四、 研究方法
4.4 無線壓電式阻抗偵測器之軟硬體設計
4.4.3 軟體設計與開發
Eclipse 整合
感測器
由 Header、D 度是可變動 IEEE 802.1 以及應用層
更快速建立 速的移植於 端電腦分析與
號擷取與無 piler Toolch .15.4 協定上
和 Checksum
：(1) Start
感測器的編 Start byte Packet length
Device ID Device type Timestamp response/re Data type Data length
data
Epoch o ation of the Typ Leng M
Calculate the 計一套結構阻 packet ,ex(0 h of the pac
on of sensor tion of senso of Sending t
master or s e of the data
0xEF 0xFF) cket
or device or type timer slave from s
a
圖 19 ain Factor)
10 推導出阻
5.1
ge Descript
o damagesosen bolt 1 Bolt 1 & 2 a
olt 1 ,2 & 3 1 refastened
研究結果與
are loosened are loosene d
sened Bolts
None圖 21 案例一、PZT1 號訊號在各實驗下之阻抗頻譜
圖 22 案例一、PZT2 號訊號在各實驗下之阻抗頻譜
3 4 5 6 7 8 9
x 104 -2
-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
0x 104 PZT 1
Frequency (Hz)
Real Part of Impedance
C1 C2 C3 C4 C5
3 4 5 6 7 8 9
x 104 -2
-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
0x 104 PZT 2
Frequency (Hz)
Real Part of Impedance
C1 C2 C3 C4 C5
圖 23 案例一、PZT3 號訊號在各實驗下之阻抗頻譜
圖 24 案例一、PZT4 號訊號在各實驗下之阻抗頻譜
圖 25 為各壓電材料在各實驗情境下之阻抗抗譜統整圖，其激勵訊號頻路為 30-95kHz 之間，在 83-89kHz 間有較為明顯的諧振頻率，此區塊較為可能為結構本身的高頻阻抗抗譜，因此在後續的損壞 指標演算法可以運用於此區塊之訊號。
3 4 5 6 7 8 9
x 104 -2
-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
0x 104 PZT 3
Frequency (Hz)
Real Part of Impedance
C1 C2 C3 C4 C5
3 4 5 6 7 8 9
x 104 -2
-1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2
0x 104 PZT 4
Frequency (Hz)
Real Part of Impedance
C1 C2 C3 C4 C5
栓尚 且當 出其 拴緊
圖 26 為案 尚未鬆動時 當最後將螺 其局部結構 緊，與原有
案例一在各 時)量測數據與 螺栓從新拴緊 構參數的變化 有之初始狀態
圖 2 各實驗案例下
與鬆動實驗 緊時可觀察 化，且此抗譜 態也有些微
圖 26 案
25 案例一 下之 RMSD 驗數據之差異 察其指標值將
譜反應可觀 微之落差。
案例一在各實
、各實驗情 D 損壞指標
異指標，其 將下降。最 觀察出其變化
實驗案例下
情境下之阻抗 標值，其主要
其可很明顯地 最主要的是壓 化程度(重新
下之 RMSD 損 抗抗譜 要是計算個
地觀察出鬆 壓電材料之 新拴緊)之行
損壞指標值
個別壓電材料 鬆動之螺栓有 之阻抗抗譜可 行為，不過就
值
料本身之初 有較高的指 可很敏感的 就算將螺栓
初始(螺 指標值，
的反應 栓重新
5.2 amage Desc
All fasten Loosen bo Bolt1 refas
Loosen bo Bolt2 refas
、中與下之
cription
ned olt 1 stenedolt 2 stened
之位置，主要
sened Bolts
None圖 28 案例二、PZT1 在各實驗下之阻抗頻譜
圖 29 案例二、PZT2 在各實驗下之阻抗頻譜
3 4 5 6 7 8 9 10
x 104 -8000
-7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000
Frequency (Hz)
Real Part of Impedance
Baseline Case1 Fastened Case2 Loosen bolt 1 Case3 Refastened bolt 1 Case4 Loosen bolt 2 Case5 Refastened bolt 2
3 4 5 6 7 8 9 10
x 104 -8000
-7000 -6000 -5000 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000
Frequency (Hz)
Real Part of Impedance
Baseline Case1 Fastened Case2 Loosen bolt 1 Case3 Refastened bolt 1 Case4 Loosen bolt 2 Case5 Refastened bolt 2
栓尚
Real Part of Impedance
案例二在各
Frequency (
實驗下之阻 Case1 Fastened Case2 Loosen bolt Case3 Refastened Case4 Loosen bolt Case5 Refastened
料本身之初
5.3
Nguyena et 構物邊界條件手(10-70 n.M t al. 2012)
M、3% erro 等人之研究
牛頓
圖
圖 3
36 壓電螺
7 壓電螺栓
螺栓墊片在不
栓墊片在不
不同螺栓扭
不同螺栓扭力
扭力下之阻抗
力下之 RMS
抗抗譜量測
SD 線性回歸 測結果
歸曲線
六、結論
本計畫主要發展一個無線壓電式結構局部損傷偵測器(WLID)，應用於結構局部健康監測上，WLID 主要採用先進的訊號處理晶片、整合微處理器與低功耗 IEEE 80215.4 標準之射頻模組(SoC)平台所組成。
WLID 除了具有傳統無線感測網路的優點，在平時亦可對於結構局部之健康監測量測與預警功能外，
更可以透過無線的所帶來的優勢在遠端主動檢測結構物健康狀態，改善目前結構監測系統感測器與資 料擷取器大都為實體線路傳輸的缺憾。另外結合微處理器之整合應用於無線感測器上，降低土木工程 基礎設施之監測網路的建置成本。在實驗過程中平均一個節點的建置小於 2 分鐘，比起傳統的有線監 測系統，在時間成本的節省上更顯現出本系統的優勢。另外完成了感測器的韌體與阻抗分析桌面訊號 蒐集軟體，整個軟硬體將在一個縮尺螺栓構架測試 WLID 的性能與結構局部阻抗量測變化的敏感度，
重建壓電阻抗波譜(Electrical Impedance spectroscopy)進行結構局部損壞評估。由於 PZT 受到激勵電壓 後所產生的震動特性，其黏貼於結構物的構架大小對於機電耦合反應現象的共振邊界條件有莫大的影 響。因此本研究輔以特殊的螺栓墊圈形狀控制 PZT 與結構物影響的阻抗邊界條件，可大幅增加結構頻 率的敏感度，可有效的辨識出螺栓鬆動的程度，未來可充分運用在機械或是土木領域的結構局部健康 監測應用。另外方面，壓電陶瓷在通訊、雷達、航太、導彈、超音波技術、精密測量、紅外線技術、
引燃引爆、家用電器與機械震動發電都有非常廣泛的應用。本研究所發展之無線壓電阻抗量測裝置主 要目的是以土木結構的局部損壞偵測應用為主，而相關的衍生應用包括飛機的機翼或是重要的機械結 構局部監測，甚至是生醫應用中的血液阻抗測量，均有非常前瞻與廣泛的應用前景。
本計畫主要貢獻如下：
一個更輕便、成本更低、低功耗與無線傳輸功能的壓電阻抗量測裝置(WLID)。
改善目前阻抗結構局部損傷檢測中受限於阻抗分析儀的一套替代方案。
設計特殊的螺栓墊圈(Washer)，藉此控制壓電材料機電耦合反應的邊界條件，除了使壓電材料可以 方便的黏貼上去，也增加結構阻抗頻譜的特徵反應。
設計一套螺栓鬆動構架實驗，實際驗證 WLID 的結構局部損傷偵測的敏感程度。
將阻抗頻譜訊號的分析演算法實際嵌入在 WLID 中，此局部損傷偵測演算法能有效的反應結構局 部的損壞或變化。
完成國內第一個完成無線壓電式結構局部損傷偵測器技術的研製。
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國科會補助專題研究計畫出席國際學術會議心得報告
日期：103 年 9 月 15 日
一、參加會議經過
2013結構工程與力學進展世界大會(The 2013 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics (ASEM13))於2013年9月8至12日在韓國濟州島 的濟州國際會議中心(International Convention Center Jeju, Jeju, Korea)舉行，
筆者之碩士班學生丁君廷亦由本計畫之 【出席國際會議】 經費補助共同參與此次研討會，
研 討 會 中 有 發 表 一 篇 論 文 ＂ Development of a wireless-based multi-channel impedance sensing system for structure local damage detection。＂此論文乃本 年度國科會補助計畫之研究成果。雖然濟州與台北已有直航航線，但因出發當日無直飛 班次，所以於9月7日搭乘韓國釜山航空的班機先達釜山後，再轉機至濟州島。時程雖較 長，但因台灣離韓國僅2小時時程，轉機之等候時間尚可接受。會議結束後於12日以原
計畫編號 NSC 101 － 2625 － M － 009 － 006
計畫名稱 智慧型無線感測監控系統平臺建構與其在土木結構診斷應用之研究‐
子計畫:無線壓電式結構局部損傷偵測監測器之研發(I) 出國人員
姓名 洪士林 服務機構
及職稱 國立交通大學土木工程學系/教授 會議時間 102 年 9 月 8 日至
102 年 9 月 12 日 會議地點 韓國 濟州島
會議名稱
(中文) 2013 先進結構工程與力學會議
(英文) The 2013 World Congress on Advances In Structural Engineering and Mechanics
發表題目
(中文) 無線壓電式結構局部損傷偵測器之研製
(英文)
Development of a wireless‐based multi‐channel impedance sensing
system for structure local damage detection
路線返國。
結構工程與力學進展世界大會於2011年於韓國首爾舉辦過第一屆大會，今年的大會 則整合了七個相關的國際研討會共同舉行，讓與會者更有機會接觸相關領域的研究議題 與成果，藉由發表論文與討論亦能增廣研究範疇與尋求未來研究方向。今年有近三百多 位來自世界40多個國家的學者專家參加此次會議，算是一極成功的國際研討會。此次大 會共有415篇論文被收集於論文集中，並於大會中分9個研討室平行報告討論。期間亦安 排了10位Keynotes進行精彩的專題報告。誠如上述，因此次大會係整合七個與結構工程 及工程力學相關領域之國際大會，所以Keynotes的報告議題涵蓋相當廣，單就這10場精 闢 且 深 入 的 專 題 報 告 就 已 值 得 。 其 中 ， 筆 者 在 由 Prof. Casciati 所 報 告 的 Sensor placement driven by model order reduction (MOR) reasoning及Prof. Takewaki所 報告的Smart system identification of super high-rise buildings using limited vibration data during 2011Tohoku earthquake兩場專題演講收益頗多。筆者之論文 安排在研討會的最後一天的場次中的最後一篇論文發表。為訓練研究生之英文發表與回 覆問題能力，本次所發表的論文由參與本計畫之研究生發表，整體表現優異，對與會學 者發問的問題亦能提出簡短適確的回應。報告後Park, G.教授亦提出一些問題共同討論。
Prof. Park, G.是目前在piezoelectric impedance-based health monitoring研究領 域重要的學者之一。本次大會為結構工程與力學領域重的世界大會，所以國內亦有多位 教授學者(台大、成大等)參加。藉此次盛會，難得聚在韓國彼此分享研究經驗與成果，
亦是本次會議的收穫之一。
二、與會心得
此次有機會參與2013結構工程與力學進展之重要的國際會議，藉由聯合七個相關的
國際研討會之大型會議，聆聽多篇精闢的專題報告。其中結構安全監測系統(Structural health monitoring)是筆者近年來著重的研究領域，能與國際學者友人討論交換意見，
受益良多。同時亦感受世界各國學者專家無不日以繼夜埋首鑽研，並期望在學術界有更 高層次的突破發展，以獲最佳成果來增進科技進步與個人學術地位。此次研討會中結交 不少同道，交換彼此研究心得，增進不少見聞，相信對今後不論教學與學術研究將有頗 多助益。
韓國濟州島位於韓國南端，是一由火山噴發所成之島。島上的高山與四周蔚藍海洋 使它成為韓國重要的觀光景點。島上有所謂三多，風多、石頭多，還有女人多。其柱狀 火山岩已列入聯合國世界自然遺產中。為了讓與會者有機會遊覽濟州的自然景觀，大會 亦安排了一個半日遊。因時間許可，筆者亦趁機遊覽濟州的美景，也算是此次會議的另 一收穫。四天來，發覺濟州真是一個極有特色的島嶼，且其在發展觀光的努力與用心!
三、建議
此次藉由國科會補助參加此次國際研討會，與各國學者專家聚集一堂，藉論文發表、
溝通理念、介紹新知、並進可敦睦國民外交，收穫良多。建議應盡可能同時補助學生同 時參與國際研討會，也可真正落實所謂的＂國際化＂。並希望國科會能更積極鼓勵研究 人員鑽精研究，政府亦盡可能多方資助國內學者及研究生出席國際性會議，藉由學術論 文發表，促進科技交流，並而提昇個人以及國家學術水準及形象。
四、發表論文全文或摘要 附至本附錄章節最後。
五、攜回資料
論文摘要全集
五
會議議 論文摘
、附件 會場與學
議程
摘要及全文
學生之照片
文電子檔(光
片及投稿於 光碟)
於本次研 研討會的論 論文乙篇。
國科會補助專題研究計畫出席國際學術會議心得報告
日期：103 年 9 月 15 日
一、參加會議經過
2013 年先進結構工程與力學會議在韓國濟州島舉行，會議期間為民國 2013 年 9 月 8-12 日。世界各國，共有上百人的學術界與業界人士參加。第一天晚上主要是註冊 與茶會，認識了一些與會先進與學生，第二天開始就是正式的會議發表，本人報告 是排在第三天。由於我是第一次出國以英文報告論文，因此還蠻緊張的，到了韓國 時每晚在飯店還是持續練習簡報。在研討會議中可以看到各國的學生或是教授們報 告，各有優缺點。在我報告的過程還算順利，大部分的問題也回答出來，但是對於 自己的簡報穩定度和英文表達還不是很滿意，我想自己還有很多進步的空間，期待 未來能更加提昇自己的英語相關能力並能更加精進，尤其是在發音與熟習外國口音
計畫編號 NSC 101 － 2625 － M － 009 － 006
計畫名稱 智慧型無線感測監控系統平臺建構與其在土木結構診斷應用之研究‐
子計畫:無線壓電式結構局部損傷偵測監測器之研發(I) 出國人員
姓名 丁君廷 服務機構
及職稱 國立交通大學/土木工程謝/碩士生 會議時間 102 年 9 月 8 日至
102 年 9 月 12 日 會議地點 韓國 濟州島
會議名稱
(中文) 2013 先進結構工程與力學會議
(英文) The 2013 World Congress on Advances In Structural Engineering and Mechanics
發表題目
(中文) 無線壓電式結構局部損傷偵測器之研製
(英文)
Development of a wireless‐based multi‐channel impedance sensing
system for structure local damage detection
的部分，還需要多加強。這次研討會也觀察到了許多相關壓電材料方面的研究成果，
吸取了許多寶貴的資訊。希望未來可有更多機會出國參加國際研討會為台灣發並努 力與加油。
二、與會心得
這次參加這個會議，是我第一於國外參加的會議，有蠻多心得的。在會議中你可以 看到各國所做的研究，可以看到有比你差有也比你好的研究。且許多亞洲國家的英 文簡報能力普遍來說都不錯。雖然自己的表現的不是非常完美，但是對於英文口頭 報告有了一定的體驗，對於爾後的自信度有了相當的提昇。這次出國大大增加了國 際觀，也給自己相當多的刺激，除了英文要加強之外，，更加深了我要更加用功與 努力的動力。這次的經驗讓我對研究更加充滿鬥志與熱情，在國際化時代，有機會 一定要常常踏出去，讓自己的視野更加的開闊，也可以讓研究與世界接軌。
三、發表論文全文或摘要 附至本附錄章節最後。
四、建議
這次能夠參加這次的研討會，很感謝國科會的經費補助，讓我能夠到國外去發表，
相信對未來一定有相當的幫助。
五、攜回資料名稱及內容
論文摘要全集
會議議程
論文摘要及全文電子檔(光碟)
Development of a wireless-based multi-channel impedance sensing system for structure local damage detection
*Shih-Lin Hung 1) and Chun-Ting Ding 2)
1), 2)
Department of Civil Engineering, National Chiao Tung University, Hsinchu, Taiwan
1)
[email protected]
ABSTRACT
This work presents development of a wireless-based multi-channel impedance sensing system for detecting location of structure local damage. The system is composed of a wireless impedance sensor, application software, and local damage detection schemes. The wireless impedance sensor is consists of a microprocessor, wireless communication module, and an AD5933 impedance chip as well as two multiplexers. The sensor not only has the properties of cost-efficient, low power requirements, small size, and simple deployment, but also has the multi-channel function that allows the user to monitor seven-channel PZT patch from a single device.
Users can communicate with these sensors through the dongle with computer wirelessly. Through the application software we developed, the measurement parameters and sampling period can be set and record the measured impedance data on the computer. When the sensor is in idle state, it can be switched into sleep mode to reduce power consumption. Herein, local damage detection schemes include root-mean-square deviation (RMSD) index to locate the local damages of the structure. The feasibility of the proposed wireless impedance-based sensing system was assessed using a 1/8-scale three-storey steel-frame model with various damage scenarios. It was confirmed experimentally that good sensing quality can be achieved via proposed system and locations of structure local damages can be identified effectively.
1. INTRODUCTION
The approaches of structural health monitoring (SHM) can be classified as global and local monitoring. The global structural monitoring methods are conventionally adopted vibration-based (acceleration-based) schemes. These methods identify damage by detecting modal property change, such as natural frequencies, modal damping, or mode shape. However, vibration-based methods are not very effective in detecting tiny or incipient damage locality. Therefore, the electro-mechanical-impedance (EMI)-based damage detection method has been studied extensively as a powerful technique at localizing damage (Liang et al.1994;
Sun et al. 1995; Park et al. 2000; Bhalla et al, 2004).
1)
Professor
2)
Graduate Student
2
When many sensors and diagnostic methods are implemented, wireless communication appears to be an attractive approach as conventional wired sensor systems can only deploy limited numbers of sensors because of cost constraints or excessive complexity. Wireless sensors are expected to diminish these problems by simplifying the installation of wired sensors. Smart wireless sensor networks (WSNs) are an attractive sensing technology for SHM applications because of their low manufacture costs, low power requirements, small size, and simple deployment (i.e., lack of cables) (Lin et al. 2012).
The development of wireless impedance sensor node has been investigated by several studies in literature. Mascarenas et al.(2009) and Park et al. (2010) designed the sensing node based on an Atmega128 microcontroller. Nguyen et al. (2011) proposed wireless impedance sensor node based on an Imote2 platform. The aforementioned sensors all contained an AD5933 impedance measurement chip individually. They also provided wireless telemetry and multiplexers. The Atmega128 MCU based nodes had limited storage memory and low clock speed. That has constraints in collection of the response signal in multiple PZT and processing data in
The development of wireless impedance sensor node has been investigated by several studies in literature. Mascarenas et al.(2009) and Park et al. (2010) designed the sensing node based on an Atmega128 microcontroller. Nguyen et al. (2011) proposed wireless impedance sensor node based on an Imote2 platform. The aforementioned sensors all contained an AD5933 impedance measurement chip individually. They also provided wireless telemetry and multiplexers. The Atmega128 MCU based nodes had limited storage memory and low clock speed. That has constraints in collection of the response signal in multiple PZT and processing data in