 개략적 단면도이다. 도 2a-b에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 패치센서(200)는, 주 구조물에 부착하도록 구성된 기판(202); 후프층(204); 압전장치(208); 양단부(214a-b)를 구비하는 광섬유 코일(210); 버퍼층(216); 상기 압전장치(208)에 접속된 2개의 전선(212a-b); 몰딩층(228); 및 피복층(206)을 구비한다. 상기 압전장치(208)는, 압전층(222); 상기 전선(212b)에 접속된 하측 도전체(220); 및 상기 전선(212a)에 접속된 상측 도전체(218)를 구비한다. 타실시예에 있어서, 상기 압전장치(208)는 도 1c의 압전장치(130)와 동일한 것으로 할 수 있다. 상기 광섬유 코일(210)은, 권선체의 광섬유 케이블(224); 및 코팅층(226)을 구비한다. 상기 하이브리드 패치센서(200)의 구성부품은 패치센서(100)의 대응부의 것과 유사하게 할 수 있다.
상기 광섬유 코일(210)은 새낙 간섭계(Sagnac interferometer)로 구성하여 램파 신호를 수신하도록 할 수 있다. 램파에 의해 유발된 주 구조물의 표면 상의 탄성 스트레인은 굽힘 및 신장에 의해 유발된 광섬유 케이블(224)의 기존의 스트레인 상에 부가될 수 있다. 그 결과, 광섬유 케이블(224)을 통한 빛의 운동시의 주파수/위상 변화량은 광섬유 케이블(224)의 총 길이에 의존한다. 일실시예에 있어서, 전자기 간섭 및 진동 노이즈에 대한 영향을 받지 않는 점을 고려하여 광섬유 코일(210)을 주 센서로서 사용하고 압전장치(208)를 보조 센서로서 사용할 수 있다.
상기 광섬유 코일(210)은 도플러효과를 권선체의 광섬유 케이블(224)을 통한 빛의 운동의 주파수에 이용한다. 상기 각 광섬유 코일(210)에 있어서, 광섬유 권선의 내측은 압축력 하에 있고, 외측은 인장력 하에 있게 된다. 이들 압축력과 인장력은 광섬유 케이블(224) 상에 스트레인을 유발한다. 램파에 의해 유발되는 주 구조물의 진동변위 또는 스트레인은 광섬유 케이블(224)의 스트레인에 부가된다. 복굴절식(birefringence equation)에 따르면, 광섬유 케이블(224)의 피복표면 상에서의 반사각은 상기 압축력 및/또는 인장력에 의해 유발되는 스트레인의 함수이다. 따라서, 각 광섬유 권선의 내외측은 직선상의 광섬유의 내외측과 상이한 반사각을 만들어내고, 따라서, 빛의 주파수는 빛이 광섬유 코일(210)을 통해 전송될 때 램파의 상대굴절변위(relative flexural displacement)에 따라 중심의 입력주파수로부터 변위하게 된다.
일실시예에 있어서, 상기 광섬유 코일(210)은 10 내지 30회선의 광섬유 케이블(224)을 포함하고, 적어도 10 mm의 최소 루프직경 (236)(di)을 가진다. 상기 광섬유 코일(210)의 최내측 권선과 압전장치(208)의 외부둘레 사이에는 갭(234)(dg)이 존재할 수 있다. 이 갭(234)은 최소 루프직경(236)과 압전장치(208)의 직경(232)(dp)에 의존하고, 압전장치의 직경(232)보다 광섬유 케이블(224)의 직경(230)(df)의 약 2배 또는 3배만큼 큰 것이 바람직하다.
코팅층(226)은 주 구조물에 의해 안내되는 램파의 굴절변위 또는 스트레인에 대한 광섬유 코일(210)의 민감도를 증가시키기 위해 금속 또는 폴리머 물질, 특히 에폭시로 구성되는 것이 바람직하다. 또, 상기 광섬유 케이블(224)의 권선공정 중에 인장응력을 추가하기 위해 광섬유 케이블(224)에 제어된 인장력을 부가할 수 있다. 상기 코팅층(226)은 권선체의 광섬유 케이블(224)의 내부응력을 유지시킴과 동시에, 각 광섬유 권선에 대해 램파의 굴절변위에 대한 균일한 면내변위(in-plane displacement)를 허용할 수 있다.
상기 코팅층(226)은 폴리이미드, 알루미늄, 구리, 금 또는 은과 같은 다른 물질로 구성할 수도 있고, 그 두께는 직경(230)의 약 30% 내지 2배의 범위로 할 수 있다. 상기 폴리머 물질로 구성된 코팅층(226)은 2가지 방법으로 형성할 수 있다. 일실시예는 권선체의 광섬유 케이블(224)을 기판(202) 상에 설치한 다음, 바이오도트 스프레이 코팅기(Biodot spray-coater)와 같은 장치로 분사하여 형성하는 것이고, 타실시예는 권선체의 광섬유 케이블(224)을 코팅물질의 용융욕 내에 침지시켜 형성하는 것이다.
금속으로 구성되는 코팅층(226)은 전기분해법 뿐 아니라 마그네트론 반응 스퍼터링법 또는 플라즈마 스퍼터링법과 같은 종래의 금속코팅법으로 형성할 수 있다. 특히, 산화아연은 코팅층(226)에 압전특성을 제공할 수 있도록 코팅층(226)의 코팅물질로서 사용할 수 있다. 산화아연을 권선체의 광섬유 케이블(224)의 상하측면에 코팅하면 광섬유 코일(210)은 전기신호에 대응하는 반경방향으로 동심적으로(radically) 수축하거나 팽창한다. 또, 산화규소 또는 산화탄탈륨 코팅물질도 권선체의 광섬유 케이블(224)의 굴절율을 제어하기 위해 사용할 수 있다.
산화규소 또는 산화탄탈륨은 직접/간접 이온빔 침착법 또는 전자빔 증기침착법을 이용하여 침착시킬 수 있다. 본 발명으로부터 벗어나지 않는 다른 방법을 이용하여 광섬유 케이블(224)에 코팅층(226)을 형성할 수 있는 것도 알려져 있다.
상기 압전장치(208) 및 광섬유 코일(210)은 보통의 폴리머 대신 물리적 응고형 접착제를 이용하여 기판(202)에 부착할 수 있다. 상기 물리적 응고형 접착제에는 부틸아크릴레이트-에틸아크릴레이트 공중합체, 스티렌-부타디엔-이소프렌 삼원중합체 및 폴리우레탄 알키드 수지 등이 포함되지만 이에 한정되는 것은 아니다. 이들 물질의 접착특성은 중합체 구조의 가교결합의 결여에 기인되어 코팅공정 중 및 코팅공정 후에 일정하게 유지될 수 있다. 또, 이들 접착제는 종래의 폴리머에 비해, 다양한 피분석물질에 대한 민감도를 희생하지 않고도 기판(202)의 광범위한 웨팅(wetting)에 가장 적합할 수 있다.
도 2c는 본 발명의 타실시예에 따른 하이브리드 패치센서(240)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 2d는 도 2c에 도시된 하이브리드 패치센서(240)의 개략적 측단면도이다. 도 2c-d에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 패치센서(240)는, 하측기판(254); 상측기판(242); 후프층(244); 압전장치(248); 양단부(250a-b)를 구비하는 광섬유 코일(246); 상하측 버퍼층(260a-b); 및 상기 압전장치(248)에 접속된 2개의 전선(252a-b)을 구비한다. 상기 압전장치(248)는, 압전층(264); 상기 전선(252b)에 접속된 하측 도전체(262); 및 상기 전선(252a)에 접속된 상측 도전체(266)를 구비한다. 상기 광섬유 코일(246)은, 권선체의 광섬유 케이블(258); 및 코팅층(256)을 구비한다. 상기 하이브리드 패치센서(240)의 부품은 상기 하이브리드 패치센서(200)의 대응부의 것과 유사하다.
상기 패치센서(150)의 경우와 같이, 하이브리드 패치센서(240)는 주 구조물에의 부착 및/또는 복합적층체 내에의 내장이 가능하다. 일실시예에 있어서, 상기 후프층(244)은 패치센서(240) 및 복합적층체에 의해 형성된 공동부를 충만하기 위해 후프층(198)과 유사하게 구성할 수 있다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 패치센서(300)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도3b는 도 3a의 D-D방향을 따라 취한 광섬유 패치센서(300)의 개략적 측단면도이다. 도 3a-b에 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 패치센서(300)는, 기판(302); 후프층(304); 양단부(310a-b)를 구비하는 광섬유 코일(308); 몰딩층(316); 및 피복층(306)을 구비한다. 상기 광섬유 코일(308)은, 권선체의 광섬유 케이블(312); 및 코팅층(314)을 구비한다. 상기 광섬유 패치센서(300)의 각 요소의 물질과 기능은 도 2a의 하이브리드 패치센서(200)의 대응부의 것과 유사하다. 광섬유 케이블(312)의 최내측 권선의 직경(313)은 광섬유 케이블(312)의 물질특성에 의해 결정될 수 있다.
도 3c는 광섬유 케이블(312)의 권선방법을 설명하는, 도 3a의 광섬유 패치센서 내에 수용된 광섬유 코일(308)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 광섬유 코일(308)의 최외측 권선은 일단부(310a)에서 출발하고, 그 최내측 권선은 타단부(310b)에서 종료한다. 도 3d는 도 3c에 도시된 광섬유 코일(308)의 타실시예(318)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 광섬유 케이블(322)은 그 최외측 권선이 양단부(320a-b)에서 출발하는 형태가 되도록 절첩 및 권선된다. 상기 권선체의 광섬유 케이블(322)은 코팅층(319)으로 피복할 수 있다.
도 3c-d에 도시된 광섬유 코일(308 및 318)은 주 구조물에 직접 부착하여 광섬유 코일센서로서 이용할 수 있다. 이러한 이유로, 이하에서는 "광섬유 코일" 및 "광섬유 코일 센서"라는 용어를 동의적으로 사용할 것이다. 도 3e-f는 광섬유 코일(308)의 타실시예이다. 도 3e에 도시된 바와 같이, 광섬유 코일(330)은, 양단부(338a-b)를 구비함과 동시에 케이블(312)과 동일한 형태로 권선된 광섬유 케이블(334); 및 코팅층(332)을 구비한다. 광섬유 코일(330)은 후술하는 패스너를 수용하기 위한 홀(336)을 구비할 수 있다. 마찬가지로, 도 3f의 광섬유 코일(340)은, 양단부(348a-b)를 구비함과 동시에 케이블(322)과 동일한 형태로 권선된 광섬유 케이블(344); 및 코팅층(342)을 구비한다. 상기 코일(340)은 패스너(fastener)를 수용하기 위한 홀(346)을 구비할 수 있다. 도 3g는 도 3e의 D-D방향을 따라 취한 광섬유 코일(330)의 개략적 측단면도이다.
도 3a-g에 도시된 센서는 도 1g에 도시된 것과 유사한 형태로 적층체에 내장시킬 수 있음에 주목해야 한다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 진단용 패치와셔(400)의 개략적 일부절제 평면도이다. 도 4b는 도 4a의 E-E방향을 따라 취한 진단용 패치센서(400)의 개략적 측단면도이다. 도 4a-b에 도시된 바와 같이, 상기 진단용 패치센서(400)는, 양단부(410a-b)를 구비하는 광섬유 코일(404); 압전장치(406); 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)를 접착물질로 접착시켜 수용하는 지지요소(402); 상기 압전장치(406)에 접속된 한 쌍의 전선(408a-b); 및 상기 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)를 피복하도록 구성된 피복디스크(414)를 구비한다.
상기 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)의 물질 및 기능은 하이브리드 패치센서(200)의 광섬유 코일(210) 및 압전장치(208)의 그것과 유사하다. 일실시예에 있어서, 상기 압전장치(406)는 홀(403)이 없는 점 외에는 압전장치(130)와 유사하다. 상기 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)는 종래의 에폭시를 이용하여 지지요소(402)에 부착할 수 있다. 상기 지지요소(402)는 광섬유 코일(404)의 양단부(410a-b)와 한 쌍의 전선(408a-b)이 통과할 수 있는 노치(412)를 구비할 수 있다.
도 4a-b에 있어서, 진단용 패치센서(400)는 액츄에이터/센서로서 작용할 수 있고, 광섬유 코일(404) 및 압전장치(406)를 구비할 수 있다. 타실시예에 있어서, 상기 진단용 패치와셔(400)는 센서로서 작용할 수 있고, 광섬유 코일(404)만 구비할 수 있다. 타실시예에 있어서, 상기 진단용 패치와셔(400)는 액츄에이터/센서로서 작용할 수 있고, 압전장치(406)만 구비할 수 있다.
도 4a-b에 도시된 바와 같이, 진단용 패치와셔(400)는 볼트 또는 리벳과 같은 다른 체결장치를 수용하기 위한 공동부(403)를 구비할 수 있다. 도 4c는 본 발명의 일실시예에 따른 진단용 패치와셔(400)를 이용하는 예시적인 볼트결합된 구조물(420)의 개략도이다. 상기 볼트결합된 구조물(420)에 있어서, 종래의 볼트(424), 너트(426) 및 와셔(428)를 이용하여 플레이트와 같은 한 쌍의 구조물(422a-b)을 고정할 수 있다. 구조물의 응력은 볼트결합부(429)에 집중되어 구조물을 손상시키는 경향이 있다는 것은 주지의 사실이다. 상기 진단용 패치센서(400)는 볼트결합된 구조물(420)에 내장되어 상기와 같은 손상을 검출해내는 데 이용될 수 있다.
도 4d는 본 발명의 타실시예에 따른 진단용 패치와셔(400)를 이용하는 예시적인 볼트결합된 구조물(430)의 개략적 단면도이다. 상기 볼트결합된 구조물(430)에 있어서, 종래의 볼트(432), 너트(434) 및 한 쌍의 와셔(436 및 438)를 이용하여 하니콤/적층 구조물(440)을 고정할 수 있다. 상기 하니콤 및 적층체 구조물(440)은, 복합체 적층(422) 및 하니콤부(448)를 구비한다. 상기 볼트결합영역 부근의 구조물의 손상을 검출하기 위해, 한 쌍의 진단용 패치와셔(400a-b)를, 도 4d에 도시한 바와 같이, 하니콤부(448)에 삽입할 수 있다. 상기 상하측 패치와셔(400a-b)를 복합체 적층(442)에 대해 지지하기 위해 슬리이브(446)가 필요하다. 또한, 상기 와셔(400b)를 파괴적인 열전달로부터 보호하기 위해 상기 복합체 적층(422)과 진단용 패치와셔(400b) 사이에 열차단용 환상 디스크(444)를 개재시킬 수 있다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 피복디스크(414)의 외주부(415)는 볼트(424) 및 너트(426)에 가해지는 토오크에 의한 과도한 접촉하중으로부터 광섬유 코일(404)과 압전장치(406)를 보호할 수 있는 잠금기구(locking mechanism)를 형성하기 위해 경사각을 가질 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 센서/액츄에이터를 구비하는 심문시스템(500)(interrogation system)의 개략도이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 심문시스템(500)은, 램파신호의 발생 및/또는 수신을 위한 센서/액츄에이터 장치(502); 2개의 도전체 전선(516); 상기 장치(502)에 의해 수신된 신호를 처리하기 위한 조절장치(508); 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 아날로그-디지털(A/D) 컨버터(504); 시스템(500) 전체요소를 관리하기 위한 컴퓨터(514); 증폭기(506); 디지털 신호를 아날로그 램파신호로 변환하는 파형생성기(510); 및 상기 센서/액츄에이터 장치(502)와 컴퓨터(514) 사이의 접속상태를 절환하도록 구성된 릴레이 스위치 모듈(512)을 구비한다. 일반적으로 하나 이상의 장치(502)가 릴레이 스위치(512)에 접속될 수 있다.
상기 센서/액츄에이터 장치(502)는 램파(517)를 발생함과 동시에 타 장치에서 발생된 램파를 수신하는 압전장치를 포함하는, 도 1a-2d 및 도 4a-d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있다. 램파(517)를 발생하기 위해, 파형생성기(510)는 상기 릴레이 스위치 모듈(512)을 통해 컴퓨터(514)(특히, 컴퓨터(514)에 포함된 아날로그 출력카드)로부터 여기된 파형의 디지털 신호를 수신할 수 있다. 일실시예에 있어서, 상기 파형생성기(510)는 아날로그 출력카드로 구성할 수 있다.
상기 릴레이 스위치 모듈(512)은 종래의 플러그인 릴레이 보드로 구성할 수 있다. 상기 액츄에이터 및 센서들 사이의 크로스토크 링커("cross-talks" linker)에 의해, 상기 릴레이 스위치 모듈(512)에 포함된 릴레이 스위치는 컴퓨터(514)와 협동하여 특정순서로 각 릴레이 스위치를 선택할 수 있다. 일실시예에 있어서, 파형생성기(510)에 의해 발생된 아날로그 신호는 분기하는 전선(515)을 통해 다른 액츄에이터(들)로 전송될 수 있다.
상기 장치(502)는 램파를 수신하기 위한 센서로서 기능할 수 있다. 수신된 신호는 신호전압을 조절할 수 있고 적절한 주파수대역 내에서 의미있는 신호를 선택하기 위해 전기노이즈를 필터링할 수 있는 조절기(508)로 송신된다. 다음에, 필터링된 신호는 디지털 입력카드로 구성할 수 있는 아날로그-디지털 변환기(504)로 송신된다.
도 5b는 본 발명의 타실시예에 따른 센서를 구비하는 심문시스템(520)(interrogation system)의 개략도이다. 상기 심문시스템(520)은, 광섬유 코일을 구비하는 센서(522); 접속용 광섬유 케이블(525); 반송파 입력신호를 제공하기 위한 레이저 광원(528); 한 쌍의 모듈레이터(526 및 534); 음향 광학 모듈레이터(AOM)(530); 한 쌍의 커플러(524 및 532); 광섬유 케이블(525)을 통해 전송된 광신호를 검출하기 위한 광검출기(536); A/D컨버터(538); 릴레이 스위치(540); 및 컴퓨터(542)를 구비한다. 상기 센서(522)는 광섬유 코일을 구비하는 도 2a-4d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있다. 일실시예에 있어서, 커플러(524)는 광섬유 케이블(525)을 다른 센서(523)에 접속될 수 있는 다른 광섬유(527)에 연결할 수 있다.
상기 센서(522), 특히 센서(522)에 포함된 광섬유 코일은 레이저 도플러 속도계(laser Doppler velocitimeter (LDV))로서 작동할 수 있다. 상기 레이저광원(528), 바람직하게는 다이오드 레이저는 모듈레이터(526)에 입력 반송파 광신호를 방사할 수 있다. 상기 모듈레이터(526)는 헤테로다인 모듈레이터(heterodyne modulator)로 구성할 수 있고, 반송파 입력신호를 2개의 신호, 즉 센서(522)를 위한 하나의 신호와 AOM(530)을 위한 다른 하나의 신호로 분할한다. 상기 센서(522)는 램파에 대응하는 도플러 주파수에 의해 입력 반송파 신호를 변위시키고, 이것을 헤테로다인 싱크로나이저(heterodyne synchronizer)로 구성할 수 있는 모듈레이터(534)에 전송한다. 상기 모듈레이터(534)는 광의 반송주파수를 제거하기 위해 전송된 광을 복조시킬 수 있다. 상기 광검출기(536), 바람직하게는 광다이오드는 복조된 광신호를 전기신호로 변환시킨다. 다음에 상기 A/D컨버터(538)는 상기 전기신호를 디지털화하여 릴레이 스위치 모듈(540)을 경유하여 컴퓨터(542)로 송신한다. 일실시예에 있어서, 상기 커플러(532)는 다른 센서(544)에 접속된 광섬유 케이블(546)을 연결할 수 있다.
도 6a는 본 발명의 일실시예에 따른 주 구조물(610)에 설치된 진단용 네트워크 패치시스템(DNP)(600)의 개략도이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(600)은, 패치(602); 전송링크(612); 상기 전송링크(612)에 접속된 적어도 하나의 브릿지 박스(604); 데이타 수집 시스템(606); 및 상기 DNP시스템(600)을 관리하기 위한 컴퓨터(608)를 구비한다. 상기 패치(602)는 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있고, 여기서 전송링크(612)의 형식은 패치(602)의 형식에 의해 결정될 수 있고, 전선, 광섬유 케이블, 또는 이들 양자를 포함한다. 통상, 주 구조물(610)은 복합체 또는 금속으로 제조될 수 있다.
전송링크(612)는 브릿지 박스(604)에서 종결한다. 상기 브릿지 박스(604)는 복수의 패치(602)를 연결하여 외부의 파형생성기(510)(도 5a 참조)로부터의 신호를 수신하고, 수신된 신호를 외부의 A/D컨버터(504)(도 5a 참조)로 전송한다. 상기 브릿지 박스(604)는 전기/광케이블을 통해 접속됨과 동시에, 작동신호의 조절, 수신된 신호의 필터링, 및 광섬유 신호의 전기신호로의 변환을 위한 조절장치(508)(도 5a참조)를 수용할 수 있다. 상기 브릿지 박스(604)에 연결된 데이터 수집시스템(606)은 릴레이 스위치 모듈(512)(도 5a 참조)을 이용하여, 복수의 패치(602)를 릴레이함과 동시에 상기 패치(602)로부터 수신된 신호를 소정의 순서에 따라 채널 내로 다중전송(multiplex)한다.
램파의 발생 및 검출은 주 구조물 상의 액츄에이터 및 센서의 설치위치에 의해 영향을 받는다는 것은 주지의 사실이다. 따라서, 상기 패치(602)는 손상부의 확인을 위한 램파의 사용도를 최대화하기 위해 네트워크 구조 내에서 적절히 쌍을 이루게 해야 한다.
도 6b는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립 네트워크 구조를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템(620)의 개략도이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 패치시스템(620)은 주 구조물(621)에 부착될 수 있고, 패치(622); 컴퓨터(626)에 접속된 브릿지 박스(624); 및 전송링크(632)를 구비할 수 있다. 상기 복수의 패치(622)는 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있고, 전송링크(632)의 형식은 패치(622)의 형식에 의해 결정될 수 있다. 상기 전송링크(632)는 전선, 광섬유 케이블, 또는 이들 양자로 구성할 수 있다.
상기 컴퓨터(626)는 액츄에이터 및/또는 센서의 기능을 할 수 있는 패치(622)의 동작을 조정할 수 있다. 화살표(630)는 패치(622)에 의해 발생된 램파의 전파(propagation)를 표시한다. 일반적으로, 주 구조물(621) 내의 결함(628)은 파동산란, 회절 및 램파의 전송손실과 같은 형태로 전송패턴에 영향을 줄 수 있다. 상기 결함(628)은 손상, 균열, 및 복합구조물의 박리 등을 포함한다. 상기 결함(628)은 상기 패치(622)에 의해 포획된 램파의 전송패턴의 변화를 검출함에 의해 감시할 수 있다.
상기 DNP시스템의 네트워크 구조는 램파에 기초한 구조물의 건전성 감시시스템에 있어서 중요하다. 상기 DNP시스템(620)의 네트워크 구조에 있어서, 파선(wave-ray) 통신경로는 균일하게 랜덤화되어야 한다. 통신경로의 균일화 및 패치들(622) 사이의 거리에 의해 주 구조물(621) 내의 결함(628)의 최소검출가능한 치수를 결정할 수 있다. 적절한 경로구조를 구비하는 최적화된 네트워크 구조에 의해 패치(622)의 수를 증가시키지 않고도 손상부의 확인정밀도를 향상시킬 수 있다.
패치들 사이에 크로스토크 경로를 형성하기 위한 다른 구조는 도 6c에 도시된 오각형 네트워크로 구성할 수 있다. 도 6c는 본 발명의 타실시예에 따른 오각형 네트워크 구조를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템(640)의 개략도이다. 상기 시스템(640)은 주 구조물(652)에 설치될 수 있고, 패치(642); 컴퓨터(646)에 접속된 브릿지 박스(644); 및 전송링크(654)를 구비한다. 상기 복수의 패치(642)는 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있다. 상기 시스템(640)에 있어서, 패치(642)는 화살표(648)로 표시된 램파를 송수신함에 의해 결함(650)을 검출할 수 있다.
도 6d는 본 발명의 타실시예에 따른 리벳/볼트결합된 복합적층체(666 및 668)에 설치된 진단용 네트워크 패치시스템(660)의 개략적인 사시도이다. 도 6d에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(660)은, 패치(662); 및 진단용 패치와셔(664)를 구비하고, 각 와셔는 한 쌍의 볼트 및 너트로 연결되어 있다. 도 6d에는 간단히 하기 위해 브릿지 박스와 전송링크가 도시되어 있지 않다. 상기 복수의 패치(662)는 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있다. 상기 진단용 네트워크 패치 시스템(660)에 있어서, 상기 패치(662) 및 진단용 패치와셔(664)는 화살표(670)로 표시된 바와 같은 램파의 송수신에 의해 결함(672)을 검출할 수 있다. 통상, 결함(672)은 패스너용 홀의 근방에서 발생한다. 상기 진단용 패치와셔(664)는 도 6d에 도시된 바와 같이, 스트립 네트워크 구조에 배치된 다른 인접하는 진단용 패치(662)와 통신할 수 있다. 일실시예에 있어서, 도 3e, 도 3f의 광섬유 코일센서(330 및 340)는 진단용 패치와셔(664)의 대용으로 사용할 수 있다.
도 6e는 본 발명의 일실시예에 따른 접착패치(686)에 의해 보수될 수 있는 복합적층체(682)에 설치된 진단용 네트워크 패치시스템(680)의 개략적 사시도이다. 도 6e에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(680)은 도 5a의 센서/액츄에이터 장치(502) 또는 도 5b의 센서(522)로 구성할 수 있는 복수의 패치(684)를 구비한다. 도 6e에는 간단히 하기 위해 브릿지 박스 및 전송링크가 도시되어 있지 않다. 상기 시스템(680)에 있어서, 패치(684)는 화살표(687)로 표시된 램파의 송수신에 의해 보수 패치(repair patch)(686)와 복합적층체(682) 사이에 위치하는 결함(688)을 검출할 수 있다.
도 6f는 본 발명의 일실시예에 따른 원격 진단용 네트워크 패치시스템을 제어하는 무선 데이터통신 시스템(690)의 일실시예를 도시하는 개략도이다. 도 6f에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(690)은, 브릿지 박스(698); 및 지상통제기(692)에 의해 작동될 수 있는 지상 통신시스템(694)을 구비한다. 상기 브릿지 박스(698)는 광범위한 구조적 건전성 감시가 요구되는 항공기(696)와 같은 주 구조물에 구현된 진단용 네트워크 패치시스템에 접속될 수 있다.
상기 브릿지 박스(698)는 2가지 방법으로 작동할 수 있다. 일실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 신호발신기로서 작동할 수 있다. 이 실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 마이크로 미니어처 트랜스듀서(micro miniature transducers)와, 구조물의 건전성 감시정보를 무선신호(693)를 통해 지상 통신시스템(694)에 전송할 수 있는 RF 원격측정 시스템의 마이크로프로세서를 구비할 수 있다. 타실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 전자기파의 수신기로서 작동할 수 있다. 이 실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 무선신호(693)를 통해 지상 통신시스템(694)으로부터 전력을 수신하기 위한 조립체를 구비할 수 있다. 수신된 전력은 구조물(696)에 설치된 DNP시스템을 작동하는데 이용될 수 있다. 상기 조립체는 자극전극(stimulating electrode), 상보성 산화금속 반도체(complementary metal oxide semiconductor (CMOS)), 쌍극 전력조절회로, 하이브리드 칩 커패시터, 및 수신안테나 코일을 구비하는 미세 기계 가공된 실리콘 기판을 포함할 수 있다.
상기 브릿지 박스(698)의 구조는 주 구조물(696)의 외층과 유사하게 구성할 수 있다. 일실시예에 있어서, 상기 브릿지 박스(698)는 복수층의 하니콤 적층구조를 가질 수 있다. 여기서, 복수층의 하니콤 적층구조의 외면에는 복수의 마이크로 스트립 안테나가 매설되고, 이 안테나는 정각부하 안테나로서 작동한다. 상기 복수층의 하니콤 적층구조는 하니콤 코어와, e-글라스(e-glass)/에폭시, 케블라/에폭시, 그래파이트/에폭시, 알루미늄 또는 강(steel)과 같은 유기물질 및/또는 무기물질로 제조된 복수층의 유전성 적층체를 구비할 수 있다. 통합된 미세 기계가공기술이 급속히 발전함에 따라, 마이크로 스트립 안테나의 치수와 생산비용이 더욱 감소될 수 있으므로, 이는 기능상의 훼손 없이도 브릿지 박스(698)의 작동/생산비의 절감으로 이어질 수 있다.
본 발명의 범위는 표준 와이어리스 어플리케이션 프로토콜 (standard Wireless Application Protocol (WAP)) 및 구조물 건전성 무선감시 시스템용 무선 마크업 언어(wireless markup languages)를 사용하는 것에 한정되는 것은 아니다. 모바일 인터넷 툴킷(mobile Internet toolkit)을 이용함으로써, 상기 시스템은 WAP이 가능한 셀폰, HTML 브라우저를 갖춘 포켓PC, 또는 다른 HTML이 가능한 장치가 구조물 상태감시 또는 하부구조 관리에 정확하게 접근할 수 있는 안정된 사이트를 구출할 수 있다.
마이크로폰 배열이 이동원(moving source)의 방향을 색출하는데 이용될 수 있듯이, 센서 집합체 배열은 신호 도착시간의 차이를 측정함으로써 손상부를 색출하는데 이용될 수 있다. 도 7a는 본 발명의 일실시예에 따른 스트립 네트워크 구조 내의 센서집합체를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템(700)의 개략도이다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(700)은 주 구조물(702)에 설치될 수 있고, 센서집합체(704) 및 전송링크(706)를 구비한다. 각 센서집합체(704)는 2개의 수신기(708 및 712)와 하나의 액츄에이터/수신기 장치(710)를 구비한다. 상기 각 수신기(708 및 712)는 도 1a-4d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있고, 상기 액츄에이터/수신기 장치(710)는 도 1a-2d 및 도 4a-d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있음과 동시에, 램파 발생용 압전장치를 구비한다. 상기 센서집합체(704)의 액츄에이터/수신기(710)가 램파를 송신할 때, 인접하는 센서집합체(704)는 3개의 요소 모두, 즉 액츄에이터/수신기 장치(710) 및 수신기(708 및 712)를 이용하여 램파를 수신할 수 있다. 3개의 요소 모두를 수신유닛으로 이용함으로써, 각 센서집합체(704)는 보다 정제된 램파를 수신할 수 있다. 또, 3개의 요소 사이의 도착시간차를 측정함으로써 결함(714)의 방향을 높은 정확도로 색출해낼 수 있다.
도 7b는 본 발명의 타실시예에 따른 오각형 네트워크 구조 내에 센서집합체를 구비하는 진단용 네트워크 패치시스템(720)의 개략도이다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(720)은 결함(734)을 검출하기 위해 주 구조물(722)에 설치할 수 있고, 센서집합체(724) 및 전송링크(726)를 구비한다. 각 센서집합체(724)는 상기 센서집합체(704)와 유사하다.
도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 직렬접속의 광섬유 코일을 구비하는 센서집합체(800)의 개략도이다. 상기 센서집합체(800)는 도 7a의 센서집합체(704)와 유사하고, 2개의 센서(804 및 808)와 하나의 액츄에이터/센서(806)를 구비한다. 본 구조에 있어서, 입력신호는 일단부(810a)를 통해 센서로 진입할 수 있고, 타단부(810b)로부터 나오는 출력신호는 입력신호 및 3개의 센서(804, 806 및 808)의 기여분(contribution)의 합계가 될 수 있다. 일실시예에 있어서, 각 센서로부터 출력된 신호는 파장에 기초한 역다중화(de-multiplex) 기법을 이용하여 다른 신호로부터 분리해 낼 수 있다.
도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 병렬 접속된 광섬유 코일을 구비하는 센서집합체(820)의 개략도이다. 상기 센서집합체(820)는 도 7a의 센서집합체(704)와 유사하고, 2개의 센서(824 및 828)와 하나의 액츄에이터/센서(826)를 구비한다. 이 구조에 있어서, 입력신호는 3개의 단부(830a, 832a 및 834a)를 통해 각각 3개의 센서 내로 진입할 수 있고, 타단부(830b, 832b 및 834b)로부터 나오는 출력신호는 입력신호 및 3개의 센서(824, 826 및 828)의 기여분의 합계가 될 수 있다.
도 8a-b에 있어서, 센서들(804, 808, 824 및 828)은 광섬유 코일 센서(308)로서 도시되어 있다. 그러나, 당업자에게는 각 센서(804, 808, 824 및 828)가 도 1a-4d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성될 수 있고, 중간센서(806 및 826)는 도 1a-2d 및 4a-d에 도시된 센서들 중의 하나로 구성할 수 있고, 램파발생용 압전장치를 구비한다는 것은 자명한 사실이다. 또, 센서집합체(800 및 820)는 도 1g에 도시된 것과 동일한 형태로 복합적층체 내에 개재시킬 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 액츄에이터 및 센서신호의 곡선도(900)이다. 램파를 발생시키기 위해, 액츄에이터 신호(904)를 도 1a의 패치센서(100)와 같은 액츄에이터에 인가할 수 있다. 상기 액츄에이터 신호(904)는 파형의 중간부에 최고진폭부를 가지는 복수의 웨이브피크(wave peaks)를 구비하는 톤버스트 신호(toneburst signal)로 구성할 수 있다. 상기 액츄에이터 신호(904)는 다양한 파형에 해닝함수(Hanning function)를 사용함으로써 설계될 수 있고, 0.01 MHz 내지 1.0 MHz의 그 중간주파수를 구비한다. 상기 액츄에이터는 액츄에이터 신호(904)를 수신하여 특정의 여기주파수(excitation frequency)를 가지는 램파를 발생한다.
신호(912a-n)는 복수의 센서에 의해 수신된 센서신호를 나타낸다. 제시된 바와 같이, 각 신호(912)는 각각 신호추출창(signal extracting windows) (또는, 신호추출 인벨롭(envelop))(920, 922 및 924)에 의해 분리된 파속(wave packets)(926, 928 및 930)을 구비한다. 이들 파속들(926, 928 및 930)은 센서의 위치에서의 분산모드에 기인되어 서로 다른 주파수를 가질 수 있다. 상기 신호분리창(916)은 램파신호를 각 센서신호로부터 식별해 내기 위해 적용한 것이다. 상기 파속들(926, 928 및 930)은 기본적인 대칭모드(S0), 반사모드(S0_ref) 및 기본적인 비대칭모드(A0)에 각각 대응한다. 상기 반사모드(S0_ref)는 주 구조물의 경계로부터 나온 램파 반사를 나타낸다. 기본적인 전단모드(shear mode)(S0'), 및 그 외의 높은 모드(higher mode)가 관찰될 수 있다. 그러나, 이들은 간단히 하기 위해 도 9에 도시되어 있지 않다.
센서신호 (912)의 부분들(914)은 톤버스트 액츄에이터 신호(904)에 기인되는 전기 노이즈이다. 센서신호(12)로부터 부분(914)을 분리하기 위해, 동작시간 중에 연기되는 시그모이드 함수(sigmoid function)인 마스킹창(masking windows)(918)을 한계함수(threshold function)로서 센서신호(912)에 적용할 수 있다. 다음에, 각 센서신호의 시계열을 따라 동파 인벨롭 윈도우(moving wave-envelope windows)(920, 922 및 924)를 이용하여 912의 센서신호로부터 파속(926, 928 및 930)을 추출해 낼 수 있다. 상기 인벨롭 윈도우(920, 922 및 924)는 센서신호(912)의 정점과 저점(peaks and valleys)을 탐색하는 힐클라이밍 알고리즘(hill-climbing algorithm)을 적용하고, 탐색된 데이터 포인트를 시간축에 보간(interpolating)함으로써 결정될 수 있다. 전후방향으로의 파의 크기비교가 파신호의 모든 데이터 포인트에 대해 계속적으로 이루어질 때까지 최근접 데이터 포인트의 크기가 현재 데이터 포인트의 크기보다 작은 경우에는 상기 파신호(wave signal) 내의 데이터 포인트의 크기와 위치가 저장될 수 있다. 파신호의 인벨롭이 얻어지면, 각 인벨롭은 램파 모드의 것에 대응하는 시간간격으로 서브 인벨롭 윈도우(920, 922 및 924)로 분할된다. 상기 서버 인벨롭 윈도우(920, 922 및 924)는 각 측정된 센서신호(912)의 전체 시계열(time history)을 따라 이동함으로써 파속(926, 928 및 930)을 추출하는데 적용할 수 있다.
본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명하였으나, 전술한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예에 관한 것이고, 본 발명은 첨부하는 청구범위에 설명된 이념과 범위로부터 벗어나지 않는 변경이 가능함을 이해해야 한다.The following description includes many illustrative details, but one of ordinary skill in the art will recognize that many various changes and modifications are possible within the scope of the invention. Accordingly, the following embodiments of the present invention are presented without loss of generality of the claims and without limiting the claims.
1A is a schematic partial ablation plan view of a patch sensor 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the patch sensor 100 taken along the AA direction of FIG. 1A. As shown in FIGS. 1A-1B, the patch sensor 100 includes: a substrate 102 configured to be attached to a main structure; Hoop layer 104; Piezoelectric devices 108 for generating and / or receiving signals (especially Lamb waves); A buffer layer 110 for providing mechanical impedance matching while reducing thermal stress mismatch between the substrate 102 and the piezoelectric device 108; Two electric wires 118a-b connected to the piezoelectric device 108; A molding layer 120 for fixing the piezoelectric device 108 to the substrate 102; The coating layer 106 for protecting and sealing the molding layer 120 is provided. The piezoelectric device 108 includes a piezoelectric layer 116, a lower conductor 112 connected to the electric wire 118b, and an upper conductor 114 connected to the electric wire 118a. The piezoelectric device 108 may operate as an actuator (or equivalently, a signal generator) when a predetermined electric signal is applied through the wires 118a-b. Upon application of an electrical signal, the piezoelectric layer 116 is deformed to produce a lamb wave. In addition, the piezoelectric device 108 includes a receiver for detecting a vibration signal, converting the vibration signal applied to the piezoelectric layer 116 into an electrical signal, and transmitting the electrical signal through the wires 118a-b. Can operate as
The substrate 102 may be attached to the main structure using a structural adhesive such as conventional casting agent thermosetting epoxy such as butyralthenolic, acrylic polyimide, nitriale phenolic or aramid. The substrate 102 may consist of an insulating layer against thermal and electromagnetic interference, protecting the piezoelectric device 108 attached thereto. In some cases, the dielectric substrate 102 needs to cope with a temperature of 250 ° C or higher. It is also possible to have a dielectric constant for minimizing signal transmission delay and crosstalk between the piezoelectric device 108 and the main structure, and high impedance for reducing power loss at high frequencies.
The substrate 102 may be made of various materials. Kapton manufactured by Dupont, Wilmington, Delaware ® The polyimide is preferably used for general use, and includes three other substances, Teflon perfluoroalkoxy (PFA), poly p-xylylene (PPX), and polybenzimida. Sol (polybenzimidazole (PBI)) can be used for special purposes.
For example, PFA films can have good dielectric properties and low dielectric losses suitable for low voltages and high temperatures. PPX and PBI can provide stable dielectric strength at high temperatures.
The piezoelectric layer 116 may be made of piezoceramic, piezoelectric crystal, or piezoelectric polymer. Piezoelectric crystals, such as PZN-PT crystals manufactured by TRS Ceramics, Inc. of Pennsylvania State, are preferably employed in the design of piezoelectric device 108 due to its high strain energy density and low strain hysteresis. For small patch sensors, such as PZT ceramics manufactured by Fuji Ceramic Corporation, Tokyo, Japan, or APC International, Ltd., Mackeyville, Pennsylvania. Piezoceramic may be used for the piezoelectric layer 116. The upper and lower conductors 112 and 114 may be made of a metal such as chromium or gold, and may be attached to the piezoelectric layer 116 by a conventional sputtering process. In FIG. 1B the piezoelectric device 108 is shown having only a pair of conductors. However, it is apparent to those skilled in the art that the piezoelectric device 108 may include a plurality of layers of conductors having various thicknesses for optimizing the performance of the piezoelectric layer 116 in generating / detecting signal waves. The thickness of each conductor can be determined by the thermal limits and mechanical loads applied to the particular main structure to which the patch sensor 100 is attached.
In order to sustain the temperature cycle, each layer of the piezoelectric device 108 needs to have a coefficient of thermal expansion similar to that of the other layers. Moreover, the thermal expansion coefficient of the normal polyimide containing the board | substrate 102 is about 4-6x10. -5 K -One The thermal expansion coefficient of a conventional piezoceramic / crystal including the piezoelectric layer 116 is approximately 3x10. -6 K -One to be. This mismatch in thermal expansion may be the maximum cause of failure of the piezoelectric device 108. If the piezoelectric device 108 is broken, the patch sensor 100 of the main structure should be replaced. As described above, the buffer layer 110 may be used to reduce the adverse effect of the mismatch in thermal expansion coefficient between the piezoelectric layer 116 and the substrate 102.
The buffer layer 110 may be formed of a conductive polymer or metal, in particular a thermal expansion coefficient of 2 × 10. -5 K -One It is preferable to manufacture with phosphorus aluminum. The buffer layer 110 may be replaced or added to one or more buffer layers made of alumina, silicon, or graphite. In one embodiment, the thickness of the aluminum buffer layer 110 is approximately equal to the thickness of the piezoelectric layer 116, which is about 0.25 mm thick, including two conductors 112 and 114, each about 0.05 mm thick. It can be done. In general, the thickness of the buffer layer 110 may be determined by the material properties and the thickness of the adjacent layer. The buffer layer 11 may provide durability and dual function for thermal load of the piezoelectric device 108. In other embodiments, the piezoelectric device 108 may stack another buffer layer on the upper conductor 114.
Another function of the buffer layer 110 is the amplification of the signal received by the substrate 102. As the lamb wave signal generated by the patch sensor 100 propagates along the main structure, the strength of the signal received by the other patch sensor 100 attached to the main structure decreases as the distance between the two patch sensors increases. do. When one RAM signal reaches the position where the patch sensor 100 is installed, the substrate 102 receives the signal. Next, the strength of the received signal may be amplified at a specific frequency depending on the material and thickness of the buffer layer 110. The piezoelectric device 108 then converts the amplified signal into an electrical signal.
Moisture, mobile ions, and poor environmental conditions may deteriorate the performance of the patch sensor 100 and reduce its lifetime, thereby allowing the use of two protective coating layers, namely, the molding layer 120 and the coating layer 106. . The molding layer 120 may be manufactured by a conventional manufacturing method using epoxy, polyimide, or silicon-polyimide. In addition, the molding layer 120 is made of low thermal expansion polyimide, and may be deposited on the piezoelectric device 108 and the substrate 102. Since the passivation of the molding layer 120 does not form a conformal hermetic seal, the coating layer 106 may be laminated on the molding layer 120 to seal the sealing layer. The coating layer 120 is made of a metal such as nickel, chromium or silver, and may be laminated by conventional techniques such as electrolysis or e-beam deposition and sputtering. In one embodiment, an epoxy film or polyimide film may be further coated on the coating layer 106 to provide a protective layer against scratching and cracking.
The hoop layer 104 may be made of a dielectric insulating material such as silicon nitride or glass, and surrounds the piezoelectric device 108 on the substrate 102 so that the conductive components of the piezoelectric device 108 are not electrically shorted. .
FIG. 1C is a schematic plan view of a piezoelectric device 130, which is a conventional type known in the art and may be substituted for the piezoelectric device 108. As shown in FIG. FIG. 1D is a schematic cross-sectional view of the piezoelectric device 130 taken along the BB direction of FIG. 1C. As shown in FIGS. 1C-D, the piezoelectric device 130 includes a lower conductor 134; Piezoelectric layer 136; An upper conductor 132 connected to an electric wire 138b; A connecting member 142 connected to the electric wire 138a; And a conductive piece 144 for connecting the connecting member 142 to the lower conductor 134.
1E is a schematic partial ablation plan view of a patch sensor 150 according to another embodiment of the present invention. FIG. 1F is a schematic side cross-sectional view of the patch sensor 150 shown in FIG. 1E. As shown in Figure 1e-f, the patch sensor 150, the lower substrate 151; Upper substrate 152; Hoop layer 154; Piezoelectric device 156; Upper and lower buffer layers 160a-b; And two electric wires 158a-b connected to the piezoelectric device 108. The piezoelectric device 156 includes a piezoelectric layer 164; A lower conductor 166 connected to the electric wire 158b; And an upper conductor 162 connected to the electric wire 158a. The function and material of the patch sensor 150 are similar to those of the counterpart of the patch sensor 100. Each buffer layer 160a-b may include one or more lower layers, and each lower layer may be made of a polymer or a metal. The upper substrate 152 may be made of the same material as the material of the substrate 102.
The patch sensor 150 may be attached to the main structure to monitor the health of the structure. In addition, the patch sensor 150 may be inserted into the stack. 1G is a schematic cross-sectional view of a composite laminate 170 via a patch sensor 150. As shown in FIG. 1G, the main structure includes a plurality of stacks 172; And at least one patch sensor 150 fixed to the plurality of stacks 172. In one embodiment, the inside of the stack 172 may contain an adhesive material such as an epoxy resin before the curing process. During the curing process, the adhesive material from the stack 172 fills the cavity 174. In order to prevent accumulation of such an adhesive material, the hoop layer 154 may have a structure filling the cavity 174.
FIG. 1H is a schematic side cross-sectional view of another embodiment 180 of the patch sensor 150 of FIG. 1E. As shown, the patch sensor 180, the lower substrate 182, the upper substrate 184, the hoop layer 198; Piezoelectric device 190; Upper and lower buffer layers 186 and 188; And a piezoelectric layer 196. For simplicity, a pair of wires connected to the piezoelectric device 190 is not shown in FIG. 1H. The piezoelectric device 190 may include a piezoelectric layer 196; Lower conductor 194; And an upper conductor 192. The function and material of the components of the patch sensor 180 are similar to those of the counterpart of the patch sensor 150.
The hoop layer 198 may have one or more lower layers 197 of various dimensions such that the outline of the outside thereof matches the shape of the cavity 174. Filling the cavity 174 with the lower layer 197 prevents the adhesive material from accumulating during the curing process of the laminate 170.
2A is a schematic partial ablation plan view of a hybrid patch sensor 200 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the hybrid patch sensor 200 taken along the CC direction of FIG. 2A. As shown in FIGS. 2A-B, the hybrid patch sensor 200 includes a substrate 202 configured to attach to a main structure; Hoop layer 204; Piezoelectric device 208; An optical fiber coil 210 having both ends 214a-b; Buffer layer 216; Two wires 212a-b connected to the piezoelectric device 208; Molding layer 228; And a coating layer 206. The piezoelectric device 208 includes a piezoelectric layer 222; A lower conductor 220 connected to the wire 212b; And an upper conductor 218 connected to the electric wire 212a. In other embodiments, the piezoelectric device 208 may be the same as the piezoelectric device 130 of FIG. 1C. The optical fiber coil 210, the optical fiber cable 224 of the winding; And a coating layer 226. The components of the hybrid patch sensor 200 may be similar to those of the counterpart of the patch sensor 100.
The optical fiber coil 210 may be configured as a Sagnac interferometer to receive a lamb wave signal. The elastic strain on the surface of the main structure caused by the lamb wave can be added on the existing strain of the fiber optic cable 224 caused by bending and stretching. As a result, the frequency / phase change amount in the movement of light through the optical fiber cable 224 depends on the total length of the optical fiber cable 224. In one embodiment, the optical fiber coil 210 may be used as the main sensor and the piezoelectric device 208 may be used as the auxiliary sensor in consideration of being not affected by electromagnetic interference and vibration noise.
The optical fiber coil 210 uses the Doppler effect to the frequency of the movement of light through the optical fiber cable 224 of the winding. In each of the optical fiber coils 210, the inside of the optical fiber winding is under compressive force and the outside is under tensile force. These compressive and tensile forces cause strain on the fiber optic cable 224. The vibrational displacement or strain of the main structure caused by the lamb wave is added to the strain of the fiber optic cable 224. According to the birefringence equation, the angle of reflection on the cladding surface of the fiber optic cable 224 is a function of the strain caused by the compressive and / or tensile forces. Thus, the inside and outside of each fiber winding produces a different angle of reflection than the inside and outside of the straight fiber, so that the frequency of light is dependent upon the relative flexural displacement of the lamb wave when light is transmitted through the fiber coil 210. Therefore, it is displaced from the center input frequency.
In one embodiment, the fiber coil 210 comprises 10 to 30 fiber optic cables 224 and has a minimum loop diameter 236 (di) of at least 10 mm. A gap 234 (dg) may exist between the innermost winding of the optical fiber coil 210 and the outer circumference of the piezoelectric device 208. This gap 234 depends on the minimum loop diameter 236 and the diameter 232 (dp) of the piezoelectric device 208, and the diameter 230 (df) of the optical fiber cable 224 than the diameter 232 of the piezoelectric device. Preferably about two or three times greater than).
The coating layer 226 is preferably composed of a metal or polymer material, in particular epoxy, to increase the sensitivity of the optical fiber coil 210 to the deflection displacement or strain of the lamb wave guided by the main structure. In addition, a controlled tensile force may be added to the optical fiber cable 224 to add a tensile stress during the winding process of the optical fiber cable 224. The coating layer 226 may maintain the internal stress of the optical fiber cable 224 of the winding body and allow uniform in-plane displacement with respect to the deflection displacement of the lamb wave for each optical fiber winding.
The coating layer 226 may be made of another material such as polyimide, aluminum, copper, gold or silver, and the thickness thereof may be in the range of about 30% to twice the diameter 230. The coating layer 226 formed of the polymer material may be formed in two ways. One embodiment is to install the optical fiber cable 224 of the winding body on the substrate 202, and then formed by spraying with a device such as a Biodot spray-coater, another embodiment of the winding body It is formed by immersing the optical fiber cable 224 in the molten bath of the coating material.
The coating layer 226 made of metal may be formed by a conventional metal coating method such as magnetron reaction sputtering or plasma sputtering as well as electrolysis. In particular, zinc oxide may be used as a coating material of the coating layer 226 to provide piezoelectric properties to the coating layer 226. When zinc oxide is coated on the upper and lower sides of the optical fiber cable 224 of the winding body, the optical fiber coil 210 contracts or expands radially concentrically in a radial direction corresponding to the electrical signal. In addition, a silicon oxide or tantalum oxide coating material may also be used to control the refractive index of the optical fiber cable 224 of the winding.
Silicon oxide or tantalum oxide can be deposited using direct / indirect ion beam deposition or electron beam vapor deposition. It is also known that the coating layer 226 can be formed on the optical fiber cable 224 using other methods without departing from the invention.
The piezoelectric device 208 and the optical fiber coil 210 may be attached to the substrate 202 using a physically solidified adhesive instead of the usual polymer. The physical coagulation adhesives include, but are not limited to, butyl acrylate-ethyl acrylate copolymer, styrene-butadiene-isoprene terpolymer, polyurethane alkyd resin, and the like. The adhesion properties of these materials can be kept constant during and after the coating process due to the lack of crosslinking of the polymer structure. In addition, these adhesives may be most suitable for a wide range of wetting of the substrate 202 without sacrificing sensitivity to various analytes, compared to conventional polymers.
2C is a schematic partial ablation plan view of a hybrid patch sensor 240 according to another embodiment of the present invention. 2D is a schematic side cross-sectional view of the hybrid patch sensor 240 shown in FIG. 2C. As shown in Figure 2c-d, the hybrid patch sensor 240, the lower substrate 254; Upper substrate 242; Hoop layer 244; Piezoelectric device 248; An optical fiber coil 246 having both ends 250a-b; Upper and lower buffer layers 260a-b; And two electric wires 252a-b connected to the piezoelectric device 248. The piezoelectric device 248 includes a piezoelectric layer 264; A lower conductor 262 connected to the wire 252b; And an upper conductor 266 connected to the electric wire 252a. The optical fiber coil 246 may include an optical fiber cable 258 of a winding body; And a coating layer 256. The components of the hybrid patch sensor 240 are similar to those of the counterpart of the hybrid patch sensor 200.
As in the case of the patch sensor 150, the hybrid patch sensor 240 can be attached to the main structure and / or embedded in the composite laminate. In one embodiment, the hoop layer 244 may be configured similarly to the hoop layer 198 to fill the cavity formed by the patch sensor 240 and the composite laminate.
3A is a schematic partial ablation plan view of an optical fiber patch sensor 300 according to an embodiment of the present invention. FIG. 3B is a schematic side cross-sectional view of the optical fiber patch sensor 300 taken along the DD direction of FIG. 3A. As shown in FIGS. 3A-B, the optical fiber patch sensor 300 includes a substrate 302; Hoop layer 304; An optical fiber coil 308 having both ends 310a-b; Molding layer 316; And a coating layer 306. The optical fiber coil 308, the optical fiber cable 312 of the winding; And a coating layer 314. The material and function of each element of the optical fiber patch sensor 300 is similar to that of the counterpart of the hybrid patch sensor 200 of FIG. 2A. The diameter 313 of the innermost winding of the fiber optic cable 312 can be determined by the material properties of the fiber optic cable 312.
FIG. 3C is a schematic partial ablation plan view of an optical fiber coil 308 housed within the optical fiber patch sensor of FIG. 3A, illustrating a method of winding the optical fiber cable 312. As shown in FIG. 3C, the outermost winding of the optical fiber coil 308 starts at one end 310a and the innermost winding ends at the other end 310b. 3D is a schematic partial ablation plan view of another embodiment 318 of the optical fiber coil 308 shown in FIG. 3C. As shown in FIG. 3D, the optical fiber cable 322 is folded and wound such that its outermost windings begin to form at both ends 320a-b. The optical fiber cable 322 of the winding body may be coated with a coating layer 319.
The optical fiber coils 308 and 318 shown in Figs. 3C-D can be directly attached to the main structure and used as optical fiber coil sensors. For this reason, hereinafter, the terms "optical fiber coil" and "optical fiber coil sensor" will be used synonymously. 3E-F illustrate another embodiment of the fiber coil 308. As shown in FIG. 3E, the optical fiber coil 330 includes an optical fiber cable 334 having both ends 338a-b and wound in the same form as the cable 312; And a coating layer 332. The optical fiber coil 330 may include a hole 336 for accommodating a fastener described later. Similarly, the optical fiber coil 340 of FIG. 3F includes an optical fiber cable 344 having both ends 348a-b and wound in the same form as the cable 322; And a coating layer 342. The coil 340 may include a hole 346 for receiving a fastener. FIG. 3G is a schematic side cross-sectional view of the optical fiber coil 330 taken along the DD direction of FIG. 3E.
It should be noted that the sensor shown in FIGS. 3A-G can be embedded in a stack in a form similar to that shown in FIG. 1G.
4A is a schematic partial ablation plan view of a diagnostic patch washer 400 in accordance with one embodiment of the present invention. 4B is a schematic side cross-sectional view of the diagnostic patch sensor 400 taken along the EE direction of FIG. 4A. As shown in FIGS. 4A-B, the diagnostic patch sensor 400 includes: an optical fiber coil 404 having both ends 410a-b; Piezoelectric device 406; A support element 402 for bonding and receiving the optical fiber coil 404 and the piezoelectric device 406 with an adhesive material; A pair of wires 408a-b connected to the piezoelectric device 406; And a covering disk 414 configured to cover the optical fiber coil 404 and the piezoelectric device 406.
The materials and functions of the optical fiber coil 404 and the piezoelectric device 406 are similar to those of the optical fiber coil 210 and the piezoelectric device 208 of the hybrid patch sensor 200. In one embodiment, the piezoelectric device 406 is similar to the piezoelectric device 130 except that there is no hole 403. The optical fiber coil 404 and the piezoelectric device 406 may be attached to the support element 402 using conventional epoxy. The support element 402 may have a notch 412 through which both ends 410a-b of the optical fiber coil 404 and a pair of wires 408a-b may pass.
In FIGS. 4A-B, the diagnostic patch sensor 400 can act as an actuator / sensor and can include an optical fiber coil 404 and a piezoelectric device 406. In other embodiments, the diagnostic patch washer 400 may act as a sensor, and may include only an optical fiber coil 404. In other embodiments, the diagnostic patch washer 400 may act as an actuator / sensor and may include only a piezoelectric device 406.
As shown in FIGS. 4A-B, the diagnostic patch washer 400 may have a cavity 403 for receiving another fastener such as a bolt or rivet. 4C is a schematic diagram of an exemplary bolted structure 420 using a diagnostic patch washer 400 in accordance with one embodiment of the present invention. In the bolted structure 420, a pair of structures 422a-b such as plates may be fixed using a conventional bolt 424, a nut 426 and a washer 428. It is well known that the stress of the structure tends to concentrate on the bolted portion 429 and damage the structure. The diagnostic patch sensor 400 may be embedded in the bolted structure 420 and used to detect such damage.
4D is a schematic cross-sectional view of an exemplary bolted structure 430 using a diagnostic patch washer 400 in accordance with another embodiment of the present invention. In the bolted structure 430, the honeycomb / laminated structure 440 may be fixed using a conventional bolt 432, a nut 434, and a pair of washers 436 and 438. The honeycomb and laminate structure 440 includes a composite stack 422 and a honeycomb portion 448. In order to detect damage of the structure near the bolting region, a pair of diagnostic patch washers 400a-b may be inserted into the honeycomb portion 448, as shown in FIG. 4D. A sleeve 446 is required to support the top and bottom patch washers 400a-b against the composite stack 442. In addition, a heat shield annular disk 444 may be interposed between the composite stack 422 and the diagnostic patch washer 400b to protect the washer 400b from destructive heat transfer.
As shown in FIG. 4B, the outer circumferential portion 415 of the covering disk 414 separates the optical fiber coil 404 and the piezoelectric device 406 from excessive contact load due to torque applied to the bolt 424 and the nut 426. It may have an angle of inclination to form a protective locking mechanism.
5A is a schematic diagram of an interrogation system 500 having a sensor / actuator in accordance with one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5A, the interrogation system 500 includes a sensor / actuator device 502 for generating and / or receiving a lamb wave signal; Two conductor wires 516; An adjusting device (508) for processing signals received by the device (502); An analog-to-digital (A / D) converter 504 for converting the analog signal into a digital signal; A computer 514 for managing the entire system 500; Amplifier 506; A waveform generator 510 for converting a digital signal into an analog lamb wave signal; And a relay switch module 512 configured to switch a connection state between the sensor / actuator device 502 and the computer 514. In general, one or more devices 502 may be connected to a relay switch 512.
The sensor / actuator device 502 comprises one of the sensors shown in FIGS. 1A-2D and 4A-D, including a piezoelectric device for generating a lamb wave 517 and receiving a lamb wave generated at another device. can do. To generate the lamb wave 517, the waveform generator 510 receives the digital signal of the waveform excited from the computer 514 (especially the analog output card included in the computer 514) via the relay switch module 512. Can be received. In one embodiment, the waveform generator 510 may be configured as an analog output card.
The relay switch module 512 may be configured as a conventional plug-in relay board. By means of a "cross-talks" linker between the actuators and the sensors, the relay switches included in the relay switch module 512 can cooperate with the computer 514 to select each relay switch in a particular order. have. In one embodiment, the analog signal generated by waveform generator 510 may be transmitted to other actuator (s) via branching wires 515.
The device 502 can function as a sensor for receiving Lamb waves. The received signal is sent to a regulator 508 that can adjust the signal voltage and filter the electrical noise to select a meaningful signal within the appropriate frequency band. The filtered signal is then sent to an analog-to-digital converter 504 that can be configured as a digital input card.
5B is a schematic diagram of an interrogation system with a sensor in accordance with another embodiment of the present invention. The interrogation system 520 includes: a sensor 522 having an optical fiber coil; Optical fiber cable 525 for connection; A laser light source 528 for providing a carrier input signal; A pair of modulators 526 and 534; Acoustooptic modulator (AOM) 530; A pair of couplers 524 and 532; A photodetector 536 for detecting an optical signal transmitted through the optical fiber cable 525; A / D converter 538; Relay switch 540; And a computer 542. The sensor 522 may be configured as one of the sensors shown in FIGS. 2A-4D having an optical fiber coil. In one embodiment, coupler 524 may connect fiber optic cable 525 to another fiber 527, which may be connected to another sensor 523.
The sensor 522, in particular the fiber coil included in the sensor 522, can act as a laser Doppler velocitimeter (LDV). The laser light source 528, preferably a diode laser, may emit an input carrier optical signal to the modulator 526. The modulator 526 may be configured as a heterodyne modulator, and splits a carrier input signal into two signals, one signal for the sensor 522 and the other for the AOM 530. do. The sensor 522 displaces the input carrier signal by the Doppler frequency corresponding to the lamb wave and transmits it to the modulator 534 which can be configured as a heterodyne synchronizer. The modulator 534 may demodulate the transmitted light to remove the carrier frequency of the light. The photodetector 536, preferably a photodiode, converts the demodulated optical signal into an electrical signal. The A / D converter 538 then digitizes the electrical signal and transmits it to the computer 542 via the relay switch module 540. In one embodiment, the coupler 532 may connect an optical fiber cable 546 connected to another sensor 544.
6A is a schematic diagram of a diagnostic network patch system (DNP) 600 installed in a master structure 610 in accordance with one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6A, the system 600 includes a patch 602; Transmission link 612; At least one bridge box 604 connected to the transmission link 612; Data collection system 606; And a computer 608 for managing the DNP system 600. The patch 602 may consist of the sensor / actuator device 502 of FIG. 5A or the sensor 522 of FIG. 5B, where the format of the transmission link 612 may be determined by the type of the patch 602. , Wires, optical fiber cables, or both. Typically, the main structure 610 may be made of composite or metal.
The transmission link 612 terminates at the bridge box 604. The bridge box 604 connects a plurality of patches 602 to receive a signal from an external waveform generator 510 (see FIG. 5A), and receives the received signal from an external A / D converter 504 (FIG. (See 5a). The bridge box 604 is connected via an electrical / optical cable and at the same time accommodates an adjusting device 508 (see FIG. 5A) for adjusting operating signals, filtering received signals, and converting optical fiber signals to electrical signals. can do. The data collection system 606 connected to the bridge box 604 uses a relay switch module 512 (see FIG. 5A) to relay a plurality of patches 602 and at the same time a signal received from the patches 602. Are multiplexed into the channel in a predetermined order.
It is well known that the generation and detection of lamb waves is influenced by the installation positions of actuators and sensors on the main structure. Thus, the patches 602 should be properly paired within the network structure to maximize the use of the lamb wave to identify damage.
6B is a schematic diagram of a diagnostic network patch system 620 having a strip network structure in accordance with one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6B, the patch system 620 may be attached to the main structure 621 and includes a patch 622; A bridge box 624 connected to the computer 626; And a transmission link 632. The plurality of patches 622 may be configured with the sensor / actuator device 502 of FIG. 5A or the sensor 522 of FIG. 5B, and the format of the transmission link 632 may be determined by the type of the patch 622. have. The transmission link 632 may be configured of an electric wire, an optical fiber cable, or both.
The computer 626 may coordinate the operation of the patch 622, which may function as an actuator and / or a sensor. Arrow 630 indicates the propagation of the lamb wave generated by patch 622. In general, defects 628 in the main structure 621 may affect the transmission pattern in the form of wave scattering, diffraction, and transmission loss of the lamb wave. The defects 628 include damage, cracks, exfoliation of composite structures, and the like. The defect 628 can be monitored by detecting a change in the transmission pattern of the lamb wave captured by the patch 622.
The network structure of the DNP system is important in the health monitoring system of a lamb wave-based structure. In the network structure of the DNP system 620, the wave-ray communication path should be uniformly randomized. The uniformity of the communication path and the distance between the patches 622 can determine the minimum detectable dimension of the defect 628 in the main structure 621. An optimized network structure with an appropriate path structure can improve the confirmation accuracy of the damaged portion without increasing the number of patches 622.
Another structure for forming the crosstalk path between the patches may consist of the pentagonal network shown in FIG. 6C. 6C is a schematic diagram of a diagnostic network patch system 640 having a pentagonal network structure in accordance with another embodiment of the present invention. The system 640 may be installed in the main structure 652, and may include a patch 642; A bridge box 644 connected to the computer 646; And a transmission link 654. The plurality of patches 642 may be configured as the sensor / actuator device 502 of FIG. 5A or the sensor 522 of FIG. 5B. In the system 640, the patch 642 can detect the defect 650 by transmitting and receiving a lamb wave indicated by arrow 648.
6D is a schematic perspective view of a diagnostic network patch system 660 installed in rivet / bolt coupled composite laminates 666 and 668 according to another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6D, the system 660 includes a patch 662; And a diagnostic patch washer 664, each washer connected by a pair of bolts and nuts. In FIG. 6D, the bridge box and the transmission link are not shown for simplicity. The plurality of patches 662 may be configured as the sensor / actuator device 502 of FIG. 5A or the sensor 522 of FIG. 5B. In the diagnostic network patch system 660, the patch 662 and the diagnostic patch washer 664 can detect the defect 672 by the transmission and reception of the lamb wave as indicated by the arrow 670. Normally, a defect 672 occurs near the fastener hole. The diagnostic patch washer 664 may be in communication with another adjacent diagnostic patch 662 disposed in the strip network structure, as shown in FIG. 6D. In one embodiment, the optical fiber coil sensors 330 and 340 of FIGS. 3E and 3F may be used as a substitute for the diagnostic patch washer 664.
6E is a schematic perspective view of a diagnostic network patch system 680 installed in a composite laminate 682 that may be repaired by an adhesive patch 686 in accordance with one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6E, the system 680 includes a plurality of patches 684 that may be configured with the sensor / actuator device 502 of FIG. 5A or the sensor 522 of FIG. 5B. 6E does not show the bridge box and the transmission link for simplicity. In the system 680, the patch 684 detects a defect 688 located between the repair patch 686 and the composite laminate 682 by transmitting and receiving the lamb wave indicated by the arrow 687. Can be.
6F is a schematic diagram illustrating one embodiment of a wireless data communication system 690 for controlling a network patch system for remote diagnostics in accordance with one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6F, the system 690 includes a bridge box 698; And a terrestrial communication system 694 that can be operated by the ground controller 692. The bridge box 698 may be connected to a diagnostic network patch system implemented on a host structure, such as an aircraft 696, which requires extensive structural health monitoring.
The bridge box 698 can operate in two ways. In one embodiment, the bridge box 698 may operate as a signal transmitter. In this embodiment, the bridge box 698 is an RF telemetry capable of transmitting micro miniature transducers and health monitoring information of the structure to the terrestrial communication system 694 via radio signals 693. It may have a microprocessor of the system. In another embodiment, the bridge box 698 may operate as a receiver of electromagnetic waves. In this embodiment, the bridge box 698 may have an assembly for receiving power from the terrestrial communication system 694 via a radio signal 693. The received power can be used to operate the DNP system installed in the structure 696. The assembly may comprise a micromachined silicon substrate having a stimulating electrode, a complementary metal oxide semiconductor (CMOS), a bipolar power regulation circuit, a hybrid chip capacitor, and a receiving antenna coil. have.
The structure of the bridge box 698 may be configured similarly to the outer layer of the main structure (696). In one embodiment, the bridge box 698 may have a plurality of honeycomb laminated structure. Here, a plurality of microstrip antennas are embedded in the outer surface of the honeycomb laminated structure of the plurality of layers, and the antennas operate as a right angle load antenna. The multi-layer honeycomb laminated structure is made of a honeycomb core, an organic material and / or an inorganic material such as e-glass / epoxy, kevlar / epoxy, graphite / epoxy, aluminum, or steel. Can be provided with a plurality of dielectric laminates. As the integrated micromachining technology rapidly develops, the dimensions and production costs of microstrip antennas can be further reduced, which can lead to a reduction in the operation / production costs of the bridge box 698 without any functional impairment.
The scope of the present invention is not limited to the use of standard Wireless Application Protocol (WAP) and wireless markup languages for structure sound wireless surveillance systems. By using the mobile Internet toolkit, the system provides a stable site that allows WAP-enabled cell phones, Pocket PCs with HTML browsers, or other HTML-enabled devices to accurately access structural status monitoring or infrastructure management. Can be rescued.
Just as the microphone array can be used to find the direction of a moving source, the sensor assembly array can be used to detect damage by measuring the difference in signal arrival time. 7A is a schematic diagram of a diagnostic network patch system 700 having sensor assemblies in a strip network structure in accordance with one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7A, the system 700 may be installed in the main structure 702 and includes a sensor assembly 704 and a transmission link 706. Each sensor assembly 704 has two receivers 708 and 712 and one actuator / receiver device 710. Each receiver 708 and 712 can be configured with one of the sensors shown in FIGS. 1A-4D, and the actuator / receiver device 710 is one of the sensors shown in FIGS. 1A-2D and 4A-D. A piezoelectric device for lamb wave generation can be provided. When the actuator / receiver 710 of the sensor assembly 704 transmits a lamb wave, the adjacent sensor assembly 704 uses all three elements, namely the actuator / receiver device 710 and the receivers 708 and 712. To receive a lamb wave. By using all three elements as the receiving unit, each sensor assembly 704 can receive a more refined lamb wave. In addition, by measuring the time difference of arrival between the three elements, the direction of the defect 714 can be extracted with high accuracy.
7B is a schematic diagram of a diagnostic network patch system 720 having sensor assemblies in a pentagonal network structure in accordance with another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7B, the system 720 can be installed in the main structure 722 to detect a defect 734 and includes a sensor assembly 724 and a transmission link 726. Each sensor assembly 724 is similar to the sensor assembly 704.
8A is a schematic diagram of a sensor assembly 800 having an optical fiber coil in series connection according to an embodiment of the present invention. The sensor assembly 800 is similar to the sensor assembly 704 of FIG. 7A and includes two sensors 804 and 808 and one actuator / sensor 806. In this structure, the input signal can enter the sensor via one end 810a, and the output signal from the other end 810b is the contribution of the input signal and the three sensors 804, 806 and 808. Can be the sum of. In one embodiment, the signal output from each sensor can be separated from other signals using a wavelength-based de-multiplex technique.
8B is a schematic diagram of a sensor assembly 820 having optical fiber coils connected in parallel in accordance with one embodiment of the present invention. The sensor assembly 820 is similar to the sensor assembly 704 of FIG. 7A and includes two sensors 824 and 828 and one actuator / sensor 826. In this structure, the input signal can enter the three sensors through the three ends 830a, 832a, and 834a, respectively, and the output signals from the other ends 830b, 832b, and 834b are input signals and three sensors. 824, 826, and 828 can be the sum of the contributions.
In FIGS. 8A-B, the sensors 804, 808, 824, and 828 are shown as an optical fiber coil sensor 308. However, for those skilled in the art, each sensor 804, 808, 824, and 828 can be configured as one of the sensors shown in FIGS. 1A-4D, and the intermediate sensors 806 and 826 are shown in FIGS. 1A-2D and 4A-D. It can be configured as one of the sensors, it is obvious that it has a piezoelectric device for generating a lamb wave. In addition, the sensor assemblies 800 and 820 may be interposed in the composite laminate in the same form as shown in FIG. 1G.
9 is a curve diagram 900 of actuator and sensor signals in accordance with one embodiment of the present invention. In order to generate the lamb wave, the actuator signal 904 may be applied to an actuator, such as the patch sensor 100 of FIG. 1A. The actuator signal 904 may be configured as a toneburst signal having a plurality of wave peaks having the highest amplitude in the middle of the waveform. The actuator signal 904 can be designed by using a Hanning function for various waveforms and has its intermediate frequency of 0.01 MHz to 1.0 MHz. The actuator receives the actuator signal 904 to generate a lamb wave having a specific excitation frequency.
Signals 912a-n represent sensor signals received by the plurality of sensors. As shown, each signal 912 is separated by wave packets 926, 928 separated by signal extracting windows (or signal extracting envelopes) 920, 922, and 924, respectively. And 930. These wave bundles 926, 928 and 930 may have different frequencies due to the dispersion mode at the position of the sensor. The signal separation window 916 is applied to identify a lamb wave signal from each sensor signal. The wave bundles 926, 928 and 930 have a basic symmetry mode (S). 0 ), Reflection mode (S 0_ref ) And basic asymmetric mode (A 0 Respectively). The reflection mode (S 0_ref ) Represents lamb wave reflections from the boundary of the main structure. Basic shear mode (S 0 ', And other higher modes can be observed. However, these are not shown in FIG. 9 for the sake of simplicity.
Portions 914 of sensor signal 912 are electrical noise due to toneburst actuator signal 904. In order to separate the portion 914 from the sensor signal 12, a masking window 918, which is a sigmoid function that is postponed during the operation time, is used as a threshold function. Can be applied to). Next, wave speeds 926, 928, and 930 may be extracted from the sensor signals of 912 using moving wave-envelope windows 920, 922, and 924 along the time series of each sensor signal. The envelope windows 920, 922, and 924 apply a hill-climbing algorithm that searches for peaks and valleys of the sensor signal 912, and interpolates the searched data points on the time axis. can be determined by interpolating. If the size of the nearest data point is smaller than the size of the current data point until the size comparison of the wave in the forward and backward direction is made continuously for all data points of the wave signal, the size of the data point in the wave signal And location can be stored. Once the envelope of the wave signal is obtained, each envelope is divided into sub-envelope windows 920, 922 and 924 at a time interval corresponding to that of the lamb wave mode. The server envelope windows 920, 922, and 924 can be applied to extract wave speeds 926, 928, and 930 by moving along the entire time history of each measured sensor signal 912.
While the present invention has been described with reference to specific embodiments, it is to be understood that the foregoing embodiments are directed to preferred embodiments of the invention, and that the invention is capable of modification without departing from the spirit and scope described in the appended claims.

본 발명의 구조물의 건전성 감시용 센서 또는 시스템은 기존의 구조물 및/또는 신축 구조물 내에 쉽게 설치할 수 있고, 인력의 개입을 최소화한 상태로 구조물의 상태진단, 상태 분류 및 상태 예측을 위한 효과적인 온라인 기법을 제공할 수 있다.Sensors or systems for health monitoring of structures of the present invention can be easily installed in existing structures and / or new structures, and provide effective online techniques for condition diagnosis, state classification, and condition prediction of structures with minimal human intervention. Can provide.

Claims (4)

광섬유 케이블 롤체 및Fiber optic cable roll body and 상기 광섬유 케이블 롤체에 코팅된 코팅층을 포함하고,It includes a coating layer coated on the optical fiber cable roll body, 상기 광섬유 케이블의 권선공정 중에 소정의 인장력이 가해지고, 상기 코팅층은 광섬유 케이블 롤체의 인장응력을 유지하는 것을 특징으로 하는 광섬유 코일센서.A predetermined tensile force is applied during the winding process of the optical fiber cable, and the coating layer maintains the tensile stress of the optical fiber cable roll body. 제1항에 있어서, 상기 코팅층은 금속 또는 폴리머로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 코일센서.The optical fiber coil sensor according to claim 1, wherein the coating layer is made of a metal or a polymer. 제1항에 있어서, 상기 코팅층이 산화아연, 산화규소 또는 산화탄탈륨으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 코일센서.The optical fiber coil sensor according to claim 1, wherein the coating layer is made of zinc oxide, silicon oxide or tantalum oxide. 제1항에 있어서, 광섬유 케이블 롤체는 그 중앙에 형성된 관통홀(through hole)을 더 갖는 것을 특징으로 하는 광섬유 코일센서.The optical fiber coil sensor according to claim 1, wherein the optical fiber cable roll body further has a through hole formed at the center thereof.
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US5195046A (en) 1989-01-10 1993-03-16 Gerardi Joseph J Method and apparatus for structural integrity monitoring
US7171434B2 (en) * 2001-09-07 2007-01-30 Network Appliance, Inc. Detecting unavailability of primary central processing element, each backup central processing element associated with a group of virtual logic units and quiescing I/O operations of the primary central processing element in a storage virtualization system

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