KR100716725B1 - 복합재 보강형 광섬유센서 구조체의 제조방법 - Google Patents

복합재 보강형 광섬유센서 구조체의 제조방법 Download PDF

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KR100716725B1
KR100716725B1 KR1020050107041A KR20050107041A KR100716725B1 KR 100716725 B1 KR100716725 B1 KR 100716725B1 KR 1020050107041 A KR1020050107041 A KR 1020050107041A KR 20050107041 A KR20050107041 A KR 20050107041A KR 100716725 B1 KR100716725 B1 KR 100716725B1
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optical fiber
fiber sensor
fiber
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manufacturing
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KR1020050107041A
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김재민
김용곤
최준성
이규완
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한국유지관리 주식회사
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Abstract

외부의 다양한 요인에 의하여 발생될 수 있는 광섬유센서 센싱부의 손상을 방지하고 구조물에 설치시 센싱부를 보호하면서 편의성을 고려한 복합체 보강형 광섬유센서의 제조방법에 관한 것이다.
복합재 보강형 광섬유센서를 제조하는 방법은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 실리카섬유, 세라믹 섬유, 폴리아미드등의 보강섬유중 선택된 적어도 하나의 보강섬유와 광섬유센서를 인출하여서 함께 열가소성수지에 함침하고, 보강섬유와 광섬유센서의 외주면에 피복된 열가소성수지가 일정형상을 가지도록 성형블럭에 통과시켜 일정형상으로 성형시키고, 일정온도로 가열된 가열블럭에 통과시켜서 열가소성수지를 경화시켜 제조한다.
또한 가열된 금형내에 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등의 보강섬유와, 하나 이상의 광섬유센서 케이블 그리고 불포화 폴리에스테르계 또는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지가 함침된 장입제(charge)를 준비, 배치시키고, 일정속도로 금형이 천천히 닫히면서 가압하고 온도를 상승시키고, 미리 정하여진 시간동안 금형을 닫은 채로 유지함으로서 소정의 형상으로 경화시킴으로서 제조할 수 있다.
광섬유센서가 보강섬유 및 수지의 함침으로 보강됨으로써 구조물의 표면 등에 부착시공시 또는 내부 매설시 외부충격에 의해서도 안정적 유지를 가능하게 하여 시공을 간편하게 한다.
광섬유센서, FRP, 케이블, 수지, 함침

Description

복합재 보강형 광섬유센서 구조체의 제조방법{A method for manufacturing an optical fiber structure}
도 1는 광섬유 브래그 격자 센서의 원리를 설명하기 위한 개념도,
도 2은 거치대를 이용한 광섬유센서 부착방식을 설명하는 개략도,
도 3은 FRP 패치방식의 광섬유센서 부착방식을 설명하는 개략도,
도 4은 복합재 보강형 광섬유센서의 구성도,
도 5는 인발성형에 의한 복합재 보강형 광섬유센서 제작방법을 설명하는 개략도,
도 6은 인발성형에 의하여 제작된 다절점 측정용 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 나타낸 개략도,
도 7a 내지 도 7c는 미세구경 튜브를 이용한 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 나타낸 개략도,
도 8a 내지 도 8c는 광섬유 암수 커넥터를 이용한 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 나타낸 개략도,
도 9는 압축성형에 의한 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제작방법을 설명하는 개략도,
도 10a 및 도 10b는 압축성형에 의하여 제작된 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 나타낸 개략도,
도 11a 및 도 11b는 평균 측정형 및 온도 측정용을 위한 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 나타낸 개략도,
도 12는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 이용방법의 일예를 나타낸 개략도,
도 13a 및 도 13b는 콘크리트에 매설된 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 이용방법의 일예를 나타낸 개략도,
도 14는 텐던 및 행거 내부에 설치된 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 나타낸 개략단면도,
도 15는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 이용방법의 일예를 나타낸 개략도,
도 16은 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 이용한 사면 및 터널의 모니터링 방안을 나타낸 개략도,
도 17은 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 이용한 산업기간 시설물의 원격 모니터링 시스템 구성도,
도 18은 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 이용한 산업기간 시설물의 주기적인 안전검측 시스템의 구성도,
도 19는 본 발명 다른 실시예의 광섬유센서구조체를 나타낸 개략도,
도 20은 본 발명 다른 실시예의 광섬유센서구조체의 개략도이다.
본 발명은 복합체 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법에 관한 것으로써, 특히 외부의 다양한 요인에 의하여 발생될 수 있는 광섬유센서 센싱부의 손상을 방지하고 구조물에 설치시 센싱부를 보호하면서 편의성을 고려한 복합체 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법에 관한 것이다.
대부분 사회기반시설의 건설목적은 인간 생활에서의 편의와 안락함을 추구하고자 함이며, 이러한 시설물을 설계하거나 시공하는 경우에는 기능성 및 안전성이 중요한 요인으로 작용하게 된다.
그러나 대부분의 구조물은 사용기간 동안 발생하는 끊임없는 하중조건 변화와 구조부재의 열화로 인하여 점차적으로 그 기능 및 성능이 상실되며, 심지어는 인명과 재산권을 위협하는 대형 붕괴사고를 일으키기도 한다.
중요한 사회기반 시설물중의 하나인 교량, 빌딩, 댐 등의 구조물은 지진, 태풍, 홍수 등 예상하지 못한 환경변화로 인하여 구조적인 손상을 받을 수 있으며, 이로부터 잔존수명이 현저히 저하되거나 붕괴될 위험을 가질 수 있다. 이러한 상황에서 최근에는 구조물의 손상과 열화 정도, 또는 구조적인 문제 판단시 필요한 기초자료를 습득하기 위하여 장단기 계측시스템이 많이 도입되고 있는 실정이다.
그러나 기존에 일반적으로 많이 사용되던 전기저항식 센서 시스템은 자기열 효과(Self-heating effect) 등에 의하여 장기적인 내구성 확보에 어려움이 있으며, 교량과 같이 수십 및 수백 km구간에 설치가 필요할 시 케이블 길이가 길어짐에 따라서 또는 전자기파에 노출시 계측값의 신뢰성이 급격히 저하되는 단점이 있었다.
이에 반하여, 광섬유센서는 크기가 작고 내구성이 우수하며 재료에 삽입되거나 일체화가 용이한 점, 주성분이 유리재질이므로 부식에 강하고 전자기파에 의한 노이즈 발생이 없다는 점, 하나의 리드선에서 다절점 측정이 가능하여 시공성이 우수한 점 등의 많은 장점을 내재하고 있어 최근 건설되는 사회기반 시설물의 장대화, 대규모화 되어가는 추세에서 기존 센서를 대체할 수 있는 최적의 차세대 센서 유형으로 각광을 받고 있다.
또한 광섬유 브래그 격자 센서(이하 FBG : Fiber optic Bragg Grating sensor)의 가장 큰 장점으로 멀티플렉싱(Multiplexing)이 가능하다는 것인데, 이는 한가닥의 광케이블에 여러개의 브래그 격자를 형성하여 한가닥의 케이블에 여러점의 센싱부를 설치할 수 있는 장점이 있다. 그리고 광섬유센서는 빛을 매개로 하기 때문에 전자기파에 영향이 없으며 수십 km까지 케이블을 연장한다 하더라도 광원의 손실이 거의 없기 때문에 교량, 철도 레일, 파이프 라인과 같이 길이방향으로 매우 긴 구조체에 적용하기에 큰 장점을 가진다.
일반적으로 광섬유센서는 측정방식에 따라서 광강도 센서, 간섭형 센서 및 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)로 구분된다.
광강도 센서의 대표적인 유형인 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)은 펄스광을 광섬유 내부에 입사시키고 외부자극으로 인하여 광섬유에 인장 또는 굽힘 이 발생되면 그 정도에 따라 광손실이 증가하며, 균열 등으로 인하여 광섬유가 절단될 경우에는 그 절단면에서 반사광이 나타난다. 후방산란(back scattering)되어 되돌아온 빛의 광섬유 길이에 따른 광손실을 측정하여 외부 물리량 변화(변형률, 압력 등)를 관측할 수 있으며, 절단면에서의 반사광을 이용하여 절단지점을 측정하여 균열발생 위치를 추정할 수 있다.
광강도 센서에 비하여 높은 민감도를 갖는 간섭형 광섬유센서는 측정 광섬유와 기준 광섬유로 구성되며, 출력신호는 광검출기에서 간섭되고 간섭된 신호의 위상차(phase) 및 크기(magnitude)는 외부 물리량(변형률, 온도, 압력 등)과 연관성을 갖게 된다. 광원과 기타 다른 변동은 측정 광섬유와 기준 광섬유에 동일하게 작용되고, 기준 광섬유를 기준으로 측정 광섬유를 보정하여 원하는 물리량만을 취득하므로 정확도는 뛰어나지만 복잡한 출력신호 처리가 요구되며 편광을 고려해야 하는 어려움이 있다.
가장 대표적인 간섭형 센서로는 마하젠더, 마이켈슨, 그리고 페브리-페롯 등이 있다.
FBG 센서(도 1 참조)는 광원을 광섬유(1)에 입사시킬 경우 브래그 조건에 의한 파장 성분은 브래그 격자(2) 광섬유에서 반사되고 나머지 파장 성분은 그대로 통과한다. 광섬유(1)에 전달된 광원의 스펙트럼, 브래그 격자(2)를 통과한 광신호의 스펙트럼, 그리고 브래그 격자에서 반사된 광신호의 스펙트럼이 도 1에 나타나 있다.
격자에서 반사되는 브래그 파장(λB)은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이며, 광섬유 격자에 온도나 변형률 등의 외부 물리량을 가할 경우 이들 값이 변하여 브래그 파장(λB)은 달라진다. 즉, 브래그 파장(λB)의 변화를 정밀하게 측정한다면 광섬유 격자에 가해진 미지의 물리량 (온도, 변형률)을 역으로 계산할 수 있으며, 이것이 광섬유 격자가 센서로 사용될 수 있는 기본 원리이다.
그러나 상기에서 언급한 바와같이 광섬유센서는 다양한 장점을 내재하고 있음에도 불구하고, 간섭형 광섬유센서 및 FBG 센서는 콘크리트, 강재 등 구조체에 부착시 리드부 뿐만 아니라 센싱부는 외부자극에 의하여 손상이 발생되기 쉽다.
이러한 센싱부의 보호를 위하여 철근에 광섬유센서를 설치시 광섬유를 설치할 부분에 홈을 제작하여 홈속에 광섬유센서를 삽입하고 표면처리를 하거나, 센서의 보호를 위하여 플라스틱 또는 금속 튜브를 적용하는 사례 등이 있다.
또한 도 2와 같이 구조체(10)에 센싱부(1a)의 고정을 위하여 거치대(3)를 활용하는 방식과, 도 3과 같이 복합재(4) 위에 광섬유센싱부(1a)를 부착하여 구조체에 접착하는 패치방식 등이 적용되어 오고 있다.
그러나 이러한 방식들은 기존의 전기저항식 센서의 부착방식과 비교시 매우 번거로워 광섬유센서의 보급화에 저해요인으로 작용될 뿐만 아니라, 건설현장에 설치시 매우 주의를 요하기 때문에 도입자체가 어려운 한계성을 내재하고 있었다.
따라서 본 발명은 광섬유센서의 리드부와 센싱부의 보호 뿐만 아니라 설치시 편리성을 고려하여 복합재로 보강된 광섬유센서구조체의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하는 본 발명은 외주면에 섬유보강플라스틱(FRP)이 피복된 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제조하는 방법에 있어서,
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유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 실리카섬유, 세라믹 섬유, 폴리아미드등의 보강섬유중 선택된 적어도 하나의 보강섬유와 광섬유센서를 인출하여서 함께 열가소성수지에 함침하고,
상기 보강섬유와 광섬유센서의 외주면에 피복된 열가소성수지가 일정형상을 가지도록 성형블럭에 통과시켜 일정형상으로 성형시키고,
일정온도로 가열된 가열블럭에 통과시켜서 열가소성수지를 경화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열가소성수지에 함침하기 이전에 상기 광섬유센서에 원하는 길이로 가공, 절단하는 위치에 테프론, 스테인레스 등의 미세구경 튜브를 삽입시키는 단계를 더 포함하고, 상기 열가소성수지를 경화시키는 단계 이후에 상기 튜브 위치에서 열가소성수지 및 튜브를 절단하는 단계와, 상기 절단된 튜브 및 열가소성수지 를 제거하는 단계를 더 포함하여서, 일정간격의 광섬유 센싱부만을 피복한 복합재 보강형 광섬유센서를 제조하여 단독형으로 구조체에 부착될 수도 있고, 여러개를 연결부착함으로서 동시에 여러 측점을 계측할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열가소성수지에 함침하기 이전에 상기 광섬유센서에 광섬유 암수 커넥터를 연결하는 단계와,
상기 열가소성수지의 경화 후 커넥터 연결부위를 절단함으로서, 단독형으로 구조체에 부착될 수도 있고, 또는 여러개를 연결부착할 수도 있어, 소정의 원하는 위치에 부착시 커넥터의 연결만으로 쉽게 광섬유센서를 설치하고 연결할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하는 본 발명은 외주면에 섬유보강플라스틱(FRP)이 피복된 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제조하는 방법에 있어서,
가열된 금형내에 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등의 보강섬유와, 하나 이상의 광섬유센서 케이블 그리고 불포화 폴리에스테르계 또는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지가 함침된 장입제(charge)를 준비, 배치시키고, 일정속도로 금형이 천천히 닫히면서 가압하고 온도를 상승시키고, 미리 정하여진 시간동안 금형을 닫은 채로 유지함으로서 소정의 형상으로 경화시킴을 특징으로 한다.
상기 인발성형 및 압축성형에 의하여 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어서, 테프론 또는 스테인레스의 미세구경 튜브를 미리 섬유보강플라스틱(FRP;102)내에 삽입하여 제작함으로서 매설된 튜브 길이만큼의 평균 변형률을 측정할 수 있는 평균 측정형 광섬유센서구조체를 제작할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인발성형 및 압축성형에 의하여 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어, 미세구경 튜브에 광섬유센서구조체를 매설하되 한쪽 끝단은 고정하지 않은 느슨한 상태로 설치함으로서 온도 측정형 광섬유센서를 제작할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 인발성형 및 압축성형에 의하여 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어, 하나의 복합재 보강형 광섬유센서에 온도용과 변형률 측정용 센싱부를 동시에 설치하여 온도 뿐만 아니라 변형률도 동시에 측정이 가능하도록 한 것을 특징으로 한다.
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이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명 실시예의 광섬유센서 구조체(100)를 나타낸 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이는 광섬유센서(101)의 외주면에 섬유보강플라스틱(FRP;102)이 피복된 구조를 가진다.
상기 섬유보강플라스틱은 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 실리카섬유, 세라믹 섬유, 폴리아미드 등의 보강섬유 중 선택된 적어도 하나에 열가소성수지가 함침되어 형성된다.
상기 광섬유센서(101)를 보호하는 섬유보강플라스틱(102)은 적용되는 구조물의 형상에 따라 원형(도 4a) 또는 다각형(도 4b)의 단면으로 형성된다.
즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, 직사각형 또는 박판형 복합재 보강형 광섬유센서는 철도의 레일, 파이프 라인, 상하수도 파이프 및 암거, 터널, 교량, 빌딩, 댐 등에 쉽게 부착하고 내구성이 뛰어남으로서 효율적인 구조물의 모니터링이 가능할 수 있도록 한다.
또한 복합재료 교량, 복합재료 방파제, 복합재료 송전탑, 복합재료 파이프 등의 구조체를 제작함에 있어 본 발명 실시예의 광섬유센서구조체(100)를 매설하여 함께 구조체를 제작함으로서, 구조물로 활용함과 동시에 원하는 부위의 응답을 측정할 수 있는 계측/모니터링 시스템으로도 바로 활용이 가능하다.
상기와 같은 보강섬유플라스틱을 가지는 광섬유센서구조체의 제조방법은 다음과 같다.
일 실시예로서, 인발성형(Pultrusion)방법을 이용한 광섬유센서구조체의 제조방법을 이하에 설명한다.
도 5를 참조하면, 먼저, 제 1공정으로서 보강섬유 및 광섬유센서 케이블(101)을 공급하기 위하여 일정간격으로 배열한다.
로빙크릴 및 매트크릴에 FRP 제작을 위한 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등의 보강섬유(102)와, 하나 이상의 로빙크릴 및 매트크릴에서는 광섬유센서 케 이블(101)을 공급한다.
제 2공정은 불포화 폴리에스테르계 또는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지가 수용된 수지함침조(Resin Impregnation Sink;110)에 상기 보강섬유(102) 및 광섬유센서 케이블(101)을 통과시켜서 보강섬유 및 광섬유케이블에 수지를 함침시킨다.
제 3공정은 예비성형(Preforming) 공정으로, 성형블럭(111)에 수지가 함침된 보강섬유(102) 및 광섬유케이블(101)을 통과시켜서 인발성형 될 제품의 모양에 가깝도록 점진적으로 변형시킨다.
이때, 성형블럭(111)의 형상은 도 4a 및 도 8a에서와 같이 원형으로 형성되고, 도 4b 및 도 8b에 도시된 바와 같이 직사각형 또는 박판 구조와 같은 다각형 구조로도 형성이 가능하다.
이와 같은 예비성형공정은 이후 경화공정시 발생되는 과중한 경화잔류응력을 감소시키고, 과중하게 함침된 수지를 제거할 수 있게 한다.
제 4공정은 가열블럭(112)에 수지가 함침된 광섬유센서구조체(100)를 통과시키면서 수지를 가열하여 경화(Curing)시킨다.
제 5공정은 경화된 광섬유센서구조체(100)를 당김(Pulling) 공정으로 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 잡아당기고 원하는 길이로 가공, 절단한다.
이와 같이 제조된 광섬유센서구조체(100)는 보강섬유(102) 및 광섬유센서(101)에 수지가 함침되어 경화된 구조를 가짐으로써 구조물의 외부에 부착시공시에도 안정된 시공을 가능하게 한다.
상기의 실시예로서 복합재 보강형 광섬유센서구조체(100)를 제작함에 있어, 원하는 길이로 가공, 절단하는 위치에 테프론, 스테인레스 등의 미세구경 튜브(103)를 미리 삽입하여 가공(도 7a 참조)하고, 그 위치를 절단한 후 FRP 피복(102)을 제거함으로서, 도 7b에서와 같이 센싱부만을 피복한 복합재 보강형 광섬유센서구조체(100)의 제조를 가능하게 한다.
이렇게 제조된 광섬유센서는 소정의 길이로 연결된 광섬유케이블과 연결됨으로서 기존 전기저항식 변형률센서와 같이 단독형(도 7c 참조)으로 구조체에 부착될 수도 있고, 여러개를 연결부착(도 7b 참조)함으로서 동시에 여러 측점을 계측할 수도 있게 한다.
또한 상기의 실시예로서 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어, 광섬유 암수 커넥터(104)를 연결한 상태에서 복합재 내부에 배설(도 8a 참조)하고, 경화 후 커넥터(104) 연결부위를 절단함으로서, 도 8b와 같이 단독형으로 구조체에 부착될 수도 있고, 도 8c와 같이 여러개를 연결부착할 수도 있다. 이는 소정의 원하는 위치에 부착시 커넥터의 연결만으로 쉽게 광섬유센서를 설치하고 연결할 수 있게 한다.
한편, 상기와 같은 구조의 광섬유구조체는 압축성형, 원심성형, 복합 기지가공, 컴파운드, 프리프레그, 프리폼, 라미네이션, 필라멘트 와인딩, 핸드 레이업, 사출성형, 라미네이션, 필라멘트 와인딩, 핸드 레이업, 사출성형, RRIM, RTM, 스프레이업, SRIM 등 다양한 방법으로 제조가 가능하다.
또 다른 실시예로서, 압축성형방법을 이용한 광섬유센서구조체의 제조방법을 이하에 설명한다.
상기에 기술된 인발성형에 의한 복합재 보강형 광섬유센서구조체는 일정 단면모양을 가지고 길이방향으로 긴 형태의 구조체를 제작함에 있어 유용한 방법이며, 압축성형에 의한 방법은 복잡한 형상으로도 제작이 가능하지만 길이방향으로는 길지 않은 형상의 구조체를 제작함에 있어 적절한 방법이다. 이러한 복합재 보강형 광섬유센서구조체는 사용목적에 따라서 그 제작방법은 다양한 방법으로 제조가 가능하다.
도 9를 참조하면, 먼저, 제 1공정으로서 가열된 하부금형(122)내에 장입제(charge)를 준비하고 배치한다. 장입제는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등의 보강섬유와, 하나 이상의 광섬유센서 케이블 그리고 불포화 폴리에스테르계 또는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지가 함침된 것으로서 섬유의 종류, 방향 ,형상 등은 조건에 따라 다양화될 수 있을 것이다.
제 2공정은 상/하부금형(121)(122)의 닫힘으로서, 일정속도로 금형이 천천히 닫히면서 가압하고 온도를 상승시킴으로서, 복합재가 성형되어 일정한 모양으로 가공되는 공정이다.
제 3공정은 경화공정으로 미리 정하여진 시간동안 금형을 닫은 채로 유지함으로서 소정의 형상으로 복합재 보강 광섬유센서구조체(100)를 제작할 수 있는 것이다.
상기의 압축성형에 의하여 도 10a와 같이 양단 광섬유 케이블 노출 또는 도 10b와 같이 양단 광섬유 커넥터 노출 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함으 로서 단독형 또는 여러개를 연결부착함으로서 한점 또는 동시에 여러 측점을 계측할 수도 있다.
또한 상기 인발성형, 압축성형 등에 의하여 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어, 도 11a와 같이 테프론, 스테인레스 등의 미세구경 튜브(103)를 미리 삽입하여 제작함으로서 매설된 튜브(103) 길이만큼의 평균 변형률을 측정할 수 있는 평균 측정형 광섬유센서구조체를 제작할 수 있고, 도 11b와 같이 미세구경 튜브(103)에 광섬유센서를 매설하되 한쪽 끝단은 고정하지 않은 느슨한 상태로 설치함으로서 온도 측정형 광섬유센서를 제작할 수 있다.
이렇게 제작된 복합재 보강형 광섬유센서구조체(100)는 교량, 댐, 터널, 레일 등에 직접 부착될 수도 있으며, 도 12에서 보는바와 같이 고정장치(130)에 의하여 부착면에 고정될 수 있다. 고정장치(130)는 부착하고자 하는 대상 구조물의 재질에 따라서 용접, 에폭시, 순간접착제 등에 의한 접착, 볼팅 등에 의하여 부착이 가능하다.
이러한 복합재 보강형 광섬유센서구조체는 다음과 같은 용도로 활용이 가능하다.
도 13에서와 같이 콘크리트(140) 내부에 매설되어 콘크리트 내부 변형률을 측정할 수 있다. 내부에 매설시는 도 13a와 같이 연속적인 하나의 복합재 보강형에 다절점 측정이 가능한 광섬유센서구조체(100)를 매설할 수도 있고, 도 13b와 같이 한점을 측정할 수 있는 광섬유센서구조체(100)를 철근(150) 등에 고정한 후 콘크리트(140)를 타설하여 교량, 빌딩, 댐과 같은 콘크리트 구조체의 내부 변형률을 측정 할 수 있다.
FRP(Fiber Reinforced Polymer 또는 Fiber Reinforced Plastic)란 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유, 응용 실리카 섬유, 세라믹 섬유, 폴리아미드 섬유 등을 주보강재로 하여 불포화 폴리에스테르계 또는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지를 함침 가공한 복합 구조재로서 알루미늄보다 가볍고 철보다 강한 내식, 내열 및 내부식성이 우수한 반영구적인 소재로 매우 큰 강도를 지니고 있으며, 건설 분야에서도 철근 대체용의 FRP rebar, 긴장재, 텐던, 파이프, 하수관 뿐만 아니라 교량 및 방파제와 같은 구조체로도 널리 그 사용이 확대되고 있는 신소재 플라스틱 제품이다.
최근들어 부식이 발생되지 않으며 반영구적인 기존 철근의 대체용으로 FRP rebar, 강재 케이블 및 텐던의 대체용으로 FRP 텐던 그리고 복합소재 교량 및 방파제 등 다양한 구조체로서의 FRP 활용에 관한 많은 시도가 있다.
이와같이 철근 대체용으로 FRP rebar를 제작함에 있어 FRP rebar 내부에 광섬유센서구조체를 삽입함으로서, 복합재 보강형 광섬유센서를 구성하여 철근 대용의 FRP rebar 사용만으로 콘크리트 내부의 변형률을 측정할 수 있다.
뿐만 아니라 FRP 텐던, FRP 행커 케이블을 제작함에 있어 광섬유센서구조체를 삽입함으로서 프리스트레싱 구조물의 긴장력 변화 뿐만 아니라, 사장교, 현수교 케이블 등의 장력 변화를 손쉽게 모니터링 할 수 있다.
또한 기존의 강재 텐던 및 행거 케이블(150)을 제작함에 있어, 도 14와 같이 복합재 보강형 광섬유센서구조체(100)를 동시에 묶어 제작함으로서 프리스트레싱 구조물의 긴장력 변화 뿐만 아니라, 사장교, 현수교 케이블 등의 장력 변화를 동시에 모니터링 할 수 있다.
또한 철탑의 OPGW, 광케이블 등 케이블 다발을 제작함에 있어 복합재 보강형 광섬유센서구조체(100)를 OPGW, 광케이블 등의 케이블을 일정하게 유지시켜 주는 심선으로 활용함으로서 장력변화 등을 측정하여 장기적인 유지관리에 활용할 수 있다.
또한 도 15에서와 같이 케이블, 와이어 형태의 장력변화, 교량, 댐, 터널 등과 같은 산업기간 시설물의 변형률, 레일, 파이프 라인 등과 같이 단면적에 비하여 길이방향이 매우 긴 구조체(160)의 변형률 등을 측정하는 목적으로 활용할 수 있다.
또한 도 16과 같이 사면, 터널과 같은 지반(170)에 지반 보강용 네일(nail;180)과 함께 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 매설함으로서 지반(170)의 내부 변형률을 측정할 수 있으며, 장기계측을 실시함으로서 사면붕괴 등을 사전에 감지하는 사면 또는 지반 모니터링 시스템으로도 활용이 가능할 것이다.
복합재 보강형 광섬유센서구조체를 이용한 산업기간시설물의 원격 모니터링 시스템은 도 17에서 보는바와 같이 교량 지지케이블등의 구조물에 설치된 복합재 보강형 광섬유센서구조체(100), 이를 측정하기 위한 데이터 로거(210), 그리고 데이터를 원격지의 관리자(220)에게 전송하기 위한 통신시스템으로 구성된다.
특히 원격 모니터링 시스템을 구성함에 있어 센서구조체(100)의 데이터를 취득할 수 있는 데이터 로거(210)의 수량을 줄여 시스템 구성시 장비의 효율성 향상 과 단가를 절감시키기 위하여 광학스위치(230)를 설치하여 순차적으로 데이터를 취득할 수 있다.
또한 광섬유센서구조체(100)는 절대값이 측정이 가능하고, 주변환경 변화에 거의 영향을 받지 않기 때문에 현장에는 광섬유센서구조체(100)만 설치해두고, 도 18에서와 같이 점검자가 일정 주기간격으로 점검시 포터블한 데이터 로거로(210) 데이터를 백업 받아올 수 있다.
한편, 상술한 광섬유센서구조체(100)는 도 19에 도시된 바와 같이, 상기 복합재 보강형 광섬유센서구조체(100)의 표면에 규사 코팅층(105)을 형성하여 콘크리트와의 부착력을 향상시킬 수 있도록 하였다.
또한, 도 20에 도시된 바와 같이, 상기 인발성형 및 압축성형에 의하여 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어, 하나의 복합재 보강형 광섬유센서에 온도측정용 센싱부(101b)와 변형률 측정용 센싱부(101a)를 동시에 설치하여 온도 뿐만 아니라 변형률도 동시에 측정이 가능하도록 하였다.
상술한 바와 같은 본 발명은 상기 본원의 정신과 범위를 이탈함이 없이 상기 실시예에 한정되지 아니하고 많은 변형을 가하여 실시될 수 있다.
상술한 바와 같은 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법은 보강섬유 및 수지의 함침으로 보강됨으로써 구조물의 표면 등에 부착시공시 외부충격에 의해서도 안정적 유지를 가능하게 하여 시공을 간편하게 한다.

Claims (14)

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  3. 외주면에 섬유보강플라스틱(FRP)이 피복된 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유, 실리카섬유, 세라믹 섬유, 폴리아미드등의 보강섬유중 선택된 적어도 하나의 보강섬유와 광섬유센서를 인출하여서 함께 열가소성수지에 함침하고,
    상기 보강섬유와 광섬유센서의 외주면에 피복된 열가소성수지가 일정형상을 가지도록 성형블럭에 통과시켜 일정형상으로 성형시키고,
    일정온도로 가열된 가열블럭에 통과시켜서 열가소성수지를 경화시키는 것을 특징으로 하는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 열가소성수지에 함침하기 이전에 상기 광섬유센서에 원하는 길이로 가공, 절단하는 위치에 테프론, 스테인레스 등의 미세구경 튜브를 삽입시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 열가소성수지를 경화시키는 단계 이후에 상기 튜브 위치에서 열가소성수지 및 튜브를 절단하는 단계와,
    상기 절단된 튜브 및 열가소성수지를 제거하는 단계를 더 포함하여서,
    일정간격의 광섬유 센싱부만을 피복한 복합재 보강형 광섬유센서를 제조하여 단독형으로 구조체에 부착될 수도 있고, 여러개를 연결부착함으로서 동시에 여러 측점을 계측할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 열가소성수지에 함침하기 이전에 상기 광섬유센서에 광섬유 암수 커넥터를 연결하는 단계와,
    상기 열가소성수지의 경화 후 커넥터 연결부위를 절단함으로서, 단독형으로 구조체에 부착될 수도 있고, 또는 여러개를 연결부착할 수도 있어, 소정의 원하는 위치에 부착시 커넥터의 연결만으로 쉽게 광섬유센서를 설치하고 연결할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법.
  6. 외주면에 섬유보강플라스틱(FRP)이 피복된 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제조하는 방법에 있어서,
    가열된 금형내에 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드 섬유 등의 보강섬유와, 하나 이상의 광섬유센서 케이블 그리고 불포화 폴리에스테르계 또는 에폭시 수지와 같은 열경화성 수지가 함침된 장입제(charge)를 준비, 배치시키고, 일정속도로 금형이 천천히 닫히면서 가압하고 온도를 상승시키고, 미리 정하여진 시간동안 금형을 닫은 채로 유지함으로서 소정의 형상으로 경화시킴을 특징으로 하는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법.
  7. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 인발성형 및 압축성형에 의하여 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어서, 테프론 또는 스테인레스의 미세구경 튜브를 미리 섬유보강플라스틱(FRP;102)내에 삽입하여 제작함으로서 매설된 튜브 길이만큼의 평균 변형률을 측정할 수 있는 평균 측정형 광섬유센서구조체를 제작할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법.
  8. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 인발성형 및 압축성형에 의하여 복합재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어, 미세구경 튜브에 광섬유센서구조체를 매설하되 한쪽 끝단은 고정하지 않은 느슨한 상태로 설치함으로서 온도 측정형 광섬유센서를 제작할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법.
  9. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 인발성형 및 압축성형에 의하여 복합 재 보강형 광섬유센서구조체를 제작함에 있어, 하나의 복합재 보강형 광섬유센서에 온도용과 변형률 측정용 센싱부를 동시에 설치하여 온도 뿐만 아니라 변형률도 동시에 측정이 가능하도록 한 것을 특징으로 하는 복합재 보강형 광섬유센서구조체의 제조방법.
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