KR101001104B1 - 대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 광섬유 브래그 격자센서（ｆｂｇ）의 부착장치 및 ｆｂｇ를 부착하는 방법 - Google Patents

대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 광섬유 브래그 격자센서（ｆｂｇ）의 부착장치 및 ｆｂｇ를 부착하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 테프론 막재(PTFE)와 재질이 다른 FBG 센서를 테프론 막재의 표면에 부착에 의하여 고정이 가능하도록 하고 테프론 막재의 표면에 고정된 FBG 센서에 의해 테프론 막재의 인장 변형을 상시 모니터링 하고 이를 측정하는 것이 가능하도록 하여 대공간 구조물에 발생 되는 구조적인 불안정을 미리 예측하여 구조적인 위험을 방지할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 FBG 센서를 패키지 형태로 고정시키거나 FEP Film를 385℃로 열융착시켜 터널형 또는 포켓형을 형성하여 에폭시 수지를 충진하여 고정시키는 구성이다.
테프론 막재와 재질이 다르면 부착이 불가능함에도 불구하고 이를 해결함으로써 대공간 구조물의 인장변형의 모니터링이 상시 가능하게 된 유용한 발명이다.
광섬유 브래그 격자(FBG)센서, 대공간 구조물, 테프론 막재(PTFE), FEP Film, FBG 센서패키지, 터널형

Description

대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 광섬유 브래그 격자센서（ＦＢＧ）의 부착장치 및 ＦＢＧ를 부착하는 방법 {Device attaching fiber bragg grating(FBG)sensors to PTFE membrane for monitoring of the movement of the spatial structure and method attaching FBG sensor to PTFE membrane}
본 발명은 대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 광섬유 브래그 격자센서(FBG; Fiber Bragg Grating Sensor)의 부착장치 및 FBG를 부착하는 방법에 관한 것이다.
현대 산업사회는 다양한 형태와 목적을 갖는 건축물의 건설을 요구하고 있다. 막의 하중 전달기구의 특성을 이용하는 막 구조는 그 특유의 조형성과 구조적 특성으로 인하여 이러한 목적에 대해서 성공적으로 그리고 계속적인 증가 추세로 그 사용의 범위가 날로 증가하고 있다. 이것은 막 구조가 공간창조의 다양성, 재료사용의 경제성에 관한 구조물 본연의 오래된 문제점을 해결하는 새로운 방안을 제공하기 때문이다. 또한, 이 구조방식은 재료의 투광성 때문에 내부공간이 밝고 경량성, 시공성 등에서도 이점이 있으며 전통적인 다른 구조 방식에 비교하여 동등 의 안전성과 내구성을 인정받고 있다. 따라서 이 구조시스템은 대규모 스타디움, 실내경기장과 같은 대공간 구조물의 주요한 구조 방식으로 널리 사용되고 있다.
이와 같이 대공간 구조물인 막 구조가 갖는 장점에도 불구하고 일반구조물과 마찬가지로 사후 유지관리가 필요하며 일정수명이 경과하면 보수보강이 요구된다.
대공간 구조물의 경우 작용하는 응력과 변형이 상대적으로 크므로 보수보강 시 상당한 주의를 기울여야하고 보수보강 시 발생할 수 있는 구조적인 불안정 문제를 엔지니어링을 통하여 사전에 시뮬레이션할 필요가 있다.
뿐만 아니라 막 구조는 지속적인 유지보수가 요구되며 다른 구조시스템에 비해 유지관리 비용이 많이 드는 것이 문제이다.
특히 막 구조는 두께가 얇기 때문에 아주 작은 압축력에도 금방 좌굴된다.
대공간 구조물에 발생 된 구조손상은 커다란 사회적 손실로 이어질 수 있으므로 구조적인 안전성을 위해 대공간 구조물의 모니터링 체계시스템은 필수적이다.
따라서 대형건축물에 대한 상시 감시 시스템을 구축하기 위하여 인장 구조물의 모든 부분에 변형률을 체크 하는 것이 중요하다.
본 발명은 광섬유센서를 막 구조에 부착하여 대공간 구조물의 변형률을 측정하고자 한 것이다. 다시 말하면 상시 모니터링 체계시스템을 구축하여 변형률을 체크 하고 대형건축물의 안전성을 확보하고자한 것이다.
막 구조(Membrane Structure)는 대공간 구조물의 한 분야로 코팅된 직물(coated fabric)을 주재료로 사용하여 초기장력을 줌으로써 막 자체에 인장력으로 힘을 전달할 수 있게 하는 형태저항형 대공간 구조를 말한다. 특히 구조체로서 막(membrane)에 인장력을 사용하여 구조물 외관의 강성을 줌으로써 외부하중에 대하여 안정된 형태를 유지하는 구조물을 말한다.
막은 2차원적 구조요소이지만 그 두께가 스팬에 비하여 아주 작기 때문에
"판 작용"은 무시된다. 이는 판응력이 무시되는 것을 의미한다. 즉, 막에는 휨과 전단응력이 거의 발생 되지 않는다.
막의 두께가 얇기 때문에 압축에 대한 지지력이 전혀 없다. 작은 압축력에도 금방 좌굴된다.
막에 가해진 인장에 의해서만 하중을 지지하게 되기 때문에 모든 방향에서 막의 인장응력은 막의 두께에 걸쳐서 고르게 분포된다.
형상해석을 위한 막의 형태는 도1a 및 도1b와 같다.
막 거동은 도1c에서와 같이 케이블작용과 같다. 즉, 곡면막에서 잘라낸 한 요소에서 수직방향으로 압력이 작용하고 그 요소의 처짐은 2방향으로 곡률을 일으키는 거동이다.
곡률 형태의 기하학적 성질에 의하여 막은 두 방향의 케이블 작용이라고 할 수 있다.
따라서 막에 의하여 지탱되는 전체 하중(P)은 2개의 케이블(T1-T1, T2-T2)로 지지된 하중의 합계와 같다.
막재의 종류는 유리섬유에 테프론(PTFE; Polytetra Fluoro Ethylene))이 코팅된 테프론(PTFE) 막재와, 폴리에스터(Poly Ester)에 폴리염화비닐(PVC; Poly Vinyle Chloride)이 코팅된 PVC막재와, 폴리에스터에 폴리염화비닐(PVC)을 코팅한 이후에 PVF 및 PVDF를 토핑(Topping)한 PVF막재 및 PVDF막재 등이 있다.
PVDF와, PVF와, 그리고 PTFE의 막재료가 갖는 특징은 표1과 같다.
표1. 막 재료들의 특징
Figure 112007079663901-pat00001
현재 일반적으로 가장 많이 사용되고 있는 막재는 유리섬유에 테프론이 코팅된 PTFE막재이다. PTFE막재는 다른 막재에 비해 두께나 인장강도 면에서 우수한 성질을 기지고 있기 때문이다.
테프론(PTFE) 막재의 부착방법에 대하여 설명한다.
테프론(PTFE) 막재의 부착은 FEP( Fluorinated ethylene propylene copolymer) Film을 사용한 열융착에 의하여 가능하다. FEP Film은 소결 시 유동성 물질로 변하면서 무공질의 피막을 형성한다.
FEP Film의 열융착에 의하여 테프론(PTFE) 막재를 부착시키는 것이 가능하다할지라도 이는 테프론 막재와 테프론 막재사이의 부착만 가능할 뿐이다.
테프론 막재와 다른 재질을 테프론 막재의 표면에 부착시키는 것은 불가능하다.
이것이 바로 FEP Film이 갖는 한계이다.
테프론 막재의 인장변형률을 상시 모니터링하기 위해서는 스트레인 계측부재를 테프론 막재에 부착시켜야하는 것은 말할 것도 없다.
그런데 스트레인 계측부재는 테프론 막재와 동일 재질이 아니기 때문에 부착이 불가능하다.
PTFE막재의 인장력과 변형을 계측하기위해서는 테프론 막재와 함께 거동되도 록 스트레인 계측부재를 테프론 막재 표면에 부착하여야한다.
종래의 거동계측에는 주로 스트레인 게이지가 사용되었다. 스트레인 게이지는 리드선이 길어지면 저항이 커져 측정값이 정확하지 못하고 계측의 어려움이 있다.
그리고 게이지의 개수만큼 리드선의 개수가 증가하고 내구성이 떨어지는 단점이 있다.
스트레인 게이지가 갖는 문제점 때문에 현재는 광섬유 브래그 격자 센서 (Fiber Bragg Grating Sensor; FBG 센서)를 구조물의 실험 계측이나 토목구조물 등의 계측에 사용하고 있다.
FBG 센서는 저항과 관계가 없으므로 길이에 영향을 받지 않는다. 한 가닥의 광섬유로 신호전달이 가능하기 때문에 구조가 간단하다. 여기에다 간단한 변형계산식만으로 구조물의 변위추정이 가능하다는 이점이 있다.
FBG 센서의 가장 큰 특징은 내구성이 크기 때문에 상시적인 계측이 가능하다는 점에 있다.
또 여기에다 FBG 센서는 전자기적 노이즈가 없고 전자식 센서에 비하여 정확도 및 신호 안전성이 뛰어나다. 광섬유는 250μm 직경이 소형경량이므로 구조물에 결함을 주지 않고 설치가 가능하고 80km까지 손실 없이 전송이 가능하여 장 스팬의 대공간 구조물의 계측시스템에 매우 적합하다.
FBG 센서의 장점은 다음과 같다.
⒜ 센서 자체가 고유한 파장값을 가지므로 토목구조물의 초기값 대비 누적변형을 측정할 수 있다
⒝ 전자 유도의 영향이 없어, 잡음이 없고 신뢰성과 계측 정밀도의 향상이 가능하다.
⒞ 한 개의 센서로 화재감지(온도센서), 침입자감지, 토목구조물의 건전성감시 등 여러 기능을 동시에 수행할 수 있다.
⒟ 한 가닥의 광섬유 케이블에 최대 30개 정도의 센서를 종속 접속할 수 있다.
⒠ 광섬유센서 방식은 전기식에 비해 측정거리를 10배 이상으로 연장할 수 있다.
⒡ 낙뢰의 영향이 없고 고전압, 강자계 환경에서도 사용이 가능하다.
⒢ 녹슬거나 부식이 없고, 내구성이 높으며, 발화의 위험이 없어 석유화학 등의 중요 플랜트 내에서도 안전하게 사용할 수 있다.
FBG 센서의 기본이론에 대하여 설명하면 다음과 같다.
광섬유의 측면에 248nm 근방의 자외선 레이저를 이용하여 간섭무늬를 형성하 면 그림 1과 같이 광섬유 코어에 주기적으로 굴절률이 변화하는 격자를 만들 수 있다. 브래그 격자라고 불리는 이 격자는 입사된 광폭 스펙트럼에서 식 (1)과 같은 브래그 조건(Bragg condition)에 의해서 결정된 파장 성분만을 격자부분에서 반사시키고 나머지 파장 성분은 통과시키는 특성을 갖는다.
식 (1)
Figure 112007079663901-pat00002
위 식에서
Figure 112007079663901-pat00003
는 광섬유 격자의 유효 굴절률이고
Figure 112007079663901-pat00004
는 광섬유 코어에 새겨진 격자의 간격(grating period)이다.
Figure 112007079663901-pat00005
그림 1. FBG센서System의 구성
식 (1)에서 알 수 있듯이 격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이고 유효 굴절률과 격자의 주기는 온도와 변형률의 함수이므로 광섬유 브래그 격자에 온도나 변형 등의 외란이 가해지면 이들 값이 변하여 브래그 파장은 달라진다.
브래그 조건에서 브래그 파장의 전미분을 취한 후 온도, 변형률과 굴절률, 격자 간격의 식을 대입하면 식 (2)를 얻을 수 있고 변화된 브래그 파장을 측정하면 식 (2)로부터 광섬유 브래그 격자에 가해진 온도나 변형률을 계산해 낼 수 있다.
식 (2)
Figure 112007079663901-pat00006
여기서,
Figure 112007079663901-pat00007
는 광탄성 상수(photo-elastic constant)이며 다음과 같이 표현된다.
식 (3)
Figure 112007079663901-pat00008
식 (2)에서
Figure 112007079663901-pat00009
는 광섬유의 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion, CTE)이고
Figure 112007079663901-pat00010
는 온도에 의한 광섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열광학 계수(thermo-optic coefficient)이다. 그리고, 식 (3)에서
Figure 112007079663901-pat00011
과
Figure 112007079663901-pat00012
는 스트레인 광학 텐서(strain-optic constant)의 성분이며
Figure 112007079663901-pat00013
는 코어의 유효 굴절률,
Figure 112007079663901-pat00014
는 광섬유의 프와송 비(possion's ratio)이다. 광탄성 상수
Figure 112007079663901-pat00015
는 게르마늄이 도우핑된 실리카 광섬유(gemanosilicate glass)인 경우 대략 0.22의 값을 가진다고 알려져 있으나 광섬유에 따라 다른 값을 가질 수 있으므로 정확한 변형률을 측정하기 위해 이 값의 측정이 요구된다. 식 (2)에서 만약, 센서들 간의 온도차이가 없다면
Figure 112007079663901-pat00016
으로 둘 수 있고 식 (4)와 같이 간단하게 변형률과 파장의 관계식을 얻을 수 있다.
식 (4)
Figure 112007079663901-pat00017
이 식을 이용하여 변형률을 구할 수 있다.
본 발명은 테프론 막재와, FBG 센서와, 그리고 FEP Film에 의한 열융착을 대상으로 이루어졌다.
이들 사이의 문제점은 FBG 센서는 테프론 막재와 동일재질이 아니기 때문에 FEP Film의 열융착에 의하여도 부착이 불가능하다는데 있다.
본 발명은 테프론 막재와 재질이 다른 FBG 센서를 부착에 의하여 테프론 막재의 표면에 고정이 가능하도록 함에 그 목적이 있고, 테프론 막재의 표면에 고정된 FBG 센서에 의해 테프론 막재의 인장 변형을 상시 모니터링하고 이를 측정하는 것이 가능하도록 하여 대공간 구조물에 발생되는 구조적인 불안정을 미리 예측하여 구조적인 위험을 방지할 수 있도록 함에 다른 목적이 있으며, 테프론 막재에 FBG 센서를 부착하는 부착구조가 간단하여 작업이 효율적이고 경제적이 되도록 함에 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 테프론 막재(10)에 FBG 센서(24)를 부착시키는 방식은 FBG센서 패키지(Package)(20)를 이용한 볼트(266a)접합방식과 FEP Film(56)의 열융착에 의한 접합방식이다.
먼저 FBG센서 패키지(Package)(20)를 이용한 볼트(266a)접합방식에 대하여 설명한다.
FBG센서 패키지(20)는 도2a~c에 도시된 바와 같이 FBG 센서(24)가 내장된 파이프(22)와, 그리고 파이프(22)를 고정시키는 부착구(26)로 이루어졌다.
부착구(26)에는 체결공(262)과, 삽입공(264)과 볼트공(266)이 형성되어있다. 부착구(26)의 볼트공(266)은 부착구(26)의 양 측면에 형성되어있다. 파이프(22)는 부착구(26)의 삽입공(264)에 삽입된다. 파이프(22)의 볼트공(222)은 부착구(26)의 볼트공(266)과 대응된 위치에 형성되어있다. 부착구(26)의 양측면에 형성된 볼트공(266)에 볼트(266a)를 삽입하여 부착구(26)의 삽입공(264)에 삽입된 파이프(22)를 고정시킨다. 부착구(26)의 체결공(262)은 관통되어있다.
FBG센서 패키지(20)를 테프론 막재(10)에 부착시키기 위하여 체결볼트(262a)가 통과할 정도의 크기로 테프론 막재(10)에 홀(12)이 천공되어있다.
FBG센서 패키지(20)를 테프론 막재(10)의 표면에 위치시킨 다음 체결볼트(262a)를 부착구(26)의 체결공(262)과 테프론 막재(10)에 홀(12)을 통과시키고 지그(30)의 볼트공(32)에 나사 조임하여 FBG센서 패키지(20)를 견고하게 고정한다. 체결볼트(262a)의 직경은 φ 2mm이다.
지그(30)에는 테프론 막재(10)에 의하여 지그(30)에 걸리는 하중을 분산시키기 위하여 하중분산편(34)이 형성되어있다.
다음으로 FEP Film(56)의 열융착에 의한 접합방식에 대하여 설명한다.
FBG 센서(24)는 테프론 막재(10) 표면에 도3a 및 도4a와 같이 부착한다.
FBG 센서(24)는 테프론 막재(10)와 동일재질이 아니므로 부착이 불가능하다.
FBG 센서(24)의 양단을 테프론 막재(10) 표면에 고정시키기 위하여 테프론 막재(10)를 이용하여 FEP Film(56)에 의한 열융착시키는 접합방식이다.
도3a~d에서와 같이 접합부재(50)는 테프론 막재(10)와 부착되는 양단 부착면(52)과, FBG 센서(24)가 관통하는 공간부(54)로 형성되어있다. 공간부(54)는 터널형이다. 접합부재(50)는 테프론 막재(10)와 동일재질이다.
도3b를 참조하면 접합부재(50)의 부착면(52)은 10mm x 10mm이고, 공간부(54)의 길이는 40mm이다.
이와 같이 이루어진 한 쌍의 접합부재(50)를 일정거리(그 거리는 대략, 100mm)에 위치시키고, 접합부재(50)의 부착면(52)을 FEP Film(56)를 사용하여 385℃로 열융착시킨다. 이때 FEP Film(56)은 테프론 막재(10) 사이에 위치되어있다.
FBG 센서(24)를 접합부재(50)의 공간부(54)를 관통시키고 FBG 센서(24)를 고정시키기 위하여 접합부재(50)의 공간부(54)를 에폭시수지(58)로 채워 고정지점을 형성시킨다.
여기서 테프론 막재(10)의 표면 형태는 수직 수평으로 짜여진 직조이므로 마찰표면이 형성되어있다.
에폭시 수지(58)는 테프론 막재(10)의 표면과 접합부재(50)가 이루고 있는 공간부(54)에 충진된다. FBG 센서(24)의 양단은 충진된 에폭시 수지(58)에 매설되 어있기 때문에 FBG 센서(24)의 양단고정이 가능하게 된다.
접합부재(50)는 테프론 막재(10)와 부착되는 양단 부착면(52)과, FBG 센서(24)가 관통하는 공간부(54)로 형성되어있다. 공간부(54)는 터널형이다
접합부재(50)의 터널형 공간부(54a)를 포켓형 공간부(54b)로 만들어도 무방하다. 포켓형 공간부(54b)는 도4a~d에 도시되어있다.
접합부재(50)의 양단 부착면(52)을 FEP Film(56)를 사용하여 385℃로 열융착시킬 때 양 끝면과 함께 뒷면까지 부착시키고 포켓형 공간부(54b)에다 에폭시 수지(58)를 충진하여 FBG 센서(24)의 양단을 고정시킨다. FBG 센서(24)의 양단을 고정하는 방식은 포켓형이나 터널형이나 동일하다. 다만 공간부(54)가 터널형이냐 포켓형이냐의 차이만 있을 뿐이다.
터널형 접합부재(50)를 테프론 막재(10)의 표면에 FEP Film(56)의 열융착에 의하여 부착하는 과정은 다음과 같다.
⒜ FBG 센서(24)를 테프론 막재(10)에 설치할 위치를 계획하고 표시하는 단계;
⒝ 양단 부착면(52)과 터널형 공간부(54a)가 형성되도록 테프론 막재(10)로부터 접합부재(50)를 재단하는 단계;
⒞ 접합부재(50)의 부착면(52)과 테프론 막재(10) 표면사이에 FEP Film(56)를 개재시키고 FEP Film(56)를 385℃로 열융착시켜 터널형 공간부(54a)를 형성하는 단계;
⒟ FBG 센서(24)를 터널형 공간부(54a)를 관통시켜 평평하게 일직선으로 위치시키는 단계;
⒠ 에폭시수지(58)를 터널형 공간부(54a)에 충진시켜 FBG 센서(24)의 양단을 고정시키는 단계;
⒡ ⒞~⒠를 반복하여 테프론 막재(10)에 FBG 센서(24)를 부착시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 FBG 센서를 부착하는 방법이다.
포켓형 접합부재(50)를 테프론 막재(10)의 표면에 FEP Film(56)의 열융착에 의하여 부착하는 과정은 다음과 같다.
⒜ FBG 센서(24)를 테프론 막재(10)에 설치할 위치를 계획하고 표시하는 단계;
⒝ 양단 부착면(52)과 포켓형 공간부(54b)가 형성되도록 테프론 막재(10)로부터 접합부재(50)를 재단하는 단계;
⒞ 형성될 포켓형 공간부(54b)를 관통시켜 FBG 센서(24)를 평평하게 일직선으로 위치시키는 단계;
⒟ 접합부재(50)의 부착면(52) 및 포켓부의 양끝과 테프론 막재(10) 표면사이에 FEP Film(56)를 개재시키고 FEP Film(56)를 385℃로 열융착시켜 포켓형 공간부(54b)를 형성하는 단계;
⒠ 에폭시수지(58)를 포켓형 공간부(54b)에 충진시켜 FBG 센서(24)의 양단을 고정시키는 단계;
⒡ ⒞~⒠를 반복하여 테프론 막재(10)에 FBG 센서(24)를 부착시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 FBG 센서(24)를 부착하는 방법이다.
테프론(PTFE) 막재의 표면에 정밀도가 높고 내구성이 뛰어난 FBG 센서를 부착하여 상시 테프론(PTFE) 막재의 인장 변형율의 모니터링이 가능하게 되어 대공간 구조물에 발생되는 구조적인 불안정을 미리 예측하여 방지할 수 있게 될 뿐만 아니라 이로 인한 사회적 손실을 예방할 수 있게 된다.
테프론(PTFE) 막재와 재질이 다른 FBG 센서의 부착이 불가능한 것을 간단한 부착구조로 가능하게 한 것일 뿐 아니라 부착방법이 아주 간단하여 작업이 효율적이고 경제적이다.
대공간 구조물인 인장 구조물의 하나의 단위인 막과 케이블 실험체를 제작하였고 막 재료인 테프론 막재(10)에 FBG센서(24)를 부착하여 하중재하 시험을 수행하였다.
1) 실험체 계획 및 가력 계획
실험체는 그림 2와 같은 형태이다.
일반 막 구조물의 장력 및 형태를 구현하기 위하여 300㎏／㎡의 초기장력을 주입하였고, 케이블 역할을 위하여 각 변에 스틸 판으로 마감하였다.
Figure 112007079663901-pat00018
그림 2. 실험체의 형태 및 재하 위치
Figure 112007079663901-pat00019
그림 3. FBG센서 Pakage 의 장착 위치
실험체의 모니터링을 위한 FBG센서 패키지(20)의 장착 위치는 그림 3과 같다. 하중 작용 시 각 부분의 계측을 위하여 수직, 수평, 사선 방향으로 장착하였고, 하중 작용점에 대한 거리도 고려하여 배치하였다. 하중점은 실험체의 중심으로부터 왼쪽으로 3cm떨어진 지점으로 하였다. 하중재하방법은 10.78N, 20.58N, 40.18N, 59.78N의 하중을 순차적으로 주어 실험결과를 도출하였다.
2) 실험결과 및 고찰
인장 구조물의 막 재료인 테프론 막재(10)는 면에 직접적인 접합이 가능하지 못하기 때문에 일반적인 스트레인 게이지와의의 비교실험이 안 된다. FBG센서(24) 의 비교실험이 아닌 FBG센서(24)가 테프론 막재(10)의 상시 계측이용에 가능한지에 대한 사용성, 정확성을 입증하기 위하여 그림6과 같은 변형율-시간의 관계를 얻었다.
Figure 112007079663901-pat00020
그림 4. FBG 센서의 시간-변형율 관계
그림 4의 결과에서 알 수 있듯이 하중재하 점에 가까운 위치에 있는 FBG 센서(24)가 가장 큰 변형율 값을 가지게 됨을 알 수 있다. T.S는 온도 센서이고 온도의 영향을 거의 받지 않았다는 것을 알 수 있다. 위치 뿐만 아니라, 하중재하 점에 대한 FBG 센서(24)의 방향에 대해서 변형율의 차이를 잘 알 수 있다. 그림 4의 결과에서 보면 하중재하 시 마다 큰 노이즈 없이 안정화가 빠르게 되는 것을 알 수 있다.
Figure 112007079663901-pat00021
그림 5. FBG 센서 3의 시간-파장 관계
그림 5는 320-450sec구간의 브래그 파장 결과이다. 시간과 비례하여 점차 파장이 수렴된다. 일반적으로
±1pico, 즉 ±1×10-3㎚일 경우 수렴이라고 한다. 결과적으로 그림 5의 결과로 보아 파장의 수렴이 안정적임을 알 수 있다. 이런 센서들을 활용한다면 실시간 모니터링이 가능하다. Sens 3의 초기 압축 변형율은 이론상 인장을 받아야 하지만, 실험상 진동으로 인해 나타난 것으로 생각된다.
표 2를 보면 각 센서의 하중재하 시에 변형율 및 브래그 파장 값을 알 수 있다.
표 2. 각 Sensor의 변형율 및 λB
Figure 112007079663901-pat00022
Figure 112007079663901-pat00023
그림 6. FBG 센서의 변형율-하중 관계
그림 6은 하중-변형율 관계이다.
하중의 재하에 따른 변형율은 각 FBG센서(24)에 따라 다르다. 이유는 각 FBG센서(24)의 하중재하 점에 대한 위치 및 방향이 다르기 때문이다. Sens 4의 변형율이 최대 하중시에 가장 크고, Sens 3의 압축 변형율은 실험 시에 진동이 요인이라 생각한다. 이 실험의 하중은 10.78N, 20.58N, 40.18N, 59.78N이고, 하중을 순차적으로 증가시켰다. 각 하중의 차이 값을 고려하였을 때 큰 값이 아님에도 FBG센서(24)의 민감성을 시각적으로 확인할 수 있다. FBG센서(24)는 정밀하고 정확한 계측을 가능하게 한다. 결과적으로 외력작용 시에 보다 정밀한 계측 값을 받을 수 있다.
각 하중재하 시에 FBG센서(24)의 변화는 일반적으로 브래그 파장의 변화이 다. 이 브래그 파장의 변화에 의해 부재의 변형율을 구해낼 수 있기 때문이다. 그림 7에서 그림 11은 브래그 파장-하중의 관계이다.
Figure 112007079663901-pat00024
그림 7 . FBG 센서 1의 파장-광출력-하중 관계
Figure 112007079663901-pat00025
그림 8 . FBG 센서 2의 파장-광출력-하중 관계
Figure 112007079663901-pat00026
그림 9 . FBG 센서 3의 파장-광출력-하중 관계
Figure 112007079663901-pat00027
그림 10 . FBG 센서 4의 파장-광출력-하중 관계
Figure 112007079663901-pat00028
그림 11 . FBG 온도 센서의 파장-광출력-하중 관계
각 FBG센서(24)별로 각자의 브래그 파장의 변화가 다르다. 이 브래그 파장의 변화는 각 FBG센서(24)의 변형율과 비례한다. Sens 5의 파장의 변화가 가장 큼을 알 수 있는데 이것은 변형율이 비례하여 가장 큼을 알 수 있다. 이런 브래그 파장의 변화로 실험체 각 부분의 변형율을 알 수 있다.
FBG센서(24)의 브래그 파장-하중의 관계를 두 가지로 해석 가능하다. 각 FBG센서(24)는 각자의 고유의 위치를 지닌다. 그러므로 각 센서로부터 취득된 브래그 파장의 변화 및 신호의 세기, 신호 검출 시간 등을 통해 대략적인 충격 위치와 충격의 종류를 판단 가능할 것이다. 또한 인장 구조물에 어떤 외력 작용 시에 그 외력에 대한 브래그 파장을 수신하여 변형율을 계측할 수 있는 시스템이 형성 가능할 것이다.
3) 결론
실시예에서는 대공간 구조물인 인장 구조물의 하나의 단위인 막과 케이블 실험체를 제작하였고 막 재료인 테프론 막재(10)에 FBG센서(24)를 부착하여 하중재하 시험을 수행하였다. 시험을 수행한 결과 막재의 외력에 대한 연속적이고 민감하며 정확한 계측이 가능했다. 그러므로 장 스팬의 대공간 구조물에 계측용 센서로 사용할 경우, 실시간의 장기적이고 안정적인 계측이 가능하다.
도1a 막의 형태를 나타낸 사시도
도1b 막을 해석하기위한 막의 형태
도1c 막의 거동모델
도2a FBG 센서의 패키지 구조를 나타낸 분해사시도
도2b 도2a의 결합사시도
도2c 도2b의 A-A, 단면도
도3a 테프론 막재 표면에 FBG 센서를 터널형 접합부재에 의하여 부착한 상태를 나타낸 사시도
도3b~도3d 도3a를 접합하는 과정을 나타낸 상태도
도4a 테프론 막재 표면에 FBG 센서를 포켓형 접합부재에 의하여 부착한 상태를 나타낸 사시도
도4b~도4d 도4a를 접합하는 과정을 나타낸 상태도
<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
100; 막 구조
10; 테프론 막재
12; 홀
20; FBG 센서 패키지
22; 파이프 222; 볼트공
24; FBG 센서
26; 부착구 262; 체결공 262a; 체결볼트 264; 삽입공
266; 볼트공 266a; 볼트
30; 지그 32; 볼트공 34; 하중분산편
50; 접합부재
52; 부착면 54; 공간부 54a; 터널형 공간부 54b; 포켓형 공간부
56; FEP Film
58; 에폭시 수지

Claims (3)

  1. 테프론 막재(10)의 표면에는 FBG센서 패키지(20)가, 그 막재의 후면에는 FBG센서 패키지(20)에 대응되게 지그(30)가 위치되고, FBG센서 패키지(20)의 체결은 체결볼트(262a)에 의하여 지그(30)와 견고하게 체결되며, FBG센서 패키지(20)는 FBG 센서(24)가 내장된 파이프(22)와, 그리고 파이프(22)를 고정시키는 부착구(26)로 이루어지고, 부착구(26)에는 체결공(262)과, 삽입공(264)과, 볼트공(266)이 형성되어있으며, 지그(30)에는 부착구(26)의 체결공(262)에 삽입된 체결볼트(262a)가 나사ㆍ고정되는 볼트공(32) 및 하중분산편(34)이 형성되어있음을 특징으로 하는 대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 광섬유 브래그 격자센서(FBG)의 부착장치
  2. ⒜ FBG 센서(24)를 테프론 막재(10)에 설치할 위치를 계획하고 표시하는 단계;
    ⒝ 양단 부착면(52)과 터널형 공간부(54a)가 형성되도록 테프론 막재(10)로부터 접합부재(50)를 재단하는 단계;
    ⒞ 접합부재(50)의 부착면(52)과 테프론 막재(10) 표면사이에 FEP Film(56)를 개재시키고 FEP Film(56)를 385℃로 열융착시켜 터널형 공간부(54a)를 형성하는 단계;
    ⒟ FBG 센서(24)를 터널형 공간부(54a)를 관통시켜 평평하게 일직선으로 위치시키는 단계;
    ⒠ 에폭시수지(58)를 터널형 공간부(54a)에 충진시켜 FBG 센서(24)의 양단을 고정시키는 단계;
    ⒡ ⒞~⒠를 반복하여 테프론 막재(10)에 FBG 센서(24)를 부착시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 FBG 센서(24)를 부착하는 방법
  3. ⒜ FBG 센서(24)를 테프론 막재(10)에 설치할 위치를 계획하고 표시하는 단계;
    ⒝ 양단 부착면(52)과 포켓형 공간부(54b)가 형성되도록 테프론 막재(10)로부터 접합부재(50)를 재단하는 단계;
    ⒞ 형성될 포켓형 공간부(54b)를 관통시켜 FBG 센서(24)를 평평하게 일직선으로 위치시키는 단계;
    ⒟ 접합부재(50)의 부착면(52) 및 포켓부의 양끝과 테프론 막재(10) 표면사이에 FEP Film(56)를 개재시키고 FEP Film(56)를 385℃로 열융착시켜 포켓형 공간부(54b)를 형성하는 단계;
    ⒠ 에폭시수지(58)를 포켓형 공간부(54b)에 충진시켜 FBG 센서(24)의 양단을 고정시키는 단계;
    ⒡ ⒞~⒠를 반복하여 테프론 막재(10)에 FBG 센서(24)를 부착시키는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 대공간 구조물의 상시 모니터링을 위한 FBG 센서(24)를 부착하는 방법
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