行政院國家科學委員會專題研究計畫 期末報告
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)
計 畫 類 別 ： 整合型 計 畫 編 號 ： NSC 101-2625-M-009-006- 執 行 期 間 ： 101 年 08 月 01 日至 102 年 10 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立交通大學土木工程學系（所） 計 畫 主 持 人 ： 洪士林 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：丁君廷 碩士班研究生-兼任助理人員：林子陽 碩士班研究生-兼任助理人員：沈錦鴻 碩士班研究生-兼任助理人員：李奇霖 碩士班研究生-兼任助理人員：徐義洋 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 公 開 資 訊 ： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 103 年 01 月 14 日
中 文 摘 要 ： 近年來，結構健康監測在土木基礎建設上越來越高的重視， 而其中運用壓電材料於檢測結構局部損傷在近年來被廣泛討 論與應用。由於在分析壓電材料之電阻抗譜通常係透過一台 阻抗分析儀器，而採用阻抗分析儀器由於其體積龐大且須較 多之電源供應，因此不太適於較長期土木結構監測以及現地 部屬。而無線感測網路技術有著省電、價格低廉、體積小安 裝快速等優點，因此如何發展一個體積小、低成本、高穩定 度與低功耗之無線壓電阻抗感測器，應用於長期之結構局部 損傷監測為一項重要之議題。有鑑於此，本計畫研發基於低 功耗無線壓電式結構局部損傷偵測器，應用結構局部健康監 測上。主要分為三個部份；第一個部份為整合阻抗量測晶片 技術、低功耗無線傳輸與微處理器運算技術，用以監測結構 物之局部阻抗參數並重建阻抗頻譜。第二部分為開發一套基 於此智慧壓電感測器之控制軟體與使用者介面，達到監測之 結構物環境資訊化與網路組織維護，以節省建置之時間。第 三部分為嵌入壓電式結構阻抗局部損傷偵測器演算法與損傷 指標方法，識別出結構局部之損壞位置與損壞程度。本計畫 完成了感測器之軟硬體設計與開發，並於縮尺模型下進行局 部損傷實驗，其結果顯示可有效的辨識出非常微小之結構局 部狀態變化，未來可充分運用於土木之結構局部監測應用。 中文關鍵詞： 結構健康監測、局部損傷偵測、壓電材料、壓電阻抗法、無 線感測器
英 文 摘 要 ： The Electro-Mechanical-Impedance (EMI)-Based damage detection method has been studied extensively as a powerful technique at localizing damage. However, the EMI methods required the use of expensive and bulky impedance analyzers that are not suitable for long-term field deployment. Therefore, this project presents development of a wireless-based multi-channel impedance sensing system for detecting location of structure local damage. This project is composed of three parts. First part is the
development of wireless impedance sensor node. The second part is development of application software. The final part is local damage detection schemes. The wireless impedance sensor node is consists of a
microprocessor, wireless communication module, and a powerful impedance analysis 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. 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. 英文關鍵詞： structural health monitoring； local damage
detection； piezoelectric material (PZT)； Electro-Mechanical Impedance； wireless sensor
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
（□期中進度報告/■期末報告）
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)
計畫類別：■個別型計畫 □整合型計畫
計畫編號：NSC 101－2625－M－009－006
執行期間：101 年 8 月 1 日至 102 年 10 月 31 日
執行機構及系所：國立交通大學 土木工程學系
計畫主持人：洪士林
共同主持人：
計畫參與人員：丁君廷、林子楊、李奇霖、徐義洋、沈錦鴻
本計畫除繳交成果報告外，另含下列出國報告，共 __2_ 份：
□執行國際合作與移地研究心得報告
■出席國際學術會議心得報告 兩 份
期末報告處理方式：
1. 公開方式：
■非列管計畫亦不具下列情形，立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
2.「本研究」是否已有嚴重損及公共利益之發現：□否 □是
3.「本報告」是否建議提供政府單位施政參考 □否 □是， （請列舉提供
之單位；本會不經審議，依勾選逕予轉送）
中 華 民 國 一Ｏ三 年 一 月 十 日
中文摘要 近年來，結構健康監測在土木基礎建設上越來越高的重視，而其中運用壓電 材料於檢測結構局部損傷在近年來被廣泛討論與應用。由於在分析壓電材料之電 阻抗譜通常係透過一台阻抗分析儀器，而採用阻抗分析儀器由於其體積龐大且須 較多之電源供應，因此不太適於較長期土木結構監測以及現地部屬。而無線感測 網路技術有著省電、價格低廉、體積小安裝快速等優點，因此如何發展一個體積 小、低成本、高穩定度與低功耗之無線壓電阻抗感測器，應用於長期之結構局部 損傷監測為一項重要之議題。有鑑於此，本計畫研發基於低功耗無線壓電式結構 局部損傷偵測器，應用結構局部健康監測上。主要分為三個部份；第一個部份為 整合阻抗量測晶片技術、低功耗無線傳輸與微處理器運算技術，用以監測結構物 之局部阻抗參數並重建阻抗頻譜。第二部分為開發一套基於此智慧壓電感測器之 控制軟體與使用者介面，達到監測之結構物環境資訊化與網路組織維護，以節省 建置之時間。第三部分為嵌入壓電式結構阻抗局部損傷偵測器演算法與損傷指標 方法，識別出結構局部之損壞位置與損壞程度。本計畫完成了感測器之軟硬體設 計與開發，並於縮尺模型下進行局部損傷實驗，其結果顯示可有效的辨識出非常 微小之結構局部狀態變化，未來可充分運用於土木之結構局部監測應用。 關鍵字: 結構健康監測、局部損傷偵測、壓電材料、壓電阻抗法、無線感測器
Abstract
The Electro-Mechanical-Impedance (EMI)-Based damage detection method has
been studied extensively as a powerful technique at localizing damage. However, the
EMI methods required the use of expensive and bulky impedance analyzers that are
not suitable for long-term field deployment. Therefore, this project presents
development of a wireless-based multi-channel impedance sensing system for
detecting location of structure local damage. This project is composed of three parts.
First part is the development of wireless impedance sensor node. The second part is
development of application software. The final part is local damage detection schemes.
The wireless impedance sensor node is consists of a microprocessor, wireless
communication module, and a powerful impedance analysis 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.
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.
Keywords: structural health monitoring; local damage detection; piezoelectric
目錄 一、 前言 ... 1 二、 研究背景與目的 ... 3 三、 文獻回顧 ... 5 3.1 基於壓電式阻抗下結構局部損傷診斷研究探討 ... 5 3.2 無線式壓電式結構局部感測器之研究探討 ... 6 四、 研究方法 ... 8 4.1 壓電智慧材料 ... 8 4.2 壓電阻抗法(Impedance-based techniques) ... 10 4.3 壓電阻抗法之結構局部損壞指標之方法 ... 11 4.4 無線壓電式阻抗偵測器之軟硬體設計 ... 12 4.4.1 軟硬體平台簡述與資源運用分析 ... 12 4.4.2 硬體電路設計與開發 ... 15 4.4.3 軟體設計與開發 ... 18 五、 研究結果與討論 ... 21 5.1 縮尺三層樓之鋼構架之案例一 ... 21 5.2 縮尺三層樓之鋼構架之案例二 ... 25 5.3 壓電螺栓墊片實驗之案例三 ... 28 六、結論... 31 參考文獻... 32
一、 前言 近年來地震、水災、風災、土石流等天然災害不斷的對人們的生命財產造成許多嚴重的 傷害。因此在諸如地震、颱風等災難發生前後，對結構物進行健康之診斷與評估更是目前重 要的研究工作之一，尤其是特定之重要公共建設或設施如醫院、消防局、災難處理中心、發 電廠、水庫、主要橋梁道路等。同樣的，如何在最短的時間內把主要倒塌或損壞結構的資訊 傳送到災害應變中心，以做最快速有效的災害搶救與資源分配也是相當重要的事。因此為了 達到快速的資料收集、處理、傳送、分析與結構健康監測與維護之目的，建立一有效的結構 健康監測系統實為目前國內外致力研究之課題與未來之趨勢。 本計劃為整合型計劃” 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”之子計畫之四，此整合計畫為以台灣目前在世界居於領先地位的先進資訊通訊技術 （Information and Communication Technology）為基礎，依據「地震與地震工程領域研究課題 7：新材料、新工法與結構耐震性能之研究子項(2)發展先進智能材料成通訊技術在結構安全 即時監測與控制之應用」，擬開發建構『智慧型無線感應器系統平臺』並研究『其在土木結構 診斷應用』。本整合計畫將透過技術開發與應用需求結合，以整合土木、通訊、電路設計、訊 號處理、自動控制與資訊軟體等相關跨領域之技術與專家，以建構專屬於土木結構診斷應用 之『智慧型無線感應器系統平臺』。希望藉由本計畫之執行與預期成效的獲得，能夠於未來強 化防災科技及其相關基礎研究與應用之研究，期能達到有效落實與推動智慧型防災與預警系 統之建立。 此發展之『智慧型無線感應器系統平臺』為基於「無線感測網路」為基礎之監測系統， 線感測網路應用於土木結構健康監測可以看成一個完整的生命週期，如圖 1 所示。經過有效 的設計規劃進行感測器的佈置，進而建立一個完整的監測系統，監測系統將資訊回授給後端 做資料分析與損害評估，接著做出決策與判斷，最後將經驗也就是知識存進知識庫中，提供 給下一次監測系統設計與規劃的輔助資訊。此生命週期的每一個環節都將提供其必要的資訊， 使得智慧型監測系統可以自動修正與檢討而達到最佳且完整的狀態。
結構健 在維持營運 健康狀態 性的結構健 目前重要的 針對『局部 線壓電式結 算、通訊與 其進行分析 康診斷之目 部屬、低成 健康監測系 運與修復時 ，不同的結 健康監測系 的研究方向 部』之結構 結構局部損 與嵌入式軟 析、處理、 目的，並結 成本、高穩 圖 1 無線 系統透過許多 時必要的資訊 結構健康監測 系統以結合全 向之一。此子 構健康監測之 損傷偵測監測 軟體之結構局 判斷並採取 結合無線感測 穩定度與無線 感測網路應 多智慧感測 訊。然而藉 測目的需要 全域、局部 子計畫之四 之應用。本 測器之研發 局部損傷偵 取一定的措 測網路技術 線傳輸之特 應用於土木 測器所組成的 藉由單一的診 要不同的智慧 部結構健康監 四『無線壓電 本計畫規劃為 發與測試，此 偵測器之研發 措施進行適度 術，以期發展 特性。 木工程監測之 的系統來長 診斷方法並 慧感測器來 監測方法來 電式結構局 為三年期計 此計畫整合 發，透過智 度響應訊號 展之智能材 之生命週期 長期監控結構 並無法正確且 來進行處理 來監測與評估 局部損傷偵測 計畫之第一年 合智能壓電材 智能材料具有 號的特徵擷取 材料局部損傷 期 結構的狀態 確且可靠的判 理，因此建立 評估結構物健 偵測監測器之 一年期，主要 電材料、硬體 具有感知環境 擷取，達到局 損傷監測技術 ，提供結構 判斷結構的 立一個整合 健康狀態是 之研發』為 要重點為無 體電路、計 境刺激，對 局部結構健 術擁有輕易 構 的 合 是 為 無 計 對 健 易
二、 研究背景與目的
一般結構健康監測可以分為全域健康監測(Global Health Monitoring)與局部健康監測 (Local Health Monitoring) (Chang et al. 2003)，全域健康監測法一般主要是以解析結構震(振)動
反應為主的方法(Vibration-Based Method)，透過震動反應訊號來推估結構物模態如自然頻率、 結構阻尼與振型(Doebling et al. 1998)，早期的結構檢測方法主要針對於結構自然頻率的改變 為主，然而有些損害的構件其損壞行為並不會表現在基礎模態下，此時以判斷結構自然頻率 是否改變的方法就很難施展出其效用。在模態振型(Mode Shape)方面，也有學者提到，損壞 對於結構其實是一個局部的現象，模態振型在局部結構的破壞來說較不敏感 (Cawley and Adams 1979)。因此目前結構健康監測普遍策略為首先利用全域結構健康監測方法來判斷結構 物是否有損害，接著再利用局部健康監測的方法來進行進一步的評估，如損害的位置及程度 等等。局部健康監測方法則為針對微小損傷以及損傷初期損傷診斷的一套評估技術，例如以 超音波量測應力的狀態，渦電流決定裂縫的位置，近年來常用的還有聲發射法(Acoustic Emission) (Nair and Cai 2009; Read et al. 2002)、Lamb Wave 法 Lamb Wave 法(Cawley and
Alleyne 1996; Kessler et al. 2002)、壓電阻抗法(Piezoelectric Impedance) (Park et al. 2003; Bhalla and Soh2003)，檢測結構物局部性的健康狀態在某些損壞案例下將比全域性的檢測方法達到更
有效的結果。
在結構局部檢測中採用壓電陶瓷(Piezoelectric Ceramic ; PZT)的機電耦合特性為主的壓電 阻抗方法(Impedance-Based Method)由於材料便宜、輕便、耐用且可黏貼於結構物上，因此在 近年來被廣泛運用於檢測結構局部損傷的其中一種有效之方法(Niezrecki et al. 2001; Chopra. 2002)。其檢測原理為當結構物處於某種狀態時(健康狀態)，他的機械阻抗是恆定的，如果當 結構物出現的變化(如出現損壞)，其機械阻抗也會發生相應的變化，而量測其阻抗之變化來 達到監測結構物之局部損壞。然而，直接量測結構物的機械阻抗值是非常困難的，因此，透 過黏貼於結構表面之壓電材料(Piezoelectric; PZT)，發射出激勵電壓產生交流電場，壓電片會 產生機械震動(逆電壓效應)，並同時帶動結構物產生共振。同時，結構物的震動反應又會對 PZT 產生電壓變化響應(正電壓效應)。因此，PZT 也可視為一套電路系統，藉由電子元件發 出訊號激勵電壓至 PZT，並同時間量取其 PZT 的壓電阻抗訊號即包含了結構局部的狀態訊息，
達到結構局 行，阻抗分 方式也大幅 之連結環境 有鑑於 Impedance 的所帶來的 器大都為實 程基礎設施 術與低功耗 並重建阻抗 到監測之結 構阻抗局部 局部健康診 分析儀最大 幅增加現地 境)。 於此，本計 e Device; W 的優勢在遠 實體線路傳 施之監測網 耗無線傳輸 抗頻譜。第 結構物環境 部損傷偵測 診斷的目的 大的缺點為不 地長期部屬的 圖 2 計畫主要係研 WLID)，並 遠端主動檢測 傳輸的缺憾 網路的建置成 輸微處理器於 第二部分為開 境資訊化與網 測器演算法與 。但由於目 不便於攜帶 的難度與長 2 阻抗分析 研發基於低 並應用於結構 測結構物健 。另外結合 成本。主要 於壓電式感 開發一套基 網路組織維 與損傷指標 目前的阻抗量 帶、部屬且價 長期監測的成 析儀與壓電材 低功耗無線壓 構局部健康 健康狀態，改 合微處理器之 要分為三個部 感測無線傳輸 基於此智慧壓 維護，以節省 標方法，識別 量測幾乎都 價格十分昂 成本與不便 材料之連結 壓電式結構 康監測與損傷 改善目前結 之整合應用 部份；第一 輸模組，用 壓電感測器 省建置之時 別出結構局 都是藉助於大 昂貴，且大都 便(圖 2 為阻 結環境 構局部損傷偵 傷偵測上。 結構監測系統 用於無線感測 一個部份為整 用以監測結構 器之控制軟體 時間。第三部 局部之損壞位 於大型阻抗分 大都為有線擷 阻抗分析儀與 偵測器(Wir WLID 可以 系統感測器與 感測器上，降 為整合阻抗量 結構物之局部 軟體與使用者 三部分為嵌入 位置與損壞 分析儀來進 擷取系統的 與壓電材料 reless Local 以透過無線 與資料擷取 降低土木工 量測晶片技 部阻抗參數 者介面，達 入壓電式結 壞程度。 進 的 料 l 線 取 工 技 數 達 結
三、 文獻回顧
本計畫主要針對基於壓電阻抗方法之局部損壞技術與無線感測於壓電阻抗量測技術來進 行文獻回顧，以下分別進行相關文獻探討。
3.1 基於壓電式阻抗下結構局部損傷診斷研究探討
本 計 畫 今 年 所 欲 研 發 之 結 構 局 部 損 傷 感 測 模 組 係 以 壓 電 阻 抗 (Electro-Mechanical Impedance, EMI)為主的監測方法，此方法應用於結構健康監測最早是由 Liang et al. (1994)所
提出，隨後有許多研究學者接著發展(Sun et al. 1994; Chaudhry et al. 1994; Ayres et al. 1996; Park, G et al. 1993, 2003, 2006; Giurgitutiu et al. 1999, 2002; Soh et al. 2000; Bhalla et al. 2002b,
2004; Naidu et al. 2002)。Park (Park et al. 2003) 等人利用壓電阻抗法來檢視管線的損壞，其研
究也歸納了先前研究之實驗成果與壓電阻抗診斷技術，包括對於壓電材料採用的激勵頻率大 於 30Khz，激勵電壓採用至少(1V)大小以上來激勵，可以判斷結構的局部損壞位置與破壞程 度。Peled (Peled et al. 2002) 等人利用電阻抗譜來探討碳纖維水泥複合材料在受拉力時的損害 特性。壓電阻抗法也常被用來作為飛機結構損傷的指標與判斷方法 (Giurgiutiu et al. 2002)。 沈星等人(2010)以裝有多個螺栓和多片壓電元件(PZT)的鋁梁為實驗標的，研究激盪頻率對壓 電材料電阻抗值的影響以及壓電元件對於較近螺栓鬆動與較遠螺栓鬆動的靈敏性。其並建立 一個 BP 類神經網路，以各個螺栓分別鬆動時所測得的所有壓電元件的阻抗值作為網路的訓 練案例，輸入到類神經網路進行訓練。其實驗結果發現，壓電材料能靈敏地反映出結構狀態 的微小變化；且離鬆動螺栓越近的壓電材料其電阻抗譜的變化大於離鬆動螺栓遠的電阻抗的 變化。而對於同一壓電元件，激盪頻率不同，其阻抗變化量也不同。因此，選取電阻抗值變 化明顯的頻率點來當成神經網路輸入向量，訓練後的神經網路能夠快速並精確地判斷出鬆動 的螺栓位置。 以上論述說明壓電阻抗法(EMI)在高頻率範圍對結構局部損傷偵測非常有效，而這些局部 結構損傷相較於全域結構監測以低頻振動量測的方法來說，對於結構整體性能沒有較大的影 響。因此，機電阻抗方法(EMI)表現出對結構早期損傷高的敏感性證明它更適合用作結構損傷 的識別。儘管阻抗方法與模態方法類似，但與模態方法依賴於低頻模態，相反地阻抗方法依 靠高頻模態，它能識別出局部的、微小的結構狀態的變化。在此項研究技術的發展與困難在
現階段主要 訊影響(如 有限元素模 主要目的為 此智慧壓電 標之局部損 一子章節中 3.2 無線式 結合無 National L (Wireless I 推出的 AD 合低頻(12 部的無線訊 在鋁板上部 示，當壓電 斜率會隨著 Kim 與 抗量測模組 阻抗量測晶 要面臨五個 如溫度)之阻抗 模擬實驗於 為發展一套 電感測器之 損傷偵測器 中將介紹基 式壓電式結構 無線感測網路 Laboratory） Impedance D5933 阻抗 25kHz)的無 訊號喚醒裝 部屬壓電片 電材料發生 著破壞程度 與 Nguyena 組，此模組 晶片。該實 個難題：(1) 抗診斷指標 於壓電耦合分 套輕便與無線 之控制軟體與 器演算法與損 基於微處理器 構局部感測 路與壓電阻 ）研發團隊 Device; WI 抗量測晶片 無線喚醒晶片 裝置進行結構 片陣列，並測 生脫膠時將使 度而下降。 圖 3 Wi a (Kim et al 組為無線感測 實驗團隊針對 結構元件之 標、(3) 材料 分析、(5) 線傳輸之無 與使用者介 損傷指標方 器架構之無 測器之研究探 阻抗量測技術 隊在 2006 年 ID)，其第三 、ATmega1 片(Wakeup 構物阻抗檢 測試其材料 使導納(虛部 ireless Impe . 2011; Ngu 測網路平台 對壓電阻抗 之局部損傷 料自我診斷 發展較為輕 無線壓電式結 介面，並嵌 方法，識別出 無線壓電式結 探討 術方面，美 年至 2010 三代(WID3 1281 微處理 chip)，因此 檢測(Overly 料自我診斷技 部值)斜率值 edance Dev uyena et al. 台 Imote2 的 抗法於螺栓鬆 傷偵測與辨識 斷技術與黏貼 輕便與無線 結構局部損 嵌入除環境雜 出結構局部 結構局部阻 美國洛斯阿拉 0 年期間設 3)硬體元件主 理器與無線 此可以長時 et al. 2007; 技術與黏貼 值上升，而 vice (WID3) 2012) 等人 的擴充版，同 鬆動實驗案 識、(2) 補 貼狀態自動 線傳輸之主動 損傷偵測器 雜訊影響(如 部之損壞位置 阻抗感測器之 拉莫斯國家 設計了一系列 主要使用 A 線傳輸模組(Z 時間的處於休 ; Overly et a 貼狀態自動檢 而當壓電材料 ) 實體圖 人設計了一套 同 WID 裝 案例中，設計 補償方法於消 動檢測技術 動式感測器 器，另外開發 如溫度)之阻 位置與損壞程 之相關研究 家實驗室（L 列無線阻抗 Analog Dev Zigbee)。其 於休眠模式， al. 2008)。該 動檢測技術。 料受到斷裂 套名為 SSe 裝置也是使用 設計了特別的 消除環境雜 、(4) 結構 器。本計畫 發一套基於 阻抗診斷指 程度。在下 究回顧。 Los Alamos 抗量測裝置 vice 公司所 其裝置也整 ，並透過外 該研究團隊 。其結果顯 裂時，導納 eL-IM 的阻 用 AD5933 的壓電片介 雜 構 畫 於 指 下 s 置 所 整 外 隊 顯 納 阻 3 介
面(PZT Int 鋁板類似懸 確的表現出 與沒有使用 研發團隊也 長的頻率偏 觀 推出之 與廣域 處理器 線壓電 模部屬 網 路 彙 WiMA 土木設 有鑑於 理器晶 terface)，在 懸臂梁的概 出螺栓鬆動 用壓電片介 也針對鋼筋 偏移趨勢。 圖 4 壓 觀察國外針 之 AD5933 域無線電信 器單晶片與 電式結構局 屬監測的成 彙 集 至 閘 道 AX/LTE)等 設施修繕保 於此，本計 晶片(SoC)發 在螺栓墊片上 概念，此設計 動時的變化 介面的數據反 筋錨定做電阻 壓電片介面 針對壓電式結 開啟了新的 信網路 (Wid 與無線傳輸的 局部損傷偵測 成本，各監測 道 器 (Gat 等廣域電信網 保養及更新替 計畫所發展之 發展出一套 上安裝長方 計的目的主 。研究結果 反應相比， 阻抗監測， 面(PZT Interf 結構局部診 的契機，且 de Area Net 的電路模組 測器在未來 測節點監測 teway) ， 再 網路將資料 替換之經費 之感測器初 套低成本、具 方形的鋁板 主要是使壓電 果顯示，在螺 電阻耦合反 實驗了在不 face) (右)結 診斷所發展之 且隨著無線感 twork) 技術 組變成一項可 來可以提供遠 測之資料可透 再 由 閘 道 器 料傳輸至監控 費調配優先順 初步採用此晶 具備無線傳 ，並將壓電 電片的感測 螺栓上增加 反應較能準 不同的預應 結合 Imote2/ 之感測器之 感測網路 ( 術之突飛猛 可行且成本 遠距與即時 透過目前已 器 透 過 3G 控中心，強 順序，其未來 晶片作為感 傳輸功能之結 電材料部屬在 測範圍縮小 加此介面所量 準確地偵測螺 應力下，會隨 /SSeL-IM 實 之主要元件 (Wireless S 進，一個結 本低的解決方 時監測的方式 已成為產業標 GUMTS/ 或 強化預警功能 來在商業上 感測器原型開 結構局部診 在此鋁板上 小，讓電阻反 所量取到的壓 測螺栓鬆動的 會隨應力越大 實體照 ，Analog De Sensor Netw 結合阻抗量測 決方案。此低 方式，可有效 標準之 IEE 或 3.5GHSD 能，並據以 上亦具有甚 型開發，並整 診斷感測器 上(圖 4)，此 反應更能精 壓電數據， 的程度。該 大而產生增 evices 公司 work) 技術 測技術、微 低成本的無 效降低大規 EE802.14.5 DPA( 或 4G 以作為規劃 大的潛力。 整合無線處 。 此 精 該 增 司 術 微 無 規 5 G 劃 處
四、 研究方法
本計畫主要發展一個無線壓電式結構局部損傷偵測器(Wireless Local Impedance Device; WLID)，應用於智慧建築與結構之結構局部健康監測上，主要的研究方法分為： 壓電阻抗模組與無線模組之建立：本研究利用使用微機電技術所發展之微感測器，結合 微處理器、記憶體與無線通訊模組配合適當之電路設計，建立一壓電阻抗量測與無線感 測單元。 無線傳輸方法：在無線方面以低功耗 IEEE 802.15.4 標準傳送資料，並設計可靠的資料傳 輸模式與協定。 無線感測網路之建立與使用者介面程式之開發：以無線感測單元建立無線感測網路，並 開發使用者介面，接收端應用程式與資料庫建立：接收端發展一視窗化介面，可使用於 可攜式裝置或是資料接收之固定式電腦設備， 結構局部損傷指標建立：透過縮尺模型實驗，收集結構阻抗頻譜數據，並分析出結構局 部損傷特性之損傷指標。 基於上述之研究方法與步驟後，本研究首先探壓電阻抗相關之基礎理論方法，接著介紹 基於阻抗方法下之結構局部損傷指標建立，而為了實現無線壓電式結構局部損傷偵測器，接 著將簡述軟硬體平台與資源運用分析，最後則是使用相關開發工具開發出應用軟體與使用者 介面以及穩定的無線傳輸協定。分別論述如下： 4.1 壓電智慧材料 壓電材料由於其具有獨特的高分子結構，因此可以在機械變形和電場變化下具有機電耦 合的能力，而藉由此能力經常被運用於感測器與致動器上。壓電材料有許多種類型，經常被 使用在不同領域，尤其是在結構物動態應用監測，原因是其重量輕、耐用性高、造價便宜且 可依照需求製成不同形狀大小的感測器。根據以上之優點，有機會發展出實用之小型化高效 能壓電感測器，並且應用於結構健康監測上。 當機械應力作用於一壓電材料時，材料兩端伴隨著產生一個與應力大小成比例之電荷(或 電壓)，稱之為『正壓電效應』。相反地，當一直流電場加入材料兩端時，材料的形變會隨著 電場的大小來改變，稱之為『逆壓電效應』。利用壓電材料的正壓電效應可發展出壓電感測器，
逆壓電效應 用以下的壓 其中 為 壓電係數 以一個 測器和驅動 (1) 感測器 回到原來狀 片變形到恢 電片會不斷 (2) 致動器 片的縱向將 壓電轉 有很高的電 纜，另外壓 構損壞指標 應則發展出 壓電方程式 為電位移， ， 為彈 個單層的壓 動器使用。 器：當一個 狀態時會產 恢復原狀態 斷地產生電 器：當一個 將會拉伸， 轉換元件雖 電輸出阻抗 壓電材料也 標偵測須此 出壓電致動器 式表示： 為應變 彈性柔度。 壓電片為例 個機械應力作 產生電壓。相 態也會產生電 電壓訊號。 個與壓電材料 產生震動 圖 5 壓 雖然有諸多優 抗，因此進行 也對溫度變化 此溫度變化作 器。以一個 變向量， 為 ，利用下面 作用於壓電 相同地，當 電壓。所以 料相同極性 。橫向伸縮 壓電效應示 優點，但其 行訊號處理 化特別敏感 作溫度補償 個線性的壓電 為作用電場 面示意圖表示 電陶瓷材料於 當機械應力作 以當一個結構 性方向的電場 縮的原理也是 示意圖 (左)感 其中無法對靜 理時，需要高 感，大多工作 償模型或是考 電材料而言 場， 為應 示如何根據 於縱向時(平 作用於材料 構物受到拉 場被安置在 是相同。 感測器(右) 靜態訊號進 高輸入阻抗 作溫度最高 考量。 言，電力和機 應力， 介 據壓電片的幾 平行極化方 料橫向時(垂 拉伸或彎曲時 在通過壓電材 )致動器 進行感測，沒 抗之放大器與 高只到 250 度 機械的交互 介電常數， 幾何形狀改 方向)，壓電 垂直極化方向 時，在結構 材料厚度方 沒有靜態輸 與低電容、 度，因此未 互作用可以 和 為 改變來做感 電片變形到 向)，壓電 構物上的壓 方向，壓電 輸出，以及 、低雜訊電 未來局部結 為
4.2 壓電阻 壓電阻 之反應電阻 看成一個電 如式( 當輸入電壓 。 式中， 因為自我輸 化後 也會 jω 其中 w, l, 數， ̅ 為 波數，ω為 阻抗法(Impe 阻抗法主要為 阻抗譜，利 電路系統(圖 (1)所示，其中 壓訊號 後 為參考電阻 輸出電壓 會產生改變 ω ̅ 和 t 分別 為壓電材料的 為電壓激盪 edance-bas 為利用訊號 利用電阻抗譜 圖 6)。 圖 中，壓電材 後，可以量 阻的電阻抗 為壓電材料 變。.壓電材料 別為壓電材料 的複介電常 盪頻率， 與 sed techniq 號發射器對壓 譜的改變來 圖 6 壓電材 材料模擬成包 量測到一個自 抗、 為壓電 1 料與結構耦 料與結構的 料的寬度、 常數， 為 與 分別為 ques) 壓電材料產 來判斷結構是 材料與結構 包含一個電 自我輸出電 電材料的電 耦合產生的 的機電耦合 長度和厚度 為耦合壓電常 為壓電材料與 產生激勵，並 是否產生損 構耦合示意圖 電容 與一個 電壓 與輸入 電阻抗，可 ，與結構的 阻抗(EMI) tan 度， 為在 常數， 與結構的機 並同時量取 損壞。壓電材 圖 個自我輸出 入電壓訊號相 以寫成下式 的特性有關 模型可以由 在零電場時 / 為 機械阻抗。對 取壓電材料與 電材料與結構 出電壓 構成 號相互耦合的 式 關，因此當結 由式(3)來描 時的壓電材料 為與質量密 對於單自由 與結構耦合 構耦合可以 成的元件。 的輸出電壓 (1) (2) 結構產生變 描述， (3) 料複楊式模 度 有關的 由度系統， 合 以 壓 變 模 的
結構的機械阻抗可以定義為： | | (4) | | (5) 其中， 為在 頻率下之諧波激震力， 為速度反應、m, c 與 k 分別為質量阻尼與勁度。由式 (3)可以看出機電耦合阻抗與結構的機械阻抗有關，當壓電材料的材料特性不變時，結構產生 損壞造成的機械阻抗改變會反應在機電耦合阻抗上，因此，由量測機電耦合阻抗可以來監測 局部結構的損壞。 4.3 壓電阻抗法之結構局部損壞指標之方法 當壓電材料黏貼於結構物時，藉由監測壓電材料電阻的變化程度來偵測結構物的損壞為 一個簡單且有效的做法，因此基於統計為基礎的損壞指標公式不只可反應出損壞的位置，其 變化的程度也可進一步推估損壞的程度。Peairs(Peairs et al. 2006) 等人比較了數種損壞指標公 式，其中最為人所使用的為均方根差(Root Mean Square Deviation; RMSD)法與交叉相關係數 (cross-correlation coefficient; CC)法，分別為下式(6)與式(7)， RMSD ∑ ̅ ̅ ∑ ̅ (6) CC 1 ̅ ̅ (7) 式中 為健康時(未損壞或初始狀態)的所記錄的壓電電阻抗訊號並作為參考基準
(baseline)； 為現況或是未來的壓電阻抗訊號(concurrent condition)；n 為激發訊號之頻率
點(frequency points)； ̅ 與 ̅ 分別為 與 之平均值； 與 分別為 與 之
標準差。
上述之損壞指標方法都是基於以基準訊號 為比較差異之量化方法，且是以垂直偏移
量(vertical shift)之差之總和的損壞指標公式。因此，RMSD 指標值越大意味著 與 的
而，環境的 情況(Koo 究則探討在 結構致動器 在 與 (maximum 用此頻率位 CC 4.4 無線壓 4.4.1 軟硬 在局部 (WLID)必 上需要微處 片的控制 WLID 1) 考量在 器(Multipl 的參數變化 et al., 2009 在壓電阻抗 器與溫度參 與 個頻 m cross-corre 位置的 CC 1 壓電式阻抗偵 硬體平台簡述 部感測節點 必須具備低功 處理器進行 、嵌入結構 D 的硬體架 在結構局部 lexer)來進行 化如溫與濕度 ).，特別是 抗量測中避免 參數間的交互 頻率點中計 elation coef 指標來偵測 偵測器之軟 述與資源運 點的軟硬體 功耗、體積 行周邊晶片的 構局部損傷偵 圖 7 無 架構圖如圖 7 部監測上會使 行多點(Mul 度也會間接 是溫度參數對 免受到溫度 互影響。K 計算出最高 fficient)為底 測結構物的 ̅ 軟硬體設計 運用分析 體設計與開發 積小、便於部 的控制、無 偵測演算法 線壓電式結 7，此硬體架 使用兩片以 ltipoint)壓電 接影響垂直偏 對於阻抗頻 度的影響。B Koo et al. (2 高的 CC 指 底的頻率偏 的損壞，以減 ̅ 發資源分析 部屬、無線 無線通訊與微 法與穩定的無 結構局部損 架構的設計 以上的壓電材 電控制。 偏移的變化 頻譜的偏移量 Bhalla et al 2009)提出改 指標位置， 偏移量(effect 減少受到溫 ̅ 析方面，無 線傳輸與壓電 微控制軟體 無線傳輸控 損傷偵測器設 計上有幾項特 材料陣列部 化，而可能導 量有顯著的 l. (2002)研 改良式 CC ，並考量此 tive frequen 溫度環境變化 無線式壓電結 電阻抗量測 體的撰寫，軟 控制。 設計架構 特性： 部屬於同個桿 能導致結構損 的影響，因此 研究了結構阻 指標，其主 此最大交叉 ncy shift ; E 化的影響(式 結構局部損 測等功能，在 軟體必須整 個桿件，因此 損傷的誤判 此，一些研 阻抗中對於 主要為計算 叉相關係數 EFS )，運 式 8)。 (8) 損傷偵測器 在裝置組件 整合周邊晶 此需要多工 判 研 於 算 數 運 器 件 晶 工
2) 壓電材料透過電荷激勵產生結構耦合之反應電阻抗譜，因此需要訊號發射器(DAC)激勵 壓電材料，並透過類比轉數位轉換器(ADC)採集壓電反應訊號。 3) 電阻抗譜數據可藉由量測之壓電耦合訊號並經數位訊號處理轉換至頻率域分析，因此藉 由硬體晶片提供的數位訊號處理功能可降低處理的運算時間。 4) 感測器的無線通訊方面建立在低功耗 IEEE 802.15.4 協定上，減少感測器所需的電力功耗 和提供多點感測器的部屬的通訊能力。 5) 由於壓電耦合反應訊號會受到溫度的變化而影響，因此 WLID 需提供溫度與溼度的的參 數以利未來訊號的校正。 6) 電源管理模組可提供微處理器藉由 ADC 介面量測電池所剩的電力，並考慮長期監測與現 地環境，電源管理模組可提供能源採集(Energy harvesting)的連接介面，用以連接如太陽能板、 風力發電模組。 7) 微處理器的記憶體容量必須有足夠的空間紀錄壓電阻抗譜數據，且必須足夠嵌入一系列 結構局部損傷偵測的演算法所需的運算空間。 藉由上述特性，在本研究中 WLID 的微處理器採用 NXP Jennic JN-5148 的無線微處理器 整合晶片，JN-5148 為一個 32-bit 基於 OpenRISC 的單晶片微處理機，其運算時脈可設定為 32、16、8 與 4 MHz，並包括了 128KB 的 RAM 以及可搭配外部擴充的 512KB 的 Flash Memory，
Jennic 是目前在低功耗 IEEE 802.15.4 單晶片無線微處理機市場中，唯一能提供低耗電與最大 的運算儲存容量的晶片，在周邊的整合上也提供完整的控制 IO 功能包括 SPI、I2C、UART 與 GPIO 可以整合周邊晶片，並且有足夠的 RAM 和儲存空間存放壓電阻抗譜訊號，以利結構 局部診斷演算法的運算。此無線微處理機模組依功率與頻段的不同可以傳至數公尺(低功率) 或公里(高功率)級的無線傳輸距離。圖 8 為 JN-5148 模組的實體圖與 Block Diagram。 在壓電阻抗量測方面使用 AD5933 阻抗量測晶片，AD5933 是一款高精度的阻抗量測晶片， 此晶片內置了頻率發射器可以產生特定的頻率(1-100kHz)來激勵外部電阻。電阻上得到的回 應訊號被數位轉換器(ADC)所採樣，並透過晶片上的 DSP 進行離散傅立葉轉換，量取在這個 輸出頻率下的實部值 R 和虛部值 I，一次掃描最多可以量測 512 個頻率點(Point)，可以進一步 地計算出在每個頻率掃描下的傅立葉轉換和電阻的相角，微處理機可以透過 I2C 介面連結並
控制此晶片 多工器 輸入共 16 號通道用以 連結。圖 片(圖 9 為 A 器方面使用 條訊號線 以量測壓電 10 為 WLID AD5933 Di 圖 圖 用兩顆 8-Ch ，其中一組 電阻抗頻譜 D 組件方塊 iagram)。 圖 8 Module 9 AD5933 hannel 多工 組 IO 將作為 。溫溼度感 塊圖。 e Block Dia Diagram[A 工器 ADG70 為阻抗量測校 感測方面使用 agram[Jenni Analog Dev 08 晶片，分 校正用通道 用 SHT21 晶 ic] ice] 分別控制八組 道，因此 W 晶片，使用 組 DAC 輸 WLID 將可支 用 I2C 介面與 輸出與 ADC 支援 7 條訊 與微處理器 C 訊 器
4.4.2 硬體 在無線 SoC 晶片 電路圖，其 而調整的阻 面。 體電路設計與 線壓電阻抗 ，並透過 I2 其中 R2 的部 阻值，在本 圖 與開發 抗感測器的硬 2C 的介面連 部分為 RFB 本系統當中設 圖 圖 10 WLID 硬體設計方 連結阻抗量 B(External F 設為 100Ω 11 阻抗量測 硬體與通信 方面，微處理 量測晶片 AD Feedback R Ω。AD5933 測晶片 AD 信介面方塊 理器與無線 D5933，圖 Resistor)為根 3_Vin 與 Vo D5933 周邊電 塊圖 線射頻的部分 圖 11 為本計 根據待測物 out 的部分 電路 分採用 Jen 計畫中 AD59 物所需量測的 分為連接壓電 nic JN5148 933 的周邊 的阻抗範圍 電材料的介 8 邊 圍 介
而為了 邊電路圖 留給 RFB( 在 電 BatteryAD harvesting) 由於壓 號的校正 電路圖。 了可以同時 ，AD708 為 (100Ω)校正 源 管 理 模 DC 介面)， )的連接介面 壓電耦合反 ，因此需整 時連結多片壓 為 8 通道的多 正使用，因 組 可 提 供 ，並考慮長 面，用以連 反應訊號會受 整合溫溼度感 壓電材料， 多工晶片， 因此可以此模 圖 12 多工 微 處 理 器 長期監測與 連接如太陽能 圖 1 受到溫度的 感測器，圖 因此整合了 ，分別連結 模組可以支 工器 AD708 器 藉 由 ADC 與現地環境 能板(Solar) 3 電源管理 的變化而影響 圖 14 為 SH 了兩組 AD 結 AD5933 的 支援 7 組壓電 8 周邊電路 C 介 面 量 ，電源管理 )、風力發電 理電路 響，提供溫 T21 溫溼度 D708 多工器 的 Vin 與 Vo 電材料片。 路 測 電 池 所 理模組可提 電模組。 溫度與溼度的 度感測晶片與 器晶片，圖 out，其中一 剩 的 電 力 提供能源採 度的的參數以 與處理器 J 12 為其周 一組通道保 ( 如 圖 13, 採集(Energy 以利未來訊 Jennic 周邊 周 保 , y 訊 邊
圖 15 且在壓電連 圖 16。 為無線壓電 連接介面上 圖 14 圖 電式阻抗量 上考量插拔之 圖 16 溫溼度感測 15 無線壓電 量測模組實體 之方便性， 壓電材料片 測晶片與微 電式阻抗量 體照，其大 採用 2.0m 片與無線壓 微處理器周邊 量測模組實體 大小與重量為 mm 麥克風接 壓電模組連接 邊電路 體照 為 91.6 x 48 接頭，與壓 接環境 8 x 7 (mm 壓電材料連結 m) / 45g， 結之環境如如
4.4.3 軟體 圖 17 目的為抽象 串列周邊介 組。上層的 建立應用層 的為增加軟 統的開發上 發上使用 Eclipse 整合 感測器 和提供多點 1，傳輸間 包欄位將由 Data 的長度 較不會衝突 體設計與開發 為 WLID 的 象化硬體平 介面(SPI)和 的部分分為 層所需的呼 軟體的彈性 上分為無線 C 語言進 合開發環境 器的無線通 點感測器的 間之廣播封包 由 Header、D 度是可變動 突的格式 ( 發 圖 1 的軟體架構 平台之相依功 和內部整合電 為軟體應用 呼叫介面 A 性，所開發的 線壓電式感測 進行開發相關 境以及交叉 通訊方面建立 的部屬的通訊 包採用以 bi Data、Check 動的。在設計 (2) Start b 7 無線壓電 構堆疊圖，最 功能如時鐘 電路(I2C)等 框架層(Fra API，使得應 的軟體在未 測器(WLID 關 IO 控制 編譯工具(C 立在低功耗 訊能力。無 inary 型態的 ksum 三項所 計上 Heade yte 將設計 電式感測器軟 最底層的部 鐘(Timer)、時 等等，以及 amework)以 應用層可以更 未來可更快速 D)以及後端 制、感測訊號 Cross-Comp 耗 IEEE 802 無線壓電式結 的傳輸通訊 所組成，其中 er 中主要有 計成與內容較 軟體架構堆 部分為硬體周 時脈管理(C 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 結構局部損 訊方式。而本 中 Header 和 有幾項考量 較不會衝突 堆疊圖 周邊(Periph Clock)、通用 15.4 的無線 (Applicatio 立所需的應用 於其他硬體平 與紀錄軟體 無線傳輸等功 hain) BA2 C 上，減少感 損傷偵測器之 本系統當中 和 Checksum ：(1) Start 突的格式 (3 heral)抽象化 通用 IO 控制 線傳輸 MAC on)，框架層 應用程式。此 體平台上。本 體，在感測器 功能，開發 Compiler。 感測器所需的 器之無線傳輸 中的訊號傳輸 um 的長度是 byte 將設計 3) 封包的總 化層，主要 制(GPIO)、 C 抽象化模 層的目的為 此分層的目 本研究在系 器的韌體開 發環境使用 的電力功耗 輸協定如表 輸的廣播封 是不變的、 計成與內容 總長度 (4) 要 模 為 目 系 開 用 耗 表 封 容 )
感測器的編 料的長度欄 Type uint16_ uint8_t uint16_ uint8_t uint32_ uint8_t uint8_t uint8_t uint8_t …… uint8_t 在電腦 體將包括阻 藉由此研發 其局部壓電 編號以辨識 欄位 (7) 傳 F _t t P _t t D _t t Data t t D t t 腦控制端的 阻抗量測參 發之軟體將 電阻抗抗譜 識感測器的 傳輸資料的型 Field Name Start byte Packet length Device ID Device type Timestamp response/re Data type Data length data …... XOR 的部分，本計 參數設定、無 將控制電腦端 譜並進行結構 的位置和性質 型態 (8) 驗 表 1 無線 e h e equest h 計畫使用.N 無線指令操 端的無線收 構診斷與損 圖 18 應用 質 (5) 時間 驗證碼的設 線傳輸封包 Star Identifica C NET C#設計 操作、資料接 收發器，可與 損壞偵測。 用軟體與使 間同步用的 設計(XOR) 包協定設計 De rting of the p Length Identificatio Identificat Epoch o ation of the Typ Leng M Calculate the 計一套結構阻 接收、頻譜 與無線壓電 使用者介面 的時間戳記 escription packet ,ex(0 h of the pac on of sensor tion of senso of Sending t master or s e of the data th of the da Main data …… e XOR of al 阻抗頻譜分 譜圖顯示與結 電感測模組做 (6) 可變動 0xEF 0xFF) cket or device or type timer slave from s a ata ll packets 分析軟體(圖 與結構損壞指 組做通訊與控 動的傳輸資 ) sender 圖 18)，此軟 指標分析。 控制，量取 資 軟 取
圖 19 益因子(Ga 依照公式 Flash 當中 壓電材料之 前的阻抗向 9 為局部診 ain Factor) 10 推導出阻 中，校正後其 之初始電阻 向量值 與 ∑ ∑ 圖 19 後 診斷演算流程 ，其校正因 阻抗值，並 其所量測到 阻抗，接著即 與破壞後之阻 1 ∗ 1 1 後端電腦與 程，首先可 因子可透過公 並透過公式 到的資訊會暫 即可透過結 阻抗向量值 100 與無線壓電感 可設定欲激勵 公式 9 算其 11 計算出 暫存在內部 結構局部損傷 值 ，計算出 感測器之實 勵之訊號範 其訊號震幅( 出來，計算出 部暫存器內 傷指標方法 出結構阻抗 實驗流程 範圍(Sweep) Magnitude) 出增益因子 ，接著則透 法(如 RMSD 抗參數變化量 )，並量取其 )，所算得之 子後將其存放 透過此增益因 D，式 12) 量。 其校正之增 之大小可以 放在感測之 因子量取此 ，代入破壞 (9 (10 (1 (12 增 以 之 此 壞 9) 0) 1) 2)
5.1 為 3 第一 之局 螺栓 為各 縮尺三層樓 為了初步 3.8 kg，每一 一個測試案 局部結構損 栓尚未鬆動 各壓電材料 Case 1 2 3 4 5 樓之鋼構架 步評估與驗證 一根梁柱之 案例中，本計 損傷偵測之敏 動時之各壓電 料在各實驗情 Loos Loose 架之案例一 證本系統， 之斷面積為 0 計畫將壓電 敏感度(圖 2 電材料阻抗 情境之壓電 圖 表 2 實 Damag No Loo sen bolt 2 (B en bolt 3 (Bo Bolt 五、 本研究設計 0.8 cm2，每 電材料黏貼於 20)。表 2 為 抗數據，並且 電阻抗譜訊號 圖 20 案例 實驗流程、縮 ge Descript o damages osen bolt 1 Bolt 1 & 2 a olt 1 ,2 & 3 1 refastened 研究結果與 計了一個 1/ 每層樓高為 於 1 樓柱頭 為縮尺三層 且依序鬆動螺 號。 例一、螺栓鬆 縮尺三層樓 tion are loosened are loosene d 與討論 /8 比例之三 為 0.44m，所 頭靠近螺栓處 層樓之鋼構架 螺栓 1、2、 鬆動實驗配 樓之鋼構架 d) ed) 三層樓之剛構 所使用之壓電 處，並透過 架之案例一 3，最後將螺 配置 之案例一 Loos 構架，此鋼 電材料為 P 過鬆動螺絲來 一之實驗流程 螺栓 1 重新 sened Bolts None 1 1,2 1,2,3 2,3 鋼構架每層質 PZT-5A 型號 來驗證壓電 程，首先先 新拴緊。圖 2 s 質量 號。在 電材料 先記錄 21~25
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 10 4 PZT 1 Frequency (Hz) R e a l P a rt of Im pe da nce 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 10 4 PZT 2 Frequency (Hz) R e a l P a rt of Im pe da nce 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 10 4 PZT 3 Frequency (Hz) R e a l P a rt of Im pe da nce 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 10 4 PZT 4 Frequency (Hz) R e a l P a rt of Im pe da nce 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 螺栓 27) 置與 因此 將其 之壓 縮尺三層樓 在案例二 栓鬆動位置 。 表 3 為縮 與螺栓鬆動 此將壓電材 其重新栓緊 壓電材料在 C 樓之鋼構架 二中將壓電材 置之局部損壞 圖 縮尺三層樓之 動位置之局部 材料黏貼於同 緊；接著鬆動 在各實驗情境 Case 1 2 3 4 5 架之案例二 材料黏貼於 壞偵測，用 圖 27 案例二 之鋼構架之 部損壞偵測 同根桿件之 動螺栓 2(柱 境之壓電阻 表 3 實 Da 於柱子之上 用以驗證損壞 二、柱子之 之案例二之實 ，用以驗證 之較容易發生 柱下) 並將其 阻抗譜訊號。 實驗流程、縮 amage Desc All fasten Loosen bo Bolt1 refas Loosen bo Bolt2 refas 、中與下之 壞位置越靠 之上、中與下 實驗流程， 證損壞位置越 生破壞之位 其重新栓緊 。 縮尺三層樓 cription ned olt 1 stened olt 2 stened 之位置，主要 靠近壓電材 下部屬壓電 此實驗案例 越靠近壓電 位置(上、中與 緊。圖 28~3 樓之鋼構架之 要目的係以 材料之電阻抗 電材料實驗環 例目的主要 電材料之電阻 與下)，且依 30 為上(PZ 之案例二 Loos 以實驗壓電材 抗譜變化將 環境 要係以實驗壓 阻抗譜變化 依序鬆動螺 ZT1)、中(PZ sened Bolts None 1 None 2 None 材料部屬位 將越大之假 壓電材料部 化將越大之假 螺栓 1(柱上 ZT2)與下(P s 位置與 假設(圖 部屬位 假設， 上)後並 PZT3)
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 Par t of Im peda nc e 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) R e al Par t of Im ped anc e Baseline Case1 Fastened Case2 Loosen bolt 1 Case3 Refastened bolt 1 Case4 Loosen bolt 2 Case5 Refastened bolt 2
栓尚 測之 能量 距離 圖 31 為案 尚未鬆動時 之壓電阻抗 量測到桿件 離成正反比 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 100 200 Re al Par t of Im pe dan ce 案例二在各 時)量測數據與 抗抗譜皆產生 件的為小參數 比之關係，因 3 00 00 00 00 00 00 00 00 0 00 00 圖 30 各實驗案例下 與鬆動實驗 生變化，此 數改變；另 因此可運用 圖 31 案例 4 0 案例二、P 下之 RMSD 驗數據之差異 此主要係由於 另外，在距離 用此特徵來推 例二在各實 5 PZT3 在各實 D 損壞指標值 異指標。從 於在縮尺模 離鬆動螺栓 推估螺栓鬆 實驗案例下之 6 Frequency ( 實驗下之阻 值，其主要 從結果顯示 模型下實驗 栓位置較近的 鬆動之位置 之 RMSD 損 7 Hz) 阻抗頻譜 要是計算個別 ，當螺栓鬆 ，其邊界條 的壓電材料 。 損壞指標值 8 B C C C C C 個別壓電材料 鬆動時，每個 條件較窄，而 料有較為明顯 值 9 Baseline Case1 Fastened Case2 Loosen bolt Case3 Refastened Case4 Loosen bolt Case5 Refastened 料本身之初 個壓電材料 而各壓電材 顯的差異， 10 x 104 t 1 bolt 1 t 2 bolt 2 初始(螺 料所量 材料皆 且與
5.3 規格 接自 測試 本研 錄在 範圍 改良 械震 於螺 壓電螺栓墊 為了驗證 格的螺栓牙 自無線壓電 試在不同的 研究使用可 在不同的扭 另外參考 圍是侷限的 良式的螺栓 震動的響應 螺栓鬆動偵 墊片實驗之 證無線壓電式 牙之實驗構架 電阻抗感測器 的螺栓扭力下 可量測 10 至 扭力下螺栓周 考 Kim(Kim e 的，因此所黏 栓墊片(圖 34 應的邊界條件 偵測的敏感度 之案例三 式阻抗感測 架(圖 32)，並 器的訊號激 下之阻抗頻 至 70 牛頓力 周圍的壓電 圖 3 et al. 2011; 黏貼之結構 4)，其特點 件也限制於 度，圖 35 為 測器的可行性 並在牙洞旁 激勵腳位(V-O 頻譜之變化 力(n.M)之指針 電阻抗反應變 圖 32 螺 33 扭力板手 Nguyena et 構物邊界條件 為可直接將 於特殊的螺栓 為實驗環境 性以及結構 旁黏貼一壓 OUT)與 AD 。且為了近 針式扭力板 變化。 螺栓鬆動實驗 手(10-70 n.M t al. 2012) 件的範圍也 將 PZT 直接 栓墊片，來 境圖。 構阻抗量測之 電片(PZT) DC 訊號採 近一步衡量螺 板手(圖 33)來 驗縮尺構架 M、3% erro 等人之研究 也會影響阻抗 接黏貼上去 來增強阻抗頻 之敏感度， ，拉出壓電 採樣腳位(V-螺栓的鬆動 來驗證實際 架 or rate) 究成果，由 抗的敏感度 ，此設計主 頻譜的結構 本計劃設計 電片的陰極和 -IN)。主要實 動程度與阻抗 際螺栓承受之 由於壓電所產 度，因此本計 主要目的是使 構特徵反應 計鑽有四個 和激勵端子 實驗設計理 抗頻譜的關 之扭力值， 產生的機電 計畫而外設 使壓電材料 ，特別是提 個 M12 子並連 理念為 關係， ，並記 電耦合 設計了 料的機 提升對
牛頓 隨著 往高 件也 鬆動 譜回 圖 36 為壓 頓力，並依 著螺栓的扭 高頻移動特 也限制於特 動偵測的局 回推螺栓鬆 壓電螺栓墊 依序轉鬆至到 扭力下降而往 特性相似。且 特殊的螺栓墊 局部敏感度。 鬆動程度(圖 圖 圖 墊片在不同螺 到 2 牛頓力 往高頻偏移 且由此實驗 墊片，因此 。也因此藉 37)。 圖 34 長方 圖 35 螺栓鬆 螺栓扭力下 力。其實驗結 移，此阻抗抗 驗案例與前二 此在在阻抗頻 藉由此特性透 方矩形之壓電 鬆動實驗構 下之阻抗抗譜 結果發現在 抗譜反應也 二之實驗案 頻譜的結構 透過回歸方 電介面實體 構架實驗環境 譜量測結果 在 56kHz 至 也與結構力學 案例相比可發 構特徵與波峰 方程可推導出 體照 境圖 果，首先將螺 60kHz 有很 學之螺栓墊 發現由於其 峰也更加明 出此受力的 螺栓透過扭 很明顯的波峰 墊片受力減少 其機械震動的 明顯，特別是 的線性關係 扭力板手轉至 峰，且此波 少而結構變 的響應的邊 是提升對於 ，進而從阻 至 30 波峰會 變軟而 邊界條 於螺栓 阻抗頻
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
