복합재 구조의 레이저 NDE/SHM을 위한 다중 압전 센서의 직/병렬 센싱

Abstract

유도초음파전파영상화 시스템은 레이저가진을 기반으로 비파괴평가 및 검사를 수행하는 시스템이다. 유도초음파전파시스템이 가진 수단으로써 사용하는 펄스레이저는 그 활용도가 매우 높아 의공학, 건축공학, 재료공학 등에서 다양한 방식으로 활용되고 있다. 유도초음파전파영상화 시스템 또한 다양한 분야에 대한 적용연구가 이루어지면서 시스템의 신뢰도가 증명됨과 동시에 시스템이 갖는 한계점 또한 명백하게 밝혀졌다. 유도초음파전파영상화 시스템은 크게 두가지 문제점을 지닌다. 첫째로, 비파괴평가를 위한 적용에서 레이저 플라즈마로부터 발생되는 구조물의 삭마를 방지하기 위해 선택된 낮은 에너지의 레이저가진이 낮은 신호대잡음비를 야기한다는 문제점이 발생한다. 모든 초음파검사에서는 손상 또는 결함이 유도하는 초음파의 물성변화를 통해 구조 내부의 이형을 검출하기 때문에 낮은 신호대잡음비는 검사자로 하여금 초음파의 거동변화를 간과하도록 하는 문제를 야기한다. 둘째로, 고속 다점가진을 위해 구축된 레이저 스캐닝 시스템의 래스터 패턴 스캔은 제한된 검사영역을 제공하는 문제점이 있기 때문에 광역스캔을 달성할 수 없다는 단점이 존재한다. 본 논문은 기존 유도초음파전파영상화 시스템이 갖는 주요 한계를 극복하고자 다중압전센서의 운용방법에 따른 초음파전파영상화 시스템의 활용 솔루션을 제시한다. 본 논문에서는 다중압전센서를 병렬로 운용하여 비파괴평가를 목적으로 하는 위상배열 초음파전파영상화 시스템과 구조건전성모니터링을 목적으로 하는 레이저기반 음향방출 훈련기 시스템이 제시되었다. 위상배열 초음파전파영상화 시스템은 다중압전센서를 특성 형상으로 배열한 위상배열센서로 활용되어 초음파의 집속을 통해 신호대잡음비를 향상시켜 두꺼운 복합재 구조물에서의 결함정도를 정량화하는 비파괴평가 시스템으로써의 활용된다. 레이저기반 음향방출 구조훈련기는 레이저가진을 통해 광역에서 음향방출을 모사하는 시스템으로, 직렬로 연결된 다중 압전 센서로 구성된 센서네트워크를 통해 광역에서 레이저유도파를 수집하고 음향방출의 정량화를 위한 레퍼런스로써 활용한다. 두 시스템의 타당성을 검증하기 위해 필라멘트와인딩 복합재 용기에서의 결함검출 실험과 복합재에서의 음향방출의 위치탐지가 수행되었으며 실험 수행 결과를 제시한다.