KR101997779B1 - 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법 - Google Patents

탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 탄소섬유강화플라스틱 시트에서 파손 위치를 감지하는 방법으로서, 탄소섬유강화플라스틱 시트 상에 두 개의 전극으로 이루어진 전극 쌍을 배치하는 전극 배치 단계; 상기 전극 쌍으로부터 전기 저항을 측정하는 저항 측정 단계; 상기 저항 측정 단계에서 측정된 전기 저항으로부터 저항 변화율을 계산하는 저항 변화율 계산 단계; 및 상기 저항 변화율 계산 단계에서 계산된 저항 변화율을 이용하여 파손 위치를 감지하는 파손 위치 감지 단계를 포함하며, 상기 저항 변화율은 파손이 없는 정상 상태에서의 저항값에 대한 저항 변화값의 비율이며, 상기 파손 위치 감지 단계에서 상기 파손 위치는 상기 파손 위치와 상기 전극 쌍 사이의 거리가 멀어짐에 따라 저항 변화율이 감소하는 성질을 이용하여 파악되는 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법가 제공된다.

Description

탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법 {METHOD FOR DETECTING LOCATION OF DAMAGED PORTION OF CARBON FIBER REINFORCED PLASTIC SHEET}
본 발명은 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치를 감지하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 탄소섬유강화플라스틱 시트에 형성된 전극으로부터 측정되는 전기 저항을 이용하여 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치를 감지하는 방법에 관한 것이다.
탄소섬유강화플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastic)은 널리 알려진 바와 같이 우수한 기계적 전기적 물성을 갖고 있기 때문에, 최근 항공우주 및 차량을 포함하여 다양한 분야에서 그 사용이 증가하고 있다. 하지만, 탄소섬유강화플라스틱에서 미세한 파손이 발생하는 경우, 물성이 급격히 저하되어서 파괴가 일어난다는 문제가 있다. 따라서, 탄소섬유강화플라스틱에 발생한 미세한 파손의 위치를 감지할 수 있는 기술이 요구된다.
탄소섬유강화플라스틱에서 파손을 감지하는 기술로는 일반적으로 음향방출(aucoustic emission), 초음파 테스트(ultrasonic test)와 같은 고가의 비파괴 장비를 이용하는 기술이 이용된다.
본 발명과 관련된 선행특허로서 등록특허 제10-1781687호에는 전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 장치로서, 전도성 복합재료의 상면 및 배면에 각각 형성되며 서로 평행하게 배열된 복수 개의 전극 띠를 포함하는 전기저항 측정층과, 전기저항 측정층을 덮는 절연층과, 전도성 복합재료의 변형에 따라 전기용량이 변하는 전기용량 측정층으로 구성된 선상 감지층을 이용하여 전도성 복합재료 구조물의 손상 위치를 감지하는 구성이 기재되어 있다. 하지만, 이러한 선행특허의 구성은 그 복잡한 구조로 인해 실제 적용에 있어서 어려움이 따른다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 10-1781687 "전도성 복합재료 구조물의 손상 감지 및 손상 이력 기록 장치 및 그 제조방법" (2017.09.25.)
본 발명의 목적은 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치를 감지하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 기술에 비해 간편한 방식으로 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치를 감지하는 방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소섬유강화플라스틱 시트에서 파손 위치를 감지하는 방법으로서, 탄소섬유강화플라스틱 시트 상에 두 개의 전극으로 이루어진 전극 쌍을 배치하는 전극 배치 단계; 상기 전극 쌍으로부터 전기 저항을 측정하는 저항 측정 단계; 상기 저항 측정 단계에서 측정된 전기 저항으로부터 저항 변화율을 계산하는 저항 변화율 계산 단계; 및 상기 저항 변화율 계산 단계에서 계산된 저항 변화율의 절대값을 이용하여 파손 위치를 감지하는 파손 위치 감지 단계를 포함하며, 상기 저항 변화율은 파손이 없는 정상 상태에서의 저항값에 대한 저항 변화값의 비율이며, 상기 파손 위치 감지 단계에서 상기 파손 위치는 상기 파손 위치와 상기 전극 쌍 사이의 거리가 멀어짐에 따라 저항 변화율의 절대값이 감소하는 성질을 이용하여 파악되는 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법가 제공된다.
상기 전극 배치 단계에서 상기 전극 쌍은 복수 개가 배치되며, 상기 저항 측정 단계에서 상기 복수 개의 전극 쌍들 각각에 대한 전기 저항이 측정되며, 상기 저항 변화율 계산 단계에서 상기 복수 개의 전극 쌍들 각각에 대응하는 저항 변화율이 계산될 수 있다.
상기 전극 배치 단계에서 상기 복수 개의 전극 쌍들은 복수 개의 전극들이 검사 영역을 에워싸도록 배치되어서 형성될 수 있으며, 상기 복수 개의 전극들은 정사각형의 변과 꼭짓점 상에 등간격으로 이격되어서 배치될 수 있다.
상기 정사각형의 한 변의 길이는 유효 저항 변화율 측정 거리의 2배이며, 상기 유효 저항 변화율 측정 거리는 상기 저항 변화율의 절대값이 백분율로 소수점 둘째 자리가 나타나기 시작하는 상기 전극 쌍과 파손 위치의 거리일 수 있다.
상기 파손 위치 감지 단계에서 상기 파손 위치는 저항 변화율의 절대값이 가장 크게 계산되는 두 전극 쌍으로부터 감지될 수 있다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 본 발명은 탄소섬유강화플라스틱 시트에 배치되는 전극 쌍으로부터 측정되는 전기 저항의 변화율을 통해 파손 위치를 감지하기 때문에, 간편한 방식으로 파손 위치를 감지할 수 있게 된다.
또한, 최적의 전극 배치가 개시됨으로써, 효율적인 파손 위치 감지가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손위치 감지 방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 순서도의 전극 배치 단계에서 탄소섬유강화플라스틱 시트에 복수 개의 전극들이 배치되는 예를 도시한 평면도이다.
도 3은 탄소섬유강화플라스틱 시트에 배치되는 전극 쌍에서 측정되는 저항변화율이 파손 위치와의 거리에 따라 변하는 성질을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용이 상세하게 설명된다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손위치 감지 방법이 순서도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손위치 감지 방법은 탄소섬유강화플라스틱 시트에 전극을 배치하는 전극 배치 단계(S10)와, 전극 배치 단계(S10)에서 배치된 전극으로부터 전기 저항을 측정하는 저항 측정 단계(S20)와, 저항 측정 단계(S20)에서 측정된 전기 저항으로부터 저항 변화율을 계산하는 저항 변화율 계산 단계(S30)와, 저항 변화율 계산 단계(S30)에서 계산된 저항 변화율을 이용하여 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치를 감지하는 파손 위치 감지 단계(S40)를 포함한다.
전극 배치 단계(S10)에서는 검사 대상인 탄소섬유강화플라스틱 시트에 복수 개의 전극들이 배치된다. 도 2에는 전극 배치 단계(S10)를 통해 탄소섬유강화플라스틱 시트에 복수 개의 전극들이 배치되는 일 예가 평면도로서 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 검사 대상인 탄소섬유강화플라스틱 시트(10)에 복수 개의 전극들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)이 배치되어 있다. 도 2에서 도면부호 'C'는 위치 감지 대상인 파손 부위를 의미한다.
복수 개의 전극들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)은 검사 영역을 에워싸도록 배치되는데, 본 실시예에서는 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6, 제, 제8 전극들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)이 정사각형의 변과 꼭짓점 상에 등간격으로 이격되어서 배치되는 것으로 설명한다. 구체적으로, 8개의 전극들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)은 검사 영역을 에워싸즌 정사각형의 네 꼭짓점과 네 변의 가운데에 각각 위치한다. 복수 개의 전극들(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)에서 인접한 두 전극들(11, 12)(12, 13)(13, 14)(14, 15)(15, 16)(16, 17)(17, 18)(18, 1)은 각각 전극 쌍을 형성한다. 즉, 도 2에 도시된 실시예에는 제1 전극 쌍(11, 12), 제2 전극 쌍(12, 13), 제3 전극 쌍(13, 14), 제4 전극 쌍(14, 15), 제5 전극 쌍(15, 16), 제6 전극 쌍(16, 17), 제7 전극 쌍(17, 18) 및 제8 전극 쌍(18, 1)이 형성된다.
저항 측정 단계(S20) 단계에서는 전극 배치 단계(S10)에서 형성된 모든 전극 쌍들(11, 12)(12, 13)(13, 14)(14, 15)(15, 16)(16, 17)(17, 18)(18, 1) 각각으로부터 전기 저항이 측정된다. 즉, 저항 측정 단계(S20)에서는 제1 전극 쌍(11, 12), 제2 전극 쌍(12, 13), 제3 전극 쌍(13, 14), 제4 전극 쌍(14, 15), 제5 전극 쌍(15, 16), 제6 전극 쌍(16, 17), 제7 전극 쌍(17, 18) 및 제8 전극 쌍(18, 1) 각각으로부터 전기 저항이 측정되는데, 구체적인 전기 저항 측정 방식은 통상적으로 사용되는 전기 저항 측정 방식이 이용되므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
저항 변화율 계산 단계(S30)에서는 저항 측정 단계(S20)에서 측정된 전기 저항으로부터 모든 전극 쌍들(11, 12)(12, 13)(13, 14)(14, 15)(15, 16)(16, 17)(17, 18)(18, 1) 각각에 대응하는 전기 저항의 변화율이 계산된다. 즉, 저항 변화율 계산 단계(S30)에서는 제1 전극 쌍(11, 12)에 대응하는 전기 저항의 변화율인 제1 저항 변화율, 제2 전극 쌍(12, 13)에 대응하는 전기 저항의 변화율인 제2 저항 변화율, 제3 전극 쌍(13, 14)에 대응하는 전기 저항의 변화율인 제3 저항 변화율, 제4 전극 쌍(14, 15)에 대응하는 전기 저항의 변화율인 제4 저항 변화율, 제5 전극 쌍(15, 16)에 대응하는 전기 저항의 변화율인 제5 저항 변화율, 제6 전극 쌍(16, 17)에 대응하는 전기 저항의 변화율인 제6 저항 변화율, 제7 전극 쌍(17, 18)에 대응하는 전기 저항의 변화율인 제7 저항 변화율, 제8 전극 쌍(18, 1)에 대응하는 전기 저항의 변화율인 제8 저항 변화율이 계산된다. 여기서, 제n 저항 변화율은 탄소섬유강화플라스틱에 파손이 없는 정상 상태에서의 전기 저항값(R0)에 대한 제n 전극 쌍에서의 전기 저항 변화값(ΔRn=Rn-R0, Rn은 제n 전극 쌍에서 측정된 전기 저항)비율로서, 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
제n 저항 변화율 = ΔRn/R0
파손 위치 감지 단계(S40)에서는 저항 변화율 계산 단계(S30)에서 계산된 모든 전극 쌍들(11, 12)(12, 13)(13, 14)(14, 15)(15, 16)(16, 17)(17, 18)(18, 1) 각각에 대응하는 저항 변화율의 절대값을 이용하여 탄소섬유강화플라스틱(10)에서 파손 부위(C)의 위치가 감지된다. 파손 위치 감지 단계(S40)에서 파손 위치는 파손 위치와 전극 쌍 사이의 거리가 멀어짐에 따라 저항 변화율의 절대값이 감소하는 성질을 이용하여 파악되는데, 이를 도 3을 통해 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 파손 부위(D)가 존재하는 탄소섬유강화플라스틱(20)에 두 개의 전극들(21, 22)로 이루어지는 전극 쌍(21, 22)이 배치된다. 전극 쌍(21, 22)과 파손 부위(D)와의 거리(d)는 두 전극들(21, 22)을 연결하는 직선과 파손 부위(D) 사이의 거리로 정의된다. 아래 표 1은 전극 쌍(21, 22)과 파손 부위(D) 사이의 거리에 따른 저항 변화율을 보여주는 실험 데이터이다.
거리(d)(cm) 0 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5 12 18

저항변화율
 8.634 -1.467 -2.11 -1.7 0.218 0.898 0.454 0.0307 -0.0114 0.0660
-0.172 -0.560 -0.624 -0.0871 0.0456
-0.0264
표 1로부터 파손 부위가 전극 쌍으로부터 멀어짐에 따라 저항 변화율의 절대값이 감소하는 것이 확인되며, 이러한 성질을 이용하여 본 발명은 전극 쌍으로부터 측정되는 저항변화율의 절대값을 이용하여 탄소섬유강화플라스틱에 형성된 파손 부위의 위치를 감지하게 된다.
구체적으로 도 2에 도시된 전극 배치에서는 모든 전극 쌍들(11, 12)(12, 13)(13, 14)(14, 15)(15, 16)(16, 17)(17, 18)(18, 1)에 대응하는 저항 변화율 중 파손 부위(C)와 가까운 순서로 상위 두 전극 쌍인 제1 전극 쌍(11, 12)과 제8 전극 쌍(18, 1)에 대응하는 저항 변화율이 가장 높게 되며, 표 1에 기재된 데이터를 기초로 두 전극 쌍(11,12)(18, 1) 각각에 대한 파손 부위(C)와의 거리가 측정될 수 있고, 그에 따라 파손 부위(C)의 평면 상 위치가 감지될 수 있다.
최적의 전극 배치를 위하여, 도 2에서 전극이 배치되는 정사각형의 한 변의 길이는 유효 저항 변화율 측정 거리의 2배인 것이 바람직한데, 여기서 유효 저항 변화율 측정 거리는 저항 변화율의 절대값이 백분율로 소수점 둘째 자리가 나타나기 시작하는 전극 쌍과 파손 위치의 거리를 의미한다. 구체적으로 설명하면, 표 1에서 거리(d)가 10.5cm인 전극 쌍에서 저항 변화율의 절대값이 백분율로 소수점 둘 째 자리가 나타나는데, 이 거리까지가 유효한 측정 거리로 선택되어서, 측정 가능한 최대 면적이 한 변의 길이가 유효 저항 변화율 측정 거리의 2배인 정사각형으로 설정됨으로써, 최적의 전극 배치가 이루어지는 것이다. 즉, 이와 같은 전극 배치가 가능한 넓은 면적에서의 파손 위치를 감지할 수 있는 구조인 것이다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
10 : 탄소섬유강화플라스틱 시트
11 : 제1 전극 12 : 제2 전극
13 : 제3 전극 14 : 제4 전극
15 : 제5 전극 16 : 제6 전극
17 : 제7 전극 18 : 제8 전극
C : 파손 부위

Claims (6)

  1. 탄소섬유강화플라스틱 시트에서 파손 위치를 감지하는 방법으로서,
    탄소섬유강화플라스틱 시트 상에 검사 영역을 에워싸도록 복수개의 전극들을 등간격으로 배치하는 전극 배치 단계;
    상기 복수개의 전극들 중 인접한 두 전극들 만으로 형성되는 복수개의 전극 쌍들로부터 전기 저항을 측정하는 저항 측정 단계;
    상기 저항 측정 단계에서 측정된 전기 저항으로부터 상기 복수개의 전극쌍들 각각에 대한 저항 변화율을 계산하는 저항 변화율 계산 단계; 및
    상기 저항 변화율 계산 단계에서 계산된 상기 복수개의 전극쌍들 각각에 대한 저항 변화율의 절대값을 이용하여 파손 위치를 감지하는 파손 위치 감지 단계를 포함하며,
    상기 저항 변화율은 파손이 없는 정상 상태에서의 저항값에 대한 저항 변화값의 비율이며,
    상기 파손 위치 감지 단계에서 상기 파손 위치는 상기 파손 위치와 상기 전극 쌍 사이의 거리가 멀어짐에 따라 저항 변화율의 절대값이 감소하는 성질을 이용하여 파악되고, 상기 파손 위치는 상기 저항 변화율의 절대값이 가장 크게 계산되는 두 전극쌍으로부터 감지되는 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전극 배치 단계에서, 상기 복수 개의 전극들은 정사각형의 변과 꼭짓점 상에 등간격으로 이격되어서 배치되는 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 정사각형의 한 변의 길이는 유효 저항 변화율 측정 거리의 2배이며,
    상기 유효 저항 변화율 측정 거리는 상기 저항 변화율의 절대값이 백분율로 소수점 둘째 자리가 나타나기 시작하는 상기 전극 쌍과 파손 위치의 거리인 탄소섬유강화플라스틱 시트의 파손 위치 감지 방법.
  6. 삭제
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