KR101978467B1 - 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서 및 방법 - Google Patents

탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서 및 방법 Download PDF

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박영빈
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은, 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 내부에 복수의 전극들을 배치하고, 상기 복수의 전극들간에 형성된 복수의 채널들에서 저항 변화 비율을 구하여, 상기 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 구간의 데이터를 이용하여, 균열 길이 변화를 지속적으로 예측할 수 있는 효과가 있다.

Description

탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서 및 방법{Sensor and method for detecting crack propagation of CFRP structures}
본 발명은 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전시 저항 변화 거동을 이용하여, 인장 길이에 따른 균열 진전을 감지할 수 있는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 탄소섬유강화플라스틱(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 탄소섬유를 강화재로 사용하는 복합재료이다. 탄소섬유강화플라스틱은 고강도, 고강성의 경량 구조재로서 비행기, 자동차, 로봇 등 다양한 분야에 활발하게 이용되고 있다. 비행기, 자동차, 로봇 등 다양한 구조물은 높은 안정성이 요구되는 구조체이기 때문에, 손상을 검출할 수 있는 기술에 대한 관심이 증대되고 있다.
종래에는 구조물과 별도로 변형이나 손상을 측정할 수 있는 센서 등을 추가적으로 설치하여 검사하고자 하는 특정 부분의 검사를 실시하거나, 음향 센서 등 검사 장비를 통해 스캔 하거나, 육안 등으로 손상 여부를 판단하였다.
그러나, 센서를 추가 설치하는 경우 비용이 많이 드는 문제점이 있을 뿐만 아니라, 검사 대상이 되는 부분이 매우 광범위하므로 센서의 설치에는 한계가 있다. 또한, 검사 장비를 이용하거나 육안으로 검사할 경우 이미 파손이나 손상이 발생된 이후에서야 확인이 가능하기 때문에 안전성 확보에 문제점이 있다.
또한, 균열 진전을 미리 예측할 수 없는 문제점이 있다.
한국등록특허 10-1610710
본 발명의 목적은, 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 인장 변형시 저항 변화를 측정하여 균열 진전을 예측할 수 있는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 복수의 탄소섬유강화플라스틱 시트들이 적층되고, 내부 상,하측에서 서로 소정간격 이격된 위치에 상호간에 복수의 채널들을 형성하도록 복수의 전극들이 구비된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법에 있어서, 실험을 통해 복수의 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물들의 각 단부에 상,하방향으로 인장력을 가하여, 균열 진전에 따른 상기 채널들의 저항 변화 패턴과 인장 길이를 측정하고, 상기 저항 변화 패턴으로부터 균열 발생시점부터 상기 인장 길이에 따라 선형적으로 증가하는 저항의 관계를 나타내는 제1선형식을 도출하고, 상기 균열의 길이를 측정하여, 상기 인장 길이에 따른 상기 균열의 길이 변화를 나타내는 제2선형식을 도출하여, 데이터베이스로 구축하는 단계와; 균열 진전을 감지하고자 하는 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 내부에 형성된 상기 복수의 채널들에 대해 저항 변화를 측정하는 단계와; 제어부는 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 채널을 균열이 지나간 균열 감지용 채널로 검출하는 단계와; 상기 제어부는 상기 균열 감지용 채널이 검출되면, 상기 균열 감지용 채널에서 구한 저항 변화 비율을 상기 제1선형식에 대입하여 상기 제1선형식으로부터 상기 저항 변화 비율에 따른 인장 길이를 산출하는 단계와; 상기 인장 길이를 산출하면, 상기 인장 길이를 상기 제2선형식에 대입하여 상기 제2선형식으로부터 상기 인장 길이에 따른 균열 길이를 산출하는 단계와; 상기 균열 감지용 채널의 저항 변화 비율을 구하여, 상기 저항 변화에 따른 균열 길이의 변화를 감지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법은, 복수의 탄소섬유강화플라스틱 시트들이 적층되고, 내부 상,하측에서 서로 소정간격 이격된 위치에 상호간에 복수의 채널들을 형성하도록 복수의 전극들이 구비된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법에 있어서, 실험을 통해 복수의 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물들의 각 단부에 상,하방향으로 인장력을 가하여, 균열 진전에 따른 상기 채널들의 저항 변화 패턴과 인장 길이를 측정하고, 상기 저항 변화 패턴으로부터 균열 발생시점부터 상기 인장 길이에 따라 선형적으로 증가하는 저항의 관계를 나타내는 제1선형식을 도출하고, 상기 균열의 길이를 측정하여, 상기 인장 길이에 따른 상기 균열의 길이 변화를 나타내는 제2선형식을 도출하여, 데이터베이스로 구축하는 단계와; 균열 진전을 감지하고자 하는 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 내부에 형성된 복수의 채널들에 대해 저항 변화를 측정하는 단계와; 제어부는 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 감소하는 채널을 균열 직전 채널로 검출하고, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 감소하다가 증가하는 채널을 균열이 지나가는 균열 통과 채널로 검출하고, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 채널을 균열이 지나간 균열 감지용 채널로 검출하는 단계와; 상기 제어부는 상기 균열 직전 채널이 검출되면, 상기 균열 직전 채널의 위치로부터 상기 균열의 위치를 도출하는 단계와; 상기 제어부는 상기 균열 통과 채널이 검출되면, 상기 균열 통과 채널의 위치로부터 상기 균열의 위치를 도출하는 단계와; 상기 제어부는 상기 균열 감지용 채널이 검출되면, 상기 균열 감지용 채널에서 구한 저항 변화 비율을 상기 제1선형식에 대입하여 상기 제1선형식으로부터 상기 저항 변화 비율에 따른 인장 길이를 산출하는 단계와; 상기 인장 길이를 산출하면, 상기 인장 길이를 상기 제2선형식에 대입하여 상기 제2선형식으로부터 상기 인장 길이에 따른 균열 길이를 산출하는 단계와; 상기 균열 감지용 채널의 저항 변화 비율을 구하여, 상기 저항 변화에 따른 균열 길이의 변화를 감지하는 단계를 포함하고, 상기 제1,2선형식은 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도, 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물에 가해지는 에너지 해방율에 따라 다르게 도출되어 저장된다.
본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서는, 복수의 탄소섬유강화플라스틱 시트들이 적층되어 형성된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 내부 상,하측에서 서로 소정간격 이격된 위치에 상호간에 복수의 채널들을 형성하도록 구비된 복수의 전극들과; 상기 복수의 전극들에 각각 연결된 전선들과; 상기 복수의 채널들의 저항 변화를 측정하는 저항측정모듈과; 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도, 에너지 해방율에 따라 상기 복수의 채널들의 저항 변화 패턴들이 미리 저장되고, 상기 저항 변화 패턴들로부터 균열 발생 시점으로부터 인장 길이에 따라 선형적으로 증가하는 저항의 관계를 나타내는 제1선형식이 저장되고, 상기 인장 길이와 균열의 길이 관계를 나타내는 제2선형식이 저장된 데이터베이스와; 상기 저항측정모듈에서 저항 변화를 측정하면, 상기 데이터베이스에 저장된 저항 변화 패턴과 비교하여, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 채널을 균열 감지용 채널로 설정하고, 상기 균열 감지용 채널에서 구한 저항 변화 비율을 상기 제1선형식에 대입하여 상기 제1선형식으로부터 상기 저항 변화 비율에 따른 인장 길이를 산출하고, 상기 인장 길이를 산출하면, 상기 인장 길이를 상기 제2선형식에 대입하여 상기 제2선형식으로부터 상기 인장 길이에 따른 균열 길이를 산출하고, 상기에서 산출된 균열 길이와 상기 균열 감지용 채널의 위치로부터 상기 균열의 위치를 도출하고, 상기 균열 감지용 채널에서 구하는 저항 변화 비율을 이용하여 상기 균열의 진전을 판단하는 제어부를 포함한다.
본 발명은, 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 내부에 복수의 전극들을 배치하고, 상기 복수의 전극들간에 형성된 복수의 채널들에서 저항 변화 비율을 구하여, 상기 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 구간의 데이터를 이용하여, 균열 길이 변화를 지속적으로 예측할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 구간의 데이터로부터 인장 길이와 저항 변화 비율의 관계를 나타내는 제1선형식과, 상기 인장 길이와 균열 길이를 나타내는 제2선형식을 도출하여 데이터베이스로 구축함으로써, 실제 적용시에는 저항 변화 비율만을 구하여 상기 인장 길이와 상기 균열 길이를 모두 산출할 수 있는 이점이 있다.
또한, 상기 복수의 채널들 중에서 상기 균열이 통과하여 지나간 채널의 저항 변화 비율만을 관찰하여, 균열 길이 변화를 예측할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 균열을 자체 감지할 수 있는 탄소섬유강화플라스틱 구조물을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 인장 길이에 따른 저항 변화 비율의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 인장 길이에 따른 균열 길이의 일 예를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 전기 저항 등가 회로로 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 균열을 자체 감지할 수 있는 탄소섬유강화플라스틱 구조물을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 탄소섬유강화플라스틱 구조물(10)은, 복수의 탄소섬유강화플라스틱 시트들이 적층되어 형성된다.
상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물(10)은 빔 형상으로 형성된 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물(10)의 내부 상측에는 서로 소정간격 이격되게 복수의 상부 전극들(11)(12)(13)(14)이 구비되고, 내부 하측에도 서로 소정간격 이격되게 복수의 하부 전극들(15)(16)(17)(18)이 구비된다. 상기 상부 전극들(11)(12)(13)(14)간의 이격 거리는 상기 하부 전극들(15)(16)(17)(18)간의 이격 거리와 동일하게 설정된다. 또한, 상기 이격 거리가 미리 설정된 설정 거리 이상으로 확보되어야 후술하는 채널들에서 측정하는 저항 변화 패턴이 균열이 지나간 이후 균열 진전에 따른 선형 증가 패턴을 얻을 수 있다.
상기 상부 전극들(11)(12)(13)(14)과 상기 하부 전극들(15)(16)(17)(18)은 각각 상하방향으로 서로 대응되게 배치된다. 상기 상부 전극들(11)(12)(13)(14)과 상기 하부 전극들(15)(16)(17)(18)은 두 개씩 쌍을 이루어 채널을 형성한다.
본 실시예에서는, 상기 상부 전극들(11)(12)(13)(14)은 4개의 제1,2,3,4전극들(11)(12)(13)(14)이고, 상기 하부 전극들(15)(16)(17)(18)도 4개의 제5,6,7,8전극들(15)(16)(17)(18)인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 제1,2,3,4,5,6,7,8전극들(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)에는 각각 전선이 연결되어, 상기 전선은 후술하는 저항측정모듈(미도시)에 연결된다.
상기 채널은, 상기 제1전극(11)과 상기 제5전극(15)을 전기적으로 연결하는 제1채널(C1)과, 상기 제2전극(12)과 상기 제6전극(16)을 전기적으로 연결하는 제2채널(C2)과, 상기 제3전극(13)과 상기 제7전극(17)을 전기적으로 연결하는 제3채널(C3)과, 상기 제4전극(14)과 상기 제8전극(18)을 전기적으로 연결하는 제4채널(C4)을 포함한다.
또한, 상기 채널은, 상기 제1전극(11)과 상기 제2전극(12)을 전기적으로 연결하는 제5채널(C5)과, 상기 제2전극(12)과 상기 제3전극(13)을 전기적으로 연결하는 제6채널(C6)과, 상기 제3전극(13)을 상기 제4전극(14)과 전기적으로 연결하는 제7채널(C7)을 포함한다.
상기 제1,2,3,4채널(C1)(C2)(C3)(C4)은, 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물(10)의 내부에서 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물(10)의 길이방향에 수직한 상하방향으로 형성된다.
상기 제5,6,7채널(C5)(C6)(C7)은, 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물(10)의 내부 상측에서 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물(10)의 길이방향으로 형성된다.
다만, 이에 한정되지 않고, 상기 채널은 상기 제5,6,7,8전극들(15)(16)(17)을 서로 연결하는 채널을 포함하는 것도 가능하다.
상기와 같이 구성된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법에 대해서 설명한다.
먼저, 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물에 대해 복수의 실험들을 통해 인장 길이와 저항 변화를 나타내는 데이터와, 인장 길이와 균열 길이를 나타내는 데이터를 구축한다.
상기 실험의 입력 변수는, 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도와 에너지 해방율(Energy release rate)을 포함한다.
여기서, 에너지 해방율은 실험(delamination test)을 진행할 때 특정 인장 길이 및 특정 인장력 대비 크랙 진전도를 비교하는 척도이다. 즉, 같은 인장 길이 및 인장력일 때 에너지 해방율이 크면 크랙 진전이 더 많이 되는 것이다. 각 물질의 에너지 해방율을 알면 동일 인장 길이 대비 크랙 진전도를 비교할 수 있다. 따라서, 상기 입력 변수는 전기 전도도와 에너지 해방율을 포함한다.
상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도는, 상기 탄소섬유의 종류, 크기, 적층 수에 따라 조절할 수 있다.
따라서, 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도와 상기 에너지 해방율에 따라 다른 데이터가 구축된다.
상기 실험에서 측정값은, 각 채널에서의 저항 값(Rm), 인장 길이, 균열 길이를 포함한다.
상기 저항 변화 비율((Rm-Ri)/Ri)은 저항 측정 모듈(미도시)을 통해 실시간으로 측정한 저항값(Rm)과 초기 저항값(Ri)을 통해 계산하여 구할 수 있다.
상기 인장 길이는 인장 실험 장비를 통해 측정할 수 있고, 상기 균열 길이는 사진을 찍어 픽셀 단위로 이미지 분석을 하여 측정할 수 있다.
상기 실험에 대한 데이터는, 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도와 에너지 해방율에 따라 다르게 측정되어 데이터베이스에 저장된다.
도 2를 참조하면, 상기 실험을 통해 상기 저항측정모듈(미도시)에서 상기 제1,2,3,4,5,6,7채널(C1~C7)에서 측정한 저항 값과 그에 따라 계산된 저항 변화 비율을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 상기 균열의 길이가 제1길이(L1)이면, 상기 균열이 상기 제1채널(C1)을 지나간 이후이고, 상기 제2채널(C2)에 접근하기 이전 상태를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 상기 균열이 상기 제1채널(C1)을 통과하여 지나간 이후에는 상기 제1채널(C1)에서 구한 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 균열이 통과하여 지나간 채널에서는 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하게 나타난다.
한편, 상기 제2채널(C2)의 저항 변화 비율을 살펴보면 다음과 같다.
상기 균열이 제2길이(L2)로 진전하여, 상기 균열이 상기 제2채널(C2)을 통과하기 직전 상태이면, 상기 제2채널(C2)에서 구한 저항 변화 비율이 일시적으로 감소하는 것(A)을 알 수 있다.
즉, 상기 균열이 발생하기 직전에 위치한 채널에서 구한 저항 변화 비율은 감소하는 경향을 알 수 있다.
따라서, 제어부는 상기 저항 변화 비율이 감소하는 것으로 측정되는 채널은 균열 직전 채널로 판단할 수 있다.
이후, 상기 균열이 상기 제2채널(C2)을 통과하면, 상기 제2채널(C2)에서 구하는 저항 변화 비율은 감소와 증가를 반복하는 것과 유사하게 약간의 떨림 현상을 나타낸 후 다시 증가한다.
따라서, 상기 제어부는 상기 저항 변화 비율이 감소하다가 증가하는 것으로 측정되는 채널은 균열 통과 채널로 판단할 수 있다.
이후, 상기 균열이 제3길이(L3)로 진전하여, 상기 균열이 상기 제2채널(C2)은 통과하고 상기 제3채널(C3)을 통과하기 직전 상태이면, 상기 제2채널(C2)에서 구하는 저항 변화 비율은 선형적으로 증가한다.
이후, 상기 균열이 상기 제3채널(C3)을 통과하면, 상기 제3채널(C3)에서 구하는 저항 변화 비율은 증가와 감소를 반복하여 약간의 떨림 현상을 나타낸 후 다시 증가한다.
상기와 같은 실험을 통해, 상기 복수의 채널들 중에서 상기 균열이 접근하여 상기 균열이 통과하기 직전 상태의 채널에서는 저항 변화 비율이 일시적으로 감소하고(A), 상기 균열이 통과할 때는 상기 저항 변화 비율이 떨리면서 다시 증가하며, 상기 균열이 통과하여 지나간 이후에는 상기 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 패턴을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 특정 채널에서 상기 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 시점이 상기 특정 채널의 균열 발생 시점으로 볼 수 있다.
상기와 같이 실험을 통해 얻은 상기 복수의 채널들에서 각각 얻은 저항 변화 패턴은 상기 데이터베이스에 저장된다.
또한, 상기 실험에서는 상기 인장 길이도 측정하여, 상기 저항 변화 비율을 상기 인장 길이에 대한 데이터로 저장한다.
상기 균열 발생 시점부터는 상기 인장 길이의 증가에 따라 상기 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하기 때문에, 상기 인장 길이에 대한 상기 저항 변화 비율을 나타내는 제1선형식을 도출한다. 상기 제1선형식은 상기 데이터베이스에 저장된다.
예를 들어, 상기 제1채널(C1)에서 구한 저항 변화 비율이 상기 인장 길이에 대해 선형적으로 증가하는 구간에서 도출한 제1선형식은 다음과 같다.
<제1선형식>
R1 = 0.0013x + 0.0279 (R2=0.9921)
여기서, R1은 상기 제1채널(C1)에서 얻은 저항 변화 비율이고, x는 상하방향 인장 길이(mm)를 나타낸다.
본 실시예에서, 상기 제1선형식은 상기 제1채널(C1)에서 구한 저항 변화 비율인 것으로 예를 들어 설명하나, 상기 복수의 채널들에 대해 각각 다르게 도출할 수 있다. 또한, 상기 제1선형식은 상기 실험의 입력 변수에 따라 다르게 도출된다.
도 3을 참조하면, 상기 인장 길이가 소정 길이 이상으로 증가하면, 상기 균열의 길이 변화율도 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 3으로부터 상기 인장 길이의 증가에 따른 상기 균열의 길이 변화를 나타내는 제2선형식을 도출할 수 있다.
<제2선형식>
CL(Crack Length) = 3.1949x ?? 22 (R2=0.9529)
여기서, CL은 균열 길이이고, x는 상하방향 인장 길이(mm)를 나타낸다.
따라서, 상기 제1선형식에 저항 측정값을 입력하여 인장 길이를 산출할 수 있으며, 산출된 인장 길이를 상기 제2선형식에 입력하여 균열 길이를 산출할 수 있다.
상기 실험을 통해 얻은 데이터들로부터 상기 제1,2선형식이 도출되어 상기 데이터베이스에 저장되면, 추후 사용자가 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 저항 변화를 측정하고 상기 제1,2선형식을 이용하여 균열 길이를 감지할 수 있다.
상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물을 대상으로 균열 진전을 감지하는 방법은 다음과 같다.
사용자가 균열 진전을 감지하고자 하는 탄소섬유강화플라스틱 구조물을 대상으로 상기 복수의 채널들에 대해 저항 변화를 측정한다.
또한, 사용자는 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 전기 전도도와 에너지 해방율을 입력한다.
상기 저항측정모듈(미도시)이 상기 모든 채널들에 대해 저항 변화를 측정한다.
상기 저항측정모듈(미도시)에서 측정된 저항 변화는 상기 제어부(미도시)에 전송된다.
상기 제어부(미도시)는, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 감소하는 채널을 균열 직전 채널로 검출한다.
상기 균열 직전 채널이 검출되면, 상기 균열 직전 채널의 위치로부터 상기 균열의 위치를 도출할 수 있다.
예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 균열의 팁이 상기 제1채널(C1)과 상기 제2채널(C2)사이에 위치하는 바, 상기 균열이 상기 제2채널(C2)에 근접하게 되면 상기 제2채널(C2)에서 구하는 저항 변화 비율이 감소한다. 따라서, 상기 제2채널(C2)에 상기 균열이 근접하는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 제2채널(C2)이 상기 균열 직전 채널로 검출되며, 상기 제2채널(C2)의 위치를 알면 상기 균열의 위치를 예측할 수 있다.
또한, 상기 제어부(미도시)는, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 감소하다가 다시 증가하는 채널을 균열 통과 채널로 검출한다.
예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 균열이 상기 제2채널(C2)을 통과하여 상기 제2길이(L2)를 지나게 되면 상기 제2채널(C2)에서 구하는 저항 변화 비율이 다시 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 제2채널(C2)은 상기 균열 통과 채널로 검출되며, 상기 제2채널(C2)의 위치를 알면 상기 균열의 위치를 예측할 수 있다.
한편, 상기 제어부(미도시)는, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 채널을 균열 감지용 채널로 검출한다.
예를 들어, 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 균열이 상기 제1채널(C1)을 통과하면, 상기 제1채널(C1)에서 구하는 저항 변화 비율은 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
상기 제1채널(C1)이 상기 균열 감지용 채널로 검출되면, 상기 제1채널(C1)에서 구한 저항 변화 비율을 상기 제1선형식에 대입한다.
상기 데이터베이스에는 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도나 에너지 해방율에 따라 복수의 제1선형식들이 저장되어 있기 때문에, 상기 입력 변수에 에너지 해방율과 전기 전도도에 대응되는 제1선형식을 선택하여 이용한다.
상기 제1채널(C1)에서 구한 저항 변화 비율(R1)을 상기 제1선형식에 대입하면, 상기 제1선형식으로부터 상기 저항 변화 비율(R1)에 따른 인장 길이(x)를 산출할 수 있다.
상기 제1선형식으로부터 상기 인장 길이(x)가 산출되면, 상기 인장 길이(x)를 상기 제2선형식에 대입한다.
상기 데이터베이스에는 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도나 에너지 해방율에 따라 복수의 제2선형식들이 저장되어 있기 때문에, 상기 입력 변수에 에너지 해방율과 전기 전도도에 대응되는 제2선형식을 선택하여 이용한다.
상기 인장 길이(x)를 상기 제2선형식에 대입하면, 상기 제2선형식으로부터 균열 길이(CL)를 산출할 수 있다.
따라서, 상기 제1채널(C1)에서 구한 저항 변화 비율(R1)을 알면, 상기 균열 길이(CL)를 산출할 수 있다.
상기 균열이 상기 제1채널(C1)을 지나간 이후에는 상기 저항 변화율이 1차 선형적으로 증가하기 때문에, 다른 채널에서의 저항 변화율을 측정할 필요 없이 상기 제1채널(C1)의 저항 변화율만을 이용하여 상기 균열의 진전도를 지속적으로 확인할 수 있다.
즉, 상기 제1채널(C1)에서 저항 변화율을 계속해서 측정하여, 측정된 저항 변화율을 상기 제1선형식에 대입하여 상기 인장 길이를 산출하고, 산출된 인장 길이를 상기 제2선형시에 대입하여 상기 인장 길이에 따른 상기 균열 길이의 변화를 산출할 수 있다.
상기 균열 길이의 변화를 산출하여, 상기 균열의 진전도를 감지할 수 있다.
상기 균열 길이(CL)가 산출되면, 상기 균열의 위치를 도출할 수 있다.
여기서, 산출된 균열 길이는, 인장력이 가해지는 지점으로부터 떨어진 길이이므로, 상기 산출된 균열 길이에서 상기 인장력이 가해진 위치와 상기 전극 사이의 이격 거리를 빼면 상기 균열의 위치를 도출할 수 있다.
한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 전기 저항 등가 회로로 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물에 인장력이 가해지지 않는 초기 상태일 때, 상기 제1,2,3,4채널(C1~C4)의 각 저항값은 동일하다.
도 4b를 참조하면, 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물에 인장력이 가해지면, 상기 인장력이 가해지는 부분과 가깝게 위치한 상기 제1,2채널(C1)(C2)의 저항값은 다소 증가한다.
도 4c를 참조하면, 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물에 인장력이 가해져서 균열이 발생하여, 상기 균열이 상기 제1채널(C1)에 근접하면, 상기 제1채널(C1)의 저항값이 감소하는 것을 나타낸다. 즉, 상기 균열이 접근하는 채널에서는 저항값이 감소한다.
도 4d를 참조하면, 상기 균열이 상기 제1채널(C1)을 통과하는 시점에는 상기 제1채널(C1)의 저항값은 다시 증가하며, 상기 균열이 접근하는 상기 제2채널(C2)의 저항값은 감소하는 것을 나타낸다.
도 4e를 참조하면, 상기 균열이 상기 제1채널(C1)을 통과하여 계속해서 진전하면, 상기 제1채널(C1)의 저항값은 계속해서 선형적으로 증가한다.
상기와 같이, 상기 균열의 진전 방향으로 서로 소정간격 이격되게 복수의 채널들을 형성하고, 상기 복수의 채널들에서 각각 저항값을 측정하면, 상기 복수의 채널들에서 측정된 저항값의 변화에 따라 상기 균열의 진전을 감지하여 상기 균열의 위치를 파악할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 탄소섬유강화플라스틱 구조물
11,12,13,14: 상부 전극
15,16,17,18: 하부 전극

Claims (10)

  1. 복수의 탄소섬유강화플라스틱 시트들이 적층되고, 내부 상,하측에서 서로 소정간격 이격된 위치에 상호간에 복수의 채널들을 형성하도록 복수의 전극들이 구비된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법에 있어서,
    실험을 통해 복수의 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물들의 각 단부에 상,하방향으로 인장력을 가하여, 균열 진전에 따른 상기 채널들의 저항 변화 패턴과 인장 길이를 측정하고, 상기 저항 변화 패턴으로부터 균열 발생시점부터 상기 인장 길이에 따라 선형적으로 증가하는 저항의 관계를 나타내는 제1선형식을 도출하고, 상기 균열의 길이를 측정하여, 상기 인장 길이에 따른 상기 균열의 길이 변화를 나타내는 제2선형식을 도출하여, 데이터베이스로 구축하는 단계와;
    균열 진전을 감지하고자 하는 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 내부에 형성된 상기 복수의 채널들에 대해 저항 변화를 측정하는 단계와;
    제어부는 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 채널을 균열이 지나간 균열 감지용 채널로 검출하는 단계와;
    상기 제어부는 상기 균열 감지용 채널이 검출되면, 상기 균열 감지용 채널에서 구한 저항 변화 비율을 상기 제1선형식에 대입하여 상기 제1선형식으로부터 상기 저항 변화 비율에 따른 인장 길이를 산출하는 단계와;
    상기 인장 길이를 산출하면, 상기 인장 길이를 상기 제2선형식에 대입하여 상기 제2선형식으로부터 상기 인장 길이에 따른 균열 길이를 산출하는 단계와;
    상기 균열 감지용 채널의 저항 변화 비율을 구하여, 상기 저항 변화에 따른 균열 길이의 변화를 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 실험시 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 에너지 해방율을 다르게 설정하고, 상기 에너지 해방율에 따라 다른 저항 변화 패턴을 각각 측정하여,
    상기 제1,2선형식은 각각 상기 에너지 해방율에 따라 다르게 도출되어 저장된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 감소하는 채널을 균열 직전 채널로 검출하고,
    상기 균열 직전 채널의 검출시 상기 균열 직전 채널의 위치 정보로부터 상기 균열의 위치를 도출하는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 감소하다가 증가하는 채널을 균열이 지나가는 균열 통과 채널로 검출하고,
    상기 균열 통과 채널의 검출시 상기 균열 통과 채널의 위치 정보로부터 상기 균열의 위치를 도출하는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 실험시 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도를 다르게 설정하고, 상기 전기 전도도에 따라 다른 저항 변화 패턴을 각각 측정하여,
    상기 제1,2선형식은 각각 상기 전기 전도도에 따라 다르게 도출되어 저장된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    사용자가 입력부를 통해 균열 진전을 감지하고자 하는 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물에 사용된 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도를 입력하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 데이터베이스에 저장된 복수의 상기 제1,2선형식들 중에서 상기 입력된 전기 전도도에 대응되는 상기 제1,2선형식을 이용하여, 상기 인장 길이와 상기 균열 길이를 산출하는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도는, 상기 탄소섬유의 종류, 크기 및 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 적층 수 중 적어도 하나를 조절하여 설정하는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    사용자가 입력부를 통해 균열 진전을 감지하고자 하는 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 에너지 해방율을 입력하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 데이터베이스에 저장된 복수의 상기 제1,2선형식들 중에서 상기 에너지 해방율에 대응되는 상기 제1,2선형식을 이용하여, 상기 인장 길이와 상기 균열 길이를 산출하는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법.
  9. 복수의 탄소섬유강화플라스틱 시트들이 적층되고, 내부 상,하측에서 서로 소정간격 이격된 위치에 상호간에 복수의 채널들을 형성하도록 복수의 전극들이 구비된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법에 있어서,
    실험을 통해 복수의 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물들의 각 단부에 상,하방향으로 인장력을 가하여, 균열 진전에 따른 상기 채널들의 저항 변화 패턴과 인장 길이를 측정하고, 상기 저항 변화 패턴으로부터 균열 발생시점부터 상기 인장 길이에 따라 선형적으로 증가하는 저항의 관계를 나타내는 제1선형식을 도출하고, 상기 균열의 길이를 측정하여, 상기 인장 길이에 따른 상기 균열의 길이 변화를 나타내는 제2선형식을 도출하여, 데이터베이스로 구축하는 단계와;
    균열 진전을 감지하고자 하는 상기 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 내부에 형성된 복수의 채널들에 대해 저항 변화를 측정하는 단계와;
    제어부는 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 감소하는 채널을 균열 직전 채널로 검출하고, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 감소하다가 증가하는 채널을 균열이 지나가는 균열 통과 채널로 검출하고, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 채널을 균열이 지나간 균열 감지용 채널로 검출하는 단계와;
    상기 제어부는 상기 균열 직전 채널이 검출되면, 상기 균열 직전 채널의 위치로부터 상기 균열의 위치를 도출하는 단계와;
    상기 제어부는 상기 균열 통과 채널이 검출되면, 상기 균열 통과 채널의 위치로부터 상기 균열의 위치를 도출하는 단계와;
    상기 제어부는 상기 균열 감지용 채널이 검출되면, 상기 균열 감지용 채널에서 구한 저항 변화 비율을 상기 제1선형식에 대입하여 상기 제1선형식으로부터 상기 저항 변화 비율에 따른 인장 길이를 산출하는 단계와;
    상기 인장 길이를 산출하면, 상기 인장 길이를 상기 제2선형식에 대입하여 상기 제2선형식으로부터 상기 인장 길이에 따른 균열 길이를 산출하는 단계와;
    상기 균열 감지용 채널의 저항 변화 비율을 구하여, 상기 저항 변화에 따른 균열 길이의 변화를 감지하는 단계를 포함하고,
    상기 제1,2선형식은 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도, 상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 에너지 해방율에 따라 다르게 도출되어 저장된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 방법.
  10. 복수의 탄소섬유강화플라스틱 시트들이 적층되어 형성된 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 내부 상,하측에서 서로 소정간격 이격된 위치에 상호간에 복수의 채널들을 형성하도록 구비된 복수의 전극들과;
    상기 복수의 전극들에 각각 연결된 전선들과;
    상기 복수의 채널들의 저항 변화를 측정하는 저항측정모듈과;
    상기 탄소섬유강화플라스틱 시트의 전기 전도도, 에너지 해방율에 따라 상기 복수의 채널들의 저항 변화 패턴들이 미리 저장되고, 상기 저항 변화 패턴들로부터 균열 발생 시점으로부터 인장 길이에 따라 선형적으로 증가하는 저항의 관계를 나타내는 제1선형식이 저장되고, 상기 인장 길이와 균열의 길이 관계를 나타내는 제2선형식이 저장된 데이터베이스와;
    상기 저항측정모듈에서 저항 변화를 측정하면, 상기 데이터베이스에 저장된 저항 변화 패턴과 비교하여, 상기 복수의 채널들 중에서 저항 변화 비율이 선형적으로 증가하는 채널을 균열 감지용 채널로 설정하고, 상기 균열 감지용 채널에서 구한 저항 변화 비율을 상기 제1선형식에 대입하여 상기 제1선형식으로부터 상기 저항 변화 비율에 따른 인장 길이를 산출하고, 상기 인장 길이를 산출하면, 상기 인장 길이를 상기 제2선형식에 대입하여 상기 제2선형식으로부터 상기 인장 길이에 따른 균열 길이를 산출하고, 상기에서 산출된 균열 길이와 상기 균열 감지용 채널의 위치로부터 상기 균열의 위치를 도출하고, 상기 균열 감지용 채널에서 구한 저항 변화 비율을 이용하여 상기 균열의 진전을 판단하는 제어부를 포함하는 탄소섬유강화플라스틱 구조물의 균열 진전을 감지하는 센서.
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