KR20160103587A - 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 복수의 탄소섬유들이 그리드 구조의 저항 경로를 이루도록 구성됨으로써, 상기 복수의 탄소섬유들 중 일부 탄소섬유들에만 전극을 연결하여도 변형 위치에 관계없이 저항 변화의 측정이 가능한 이점이 있다. 또한, 복수의 탄소섬유들 중 일부 탄소섬유들에만 전극을 연결하기 때문에, 전극의 개수가 최소화될 수 있다. 또한, 복수의 탄소섬유들이 그리드 구조의 저항 경로를 이루며 서로 연결되기 때문에, 전극 쌍을 연결하는 전극 경로 이외의 부분에 변형이 발생하더라도 사각지대 없이 모두 감지할 수 있다. 또한, 그리드의 밀도나 전극의 개수를 조절하여, 구조물 건전성 감지장치의 분해능을 조절할 수 있는 이점이 있다. 또한, 별도의 수지에 함침없이 탄소섬유 그리드시트만으로 이루어짐으로써, 제조가 간편하고 비용이 절감될 수 있다.

Description

탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치 및 그의 감시방법{Structural health monitoring system using carbon fiber grid and the monitoring method of the same}

본 발명은 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소섬유 그리드를 구조물에 설치하고 탄소섬유 그리드의 저항 변화를 측정하여 상기 구조물의 변형 위치를 모니터링할 수 있는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치 및 그의 감시방법에 관한 것이다.

일반적으로 대형 구조물의 건전성을 진단하는 데 사용되는 기법은, 육안 검사, 음향 반출(Acoustic emission, AE), 와전류(Eddy current), 초음파(Ultrasonics), X선 투과시험(X-ray radiography) 등을 포함하고, 대부분의 방법들은 검사 인력과 장비를 적절한 시기에 투입하여 정기적으로 검사를 수행한다. 이러한 방법들은 구조물의 상태와 상관없이 정해진 일정에 맞추어 감사를 수행하게 되므로, 필요 이상의 인건비가 소요되고, 검사로 인한 구조물의 사용 중단 시간으로 인해 손실이 발생함에 따라 근래에는 내장형 센서들이 도입되고 있다. 상기 내장형 센서들은 세라믹 기반 압전 센서, 스트레인 게이지 등이 포함된다. 상기 내장형 센서들은 높은 정확도, 감도, 신뢰성 등을 갖지만, 센싱 소자가 부착되는 지점의 센싱, 즉 국부적인 감지만이 가능하기 때문에, 구조물의 상태를 전체적으로 파악하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 진단하고자 하는 범위가 커질수록 그에 따른 센서의 개수가 많아지고 데이터 양이 과다하게 많아져서, 센서의 설치 및 데이터 처리가 복잡해지는 문제점이 있다.

한국등록특허 10-0937095호

본 발명의 목적은, 대면적 구조물을 보다 적은 개수의 전극을 이용해 실시간으로 건전성을 진단할 수 있는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치 및 그의 감시방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치는, 구조물에 설치되고, 복수의 탄소섬유들이 교차되어 그리드 구조의 저항 경로를 형성하는 단일의 탄소섬유 그리드시트와, 상기 복수의 탄소섬유들 중 설정간격으로 서로 이격되게 위치한 일부 탄소섬유들의 끝단에 연결된 복수의 전극들과, 상기 복수의 전극들 중 상기 저항 경로를 따라 전극 쌍을 이루는 전극들 사이의 저항 변화를 측정하는 저항 측정기와, 상기 저항 측정기에서 측정된 저항 변화에 따라 변형 위치를 판단하는 컴퓨터를 포함한다.

본 발명에 따른 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시방법은, 복수의 탄소섬유들이 교차되어 그리드 구조의 저항 경로를 형성하는 단일의 탄소섬유 그리드시트에서 상기 복수의 탄소섬유들 중 복수의 전극들을 연결하고자 하는 기준 탄소섬유를 설정하는 단계와, 상기 설정된 기준 탄소섬유들의 끝단에 복수의 전극들을 연결하는 단계와, 상기 복수의 전극들 중 전극 쌍을 이루는 전극들 사이의 저항 변화를 측정하는 단계와, 상기 전극 쌍들의 저항 변화율을 서로 비교하는 단계와, 상기 저항 변화율의 상대적 크기에 따라 상기 전극 쌍을 연결하는 전극 경로와 변형 위치사이의 거리를 판단하는 단계를 포함한다.

본 발명은, 복수의 탄소섬유들이 그리드 구조의 저항 경로를 이루도록 구성됨으로써, 상기 복수의 탄소섬유들 중 일부 탄소섬유들에만 전극을 연결하여도 변형 위치에 관계없이 저항 변화의 측정이 가능한 이점이 있다.

또한, 복수의 탄소섬유들 중 일부 탄소섬유들에만 전극을 연결하기 때문에, 전극의 개수가 최소화될 수 있다.

또한, 복수의 탄소섬유들이 그리드 구조의 저항 경로를 이루며 서로 연결되기 때문에, 전극 쌍을 연결하는 전극 경로 이외의 부분에 변형이 발생하더라도 사각지대 없이 모두 감지할 수 있다.

또한, 그리드의 밀도나 전극의 개수를 조절하여, 구조물 건전성 감지장치의 분해능을 조절할 수 있는 이점이 있다.

또한, 별도의 수지에 함침없이 탄소섬유 그리드시트만으로 이루어짐으로써, 제조가 간편하고 비용이 절감될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저항 변화를 측정하기 위한 제어 블록도이다.
도 3 내지 도 6은 변형 위치를 찾는 방법을 예를 들어 설명한다.
도 7은 변형 위치를 찾는 방법을 개략적으로 나타낸 블록도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치가 도시된 도면이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 저항 변화를 측정하기 위한 제어 블록도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치는, 탄소섬유 그리드시트(10), 전극들(20), 저항 측정기(30) 및 컴퓨터(40)를 포함한다.

상기 탄소섬유 그리드시트(10)는, 구조물의 외벽에 부착되는 것도 가능하고, 구조물의 내부에 매립되는 것도 가능하다. 상기 탄소섬유 그리드시트(10)는, 복수의 탄소섬유들을 그리드(grid) 형태로 교차시켜 만든 시트이다. 상기 탄소섬유 그리드시트(10)는 일반 직조물처럼 촘촘히 직조되지 않고 복수의 탄소섬유들이 소정간격 이격된 위치에서 교차되어도 그리드 형태만을 유지하면 가능하다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 탄소섬유 그리드 시트(10)는, 복수의 탄소섬유들을 0도와 90도로 교차시켜 직조한 직조물인 것도 물론 가능하다. 상기 탄소섬유 그리드시트(10)는, 그리드(Grid) 구조의 저항 경로를 형성한다. 상기 탄소섬유들은 모노필라멘트(Monofilament)인 것도 가능하고, 토우(tow)인 것도 가능하다. 상기 탄소섬유 그리드시트(10)는, 복수의 탄소섬유들이 교차되어 시트를 이루기 때문에 별도의 수지와 함침없이 제작이 가능하다. 다만, 이에 한정되지 않고 수지에 함침시켜 제조하는 것도 물론 가능하다. 또한, 상기 탄소섬유 그리드시트(10)는 한 장의 단일 시트로 구성되어 구조물의 표면에 설치되기 때문에, 구조가 간단하고 제작 및 적용이 용이하다.

상기 탄소섬유 그리드시트(10)는, 수평방향으로 길게 배치되고 수직방향으로 서로 소정간격 이격되게 배치된 복수의 제1탄소섬유들(11)과, 상기 수직방향으로 길게 배치되고 상기 수평방향으로 서로 소정간격 이격되게 배치되어 상기 제1탄소섬유들(11)과 교차된 복수의 제2탄소섬유들(12)로 이루어진다. 상기 제1탄소섬유들(11)과 상기 제2탄소섬유들(12)은 서로 동일한 소재로 이루어진다.

상기 탄소섬유 그리드시트(10)의 그리드 구조의 저항 경로이기 때문에, 상기 그리드의 밀도를 조절하여, 상기 구조 건전성 감시장치의 분해능을 조절할 수 있다. 즉, 상기 탄소섬유 그리드시트(10)의 그리드의 밀도가 조밀해질수록 구조물의 분해능이 높아지며, 밀도가 낮아질수록 구조물의 분해능은 낮아지나 데이터 처리가 간단하고 노이즈가 적다. 따라서, 상기 구조 건전성 감시장치의 용도 및 성능에 따라 상기 그리드의 밀도를 설정할 수 있다.

상기 전극들(20)은, 상기 복수의 탄소섬유들 중 설정 간격으로 서로 이격되게 위치한 일부 탄소섬유들의 끝단에 연결된다. 상기 제1탄소섬유들(11)과 상기 제2탄소섬유들(12)이 교차되어 서로 연결되어 있으므로, 상기 제1탄소섬유들(11)과 상기 제2탄소섬유들(12) 중 일부에만 상기 전극(20)을 연결하여도 모든 탄소섬유들의 변형에 따른 전기적 저항의 변화를 측정할 수 있다.

상기 복수의 상기 전극들(20)은, 상기 제1탄소섬유들(11) 중 미리 설정된 제1설정 간격(d1)으로 이격되게 위치한 제1기준 탄소섬유들(111)의 양단(111a)(111b)과, 상기 제2탄소섬유들(12) 중 미리 설정된 제2설정 간격(d2)으로 이격되게 위치한 제2기준 탄소섬유들(121)의 양단(121a)(121b)에 연결된다. 상기 제1기준 탄소섬유들(111)은, 상기 제1탄소섬유들(11) 중에서 상기 전극(20)을 연결하기 위해 선택된 탄소섬유이다. 상기 제2기준 탄소섬유들(121)은, 상기 제2탄소섬유들(12) 중에서 상기 전극(20)을 연결하기 위해 선택된 탄소섬유이다. 상기 제1설정 간격(d1)과 상기 제2설정 간격(d2)은 서로 동일하게 설정되는 것도 가능하고, 서로 다르게 설정되는 것도 물론 가능하다. 상기 제1설정간격(d1)과 상기 제2설정 간격(d2)에 따라 상기 구조 건전성 감시장치의 분해능을 조절할 수 있다. 따라서, 상기 제1설정간격(d1)과 상기 제2설정 간격(d2)은 상기 구조 건전성 감시장치의 용도 및 성능에 따라 설정된다.

상기 복수의 전극들(20)은, 상기 제1기준 탄소섬유들(111)의 일단(111a)에 연결된 복수의 제1전극들(21)과, 상기 제1기준 탄소섬유들(111)의 타단(111b)에 연결된 복수의 제2전극들(22)과, 상기 제2기준 탄소섬유들(121)의 일단(121a)에 연결된 복수의 제3전극들(23)과, 상기 제2기준 탄소섬유들(122)의 타단(121b)에 연결된 복수의 제4전극들(24)을 포함한다. 상기 제1전극들(21)은, 3개의 제1,2,3좌측 전극들(L1,L2,L3)을 포함하고, 상기 제2전극들(22)은 3개의 제1,2,3우측 전극들(R1,R2,R3)을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. 또한, 상기 제3전극들(23)은, 4개의 제1,2,3,4상측 전극들(T1,T2,T3,T4)을 포함하고, 상기 제4전극들은 4개의 제1,2,3,4하측 전극들(B1,B2,B3,B4)을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 복수의 전극들(20)은 2개씩 전극 쌍을 이루는 바, 상기 전극 쌍은 상기 그리드 구조의 저항 경로를 따라 연결된다. 즉, 상기 전극 쌍은, 수평 또는 수직방향 등과 같은 일직선 형태의 전극 경로로 연결되는 전극 쌍뿐만 아니라, 상기 그리드 구조를 따라 적어도 한번 이상 꺾어지는 전극 경로로 연결되는 전극 쌍을 포함한다.

상기 전극 쌍은, 상기 제1전극들(21)과 상기 제2전극들(22)이 이루는 전극 쌍(L1-R1, L2-R2, L3-R3)과, 상기 제3전극들(23)과 상기 제4전극들(24)이 이루는 전극 쌍(T1-B1, T2-B2, T3-B3, T4-B4)과, 상기 제1전극들(21)과 상기 제3전극들(23)이 이루는 전극 쌍(L1-T1, L1-T2, L1-T3, L1-T4, L2-T1, L2-T2, L2-T3, L2-T4, L3-T1, L3-T2, L3-T3, L3-T4)과, 상기 제2전극들(21)과 상기 제3전극들(23)이 이루는 전극 쌍(R1-T1, R1-T2, R1-T3, R2-T4, R2-T1, R2-T2, R2-T3, R2-T4, R3-T1, R3-T2, R3-T3, R3-T4)과, 상기 제1전극들(21)과 상기 제4전극들(24)이 이루는 전극 쌍(L1-B1, L1-B2, L1-B3, L1-B4, L2-B1, L2-B2, L2-B3, L2-B4, L3-B1, L3-B2, L3-B3, L3-B4)과, 상기 제2전극들(22)과 상기 제4전극들(24)이 이루는 전극 쌍(R1-B1, R1-B2, R1-B3, R1-B4, R2-B1, R2-B2, R2-B3, R2-B4, R3-B1, R3-B2, R3-B3, R3-B4)을 포함한다. 또한, 상기 전극 쌍은, 상기 제1전극들(21)끼리 이루는 전극 쌍, 상기 제2전극들(22)끼리 이루는 전극 쌍, 상기 제3전극들(23)끼리 이루는 전극 쌍, 상기 제4전극들(24)끼리 이루는 전극 쌍을 더 포함한다.

상기 제1전극들(21)과 상기 제2전극들(22)이 이루는 전극 쌍(L1-R1,L2-R2,L3-R3)은, 상기 제1기준 탄소섬유(111)가 전극 경로가 된다. 상기 제3전극들(23)과 상기 제4전극들(24)이 이루는 전극 쌍(T1-B1,T2-B2,T3-B3,T4-B4)은 상기 제2기준 탄소섬유(121)가 전극 경로가 된다. 상기 제1전극들(21)과 상기 제3전극들(23)이 이루는 전극 쌍(L1-T1, L1-T2, L1-T3, L1-T4, L2-T1, L2-T2, L2-T3, L2-T4, L3-T1, L3-T2, L3-T3, L3-T4)은, 상기 제1기준 탄소섬유(111)의 일단(111a)에서 상기 제2기준 탄소섬유(121)의 일단(121a)으로 연결되어 전극 경로가 된다. 상기 제2전극들(21)과 상기 제3전극들(23)이 이루는 전극 쌍(R1-T1, R1-T2, R1-T3, R2-T4, R2-T1, R2-T2, R2-T3, R2-T4, R3-T1, R3-T2, R3-T3, R3-T4)은, 상기 제1기준 탄소섬유(111)의 타단(111b)과 상기 제2기준 탄소섬유(121)의 일단(121a)이 연결되어 전극 경로가 된다. 상기 제1전극들(21)과 상기 제4전극들(24)이 이루는 전극 쌍(L1-B1, L1-B2, L1-B3, L1-B4, L2-B1, L2-B2, L2-B3, L2-B4, L3-B1, L3-B2, L3-B3, L3-B4)은, 상기 제1기준 탄소섬유(111)의 일단(111a)과 상기 제2기준 탄소섬유(121)의 타단(121b)이 연결되어 전극 경로가 된다. 상기 제2전극들(22)과 상기 제4전극들(24)이 이루는 전극 쌍(R1-B1, R1-B2, R1-B3, R1-B4, R2-B1, R2-B2, R2-B3, R2-B4, R3-B1, R3-B2, R3-B3, R3-B4)은 상기 제1기준 탄소섬유(111)의 타단(111b)과 상기 제2기준 탄소섬유(121)의 타단(121b)이 연결되어 전극 경로가 된다.

상기 저항 측정기(30)는 상기 전극 쌍들 사이의 저항 변화를 측정한다.

상기 컴퓨터(40)는, 상기 저항 변화가 감지된 전극 쌍들의 저항 변화율을 서로 비교하고, 상기 저항 변화율이 상대적으로 큰 전극 쌍을 연결하는 상기 탄소섬유들과 인접한 위치를 상기 변형 위치로 판단한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 구조 건전성 감시방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 탄소섬유 그리드시트(10)에서 상기 복수의 탄소섬유들 중 상기 복수의 전극들(20)을 연결하고자 하는 기준 탄소섬유를 설정한다.(S1) 본 실시예에서는, 상기 기준 탄소섬유들은, 상기 제1탄소섬유들(11) 중 상기 제1설정간격(d1)으로 이격되게 위치한 3개의 제1기준 탄소섬유들(111)과, 상기 제2탄소섬유들(12) 중 상기 제2설정간격(d2)으로 이격되게 위치한 4개의 제2기준 탄소섬유들(121)인 것으로 예를 들어 설명한다. 이 때, 상기 전극(20)이 연결된 기준 탄소섬유의 개수나 상기 제1,2설정간격(d1)(d2)은, 상기 구조 건전성 감시장치의 용도나 성능에 따라 설정된다.

상기 복수의 탄소섬유들 중 상기 기준 탄소섬유들에만 상기 전극(20)을 연결한다.(S2) 즉, 상기 제1기준 탄소섬유들(111)의 양단(111a)(111b)과, 상기 제2기준 탄소섬유들(121)의 양단(121a)(121b)에 각각 상기 전극들(20)을 연결한다. 상기 복수의 전극들(20)은, 상기 제1기준 탄소섬유들(111)의 일단(111a)에 연결된 복수의 제1전극들(21)과, 상기 제1기준 탄소섬유들(111)의 타단(111b)에 연결된 복수의 제2전극들(22)과, 상기 제2기준 탄소섬유들(121)의 일단(121a)에 연결된 복수의 제3전극들(23)과, 상기 제2기준 탄소섬유들(122)의 타단(121b)에 연결된 복수의 제4전극들(24)을 포함한다. 상기 제1전극들(21)은, 3개의 제1,2,3좌측 전극들(L1,L2,L3)을 포함하고, 상기 제2전극들(22)은 3개의 제1,2,3우측 전극들(R1,R2,R3)을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. 또한, 상기 제3전극들(23)은, 4개의 제1,2,3,4상측 전극들(T1,T2,T3,T4)을 포함하고, 상기 제4전극들은 4개의 제1,2,3,4하측 전극들(B1,B2,B3,B4)을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다.

본 발명에서는, 상기 복수의 탄소섬유들이 서로 교차되어 그리드 구조의 저항 경로를 이루기 때문에, 상기 전극들(20)이 상기 복수의 탄소섬유들의 일부에만 연결되더라도 모든 탄소섬유들이 저항 경로로 이용될 수 있다. 따라서, 모든 탄소섬유들에 전극을 연결할 필요가 없어지므로, 상기 전극들(20)의 개수를 줄일 수 있는 이점이 있다.

이후, 상기 복수의 전극들(20)에 상기 저항 측정기(30)를 연결하여, 모든 전극 쌍의 저항값을 측정한다.(S3)

상기 컴퓨터(40)는, 상기 모든 전극 쌍들에서 측정된 저항값과 미리 저장된 저항값을 비교하여, 저항 변화율을 계산한다.(S4) 상기 미리 저장된 저항값은 상기 컴퓨터(40)에 저장된 초기 저항값이다.

상기 컴퓨터(40)는, 상기 전극 쌍들의 저항 변화율을 서로 비교하고, 상기 저항 변화율이 상대적으로 큰 전극 쌍들이 연결된 전극 경로를 찾아낸다. 상기 저항 변화율의 크기는 상기 전극 경로와 상기 변형 위치사이의 거리에 반비례한다. 즉, 상기 저항 변화율이 큰 전극 경로일수록 상기 변형 위치에 가깝다. 따라서, 상기 저항 변화율이 상대적으로 큰 전극 경로와 변형 위치가 보다 인접하다고 판단하여, 상기 저항 변화율에 따라 상기 전극 경로와 변형 위치와의 거리를 산출하여, 상기 변형 위치를 최종 판단할 수 있다. 상기 변형 위치와의 거리를 산출하는 방법은 상기 컴퓨터(40)에 미리 저장된다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 변형 위치를 찾는 방법을 예를 들어 설명한다.

먼저, 도 3을 참조하면, 상기 제1기준 탄소섬유(111)와 상기 제2기준 탄소섬유(121)가 교차하는 제1지점(A)에 변형이 발생한 경우에 대해 설명한다.

상기 제1지점(A)에 변형이 발생하면, 압저항 효과에 의해 상기 제1좌측 전극(L1)과 상기 제1우측 전극(R1)이 이루는 전극 쌍(L1-R1)의 저항값과, 상기 제1상측 전극(T1)과 상기 제1하측 전극(B1)이 이루는 전극 쌍(T1-B1)의 저항값이 변화한다. 또한, 상기 제1좌측 전극(L1)과 상기 제1상측 전극(T1)이 이루는 전극 쌍(L1-T1)의 저항값, 상기 제1좌측 전극(L1)과 상기 제1좌측 전극(L1)과 상기 제2상측 전극(T2)이 이루는 전극 쌍(L1-T2)의 저항값, 상기 제1좌측 전극(L1)과 상기 제1하측 전극(B1)이 이루는 전극 쌍(L1-B1)의 저항값 등 상기 제1지점을 통과하는 전극 경로의 저항값이 모두 변화한다.

상기 컴퓨터(40)는 상기 전극 쌍들의 저항 변화율을 계산하고, 서로 비교한다. 상기 컴퓨터(40)는 상기 저항 변화율이 가장 큰 전극 쌍들을 찾아낸다. 상기 제1지점(A)에 변형이 발생한 경우, 상기 제1좌측 전극(L1)과 상기 제1우측 전극(R1)이 이루는 전극 쌍(L1-R1)의 저항 변화율과, 상기 제1상측 전극(T1)과 상기 제1하측 전극(B1)이 이루는 전극 쌍(T1-B1)의 저항 변화율이 가장 크게 나타난다.

따라서, 상기 컴퓨터(40)는, 상기 제1좌측 전극(L1)과 상기 제1우측 전극(R1)이 이루는 전극 쌍(L1-R1)이 연결된 전극 경로와 상기 제1상측 전극(T1)과 상기 제1하측 전극(B1)이 이루는 전극 쌍(T1-B1)이 연결된 전극 경로가 교차하는 상기 제1지점(A)에 변형이 발생하였다고 판단할 수 있다.

한편, 도 4를 참조하면, 상기 전극(20)이 연결되지 않는 탄소섬유 상인 제2지점(B)에 변형이 발생한 경우에 대해 설명한다. 상기 제2지점(B)은 전극 경로가 아니지만, 모든 탄소섬유들이 저항 경로로 연결되기 때문에 인접하는 전극 경로의 전극 쌍들에서 저항변화가 발생된다.

상기 제2지점(B)에 변형이 발생하면, 상기 제3상측 전극(T3)과 상기 제1우측 전극(R1)이 이루는 전극 쌍(T3-R1), 상기 제3상측 전극(T3)과 상기 제2우측 전극(R2)이 이루는 전극 쌍(T3-R2), 상기 제4상측 전극(T4)과 상기 제1우측 전극(R1)이 이루는 전극 쌍(T4-R1), 상기 제4상측 전극(T4)과 상기 제2우측 전극(R2)이 이루는 전극 쌍(T4-R2)의 저항값이 변화한다.

이 때, 저항 변화율을 살펴보면, 상기 제4상측 전극(T4)과 상기 제1우측 전극(R1)이 이루는 전극 쌍(T4-R1)의 저항 변화율과 상기 제4상측 전극(T4)과 상기 제2우측 전극(R2)이 이루는 전극 쌍(T4-R2)의 저항 변화율이 비슷하게 나타난다. 따라서, 상기 변형 위치는 상기 제1우측 전극(R1)과 상기 제2우측 전극(R2)의 중간에 위치한다고 판단할 수 있다.

또한, 상기 제4상측 전극(T4)과 상기 제2우측 전극(R2)이 이루는 전극 쌍(T4-R2)의 저항 변화율이 상기 제3상측 전극(T3)과 상기 제2우측 전극(R2)이 이루는 전극 쌍(T3-R2)의 저항 변화율보다 크게 나타난다. 따라서, 상기 변형 위치는, 상기 제1우측 전극(R1)과 상기 제2우측 전극(R2)의 중간에 위치하되, 상기 제3상측 전극(T3)보다는 상기 제4상측 전극(T4)에 가깝다고 판단할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에서는 모든 탄소섬유들이 그리드 구조의 저항 경로를 이루고 있기 때문에, 상기 전극(20)이 연결되지 않는 탄소섬유 상에 변형이 발생하더라도, 인접하는 전극 쌍들에서 저항 변화가 측정될 수 있으며, 이로 인해 변형 위치를 판단하는 것이 가능하다.

한편, 도 5를 참조하면, 제3지점(C)에 변형이 발생한 경우에 대해 예를 들어 설명한다.

상기 제3지점(C)은, 상기 탄소섬유에 직접적인 변형을 생기지 않는 경우이다. 상기 제3지점(C)에 변형이 발생되면, 상기 제3지점(C)과 인접한 위치의 탄소섬유들에 변형이 생긴다. 이 경우에는 상기 제2좌측 전극(L2)과 상기 제2우측 전극(R2)이 이루는 전극 쌍(L2-R2)의 저항 변화율과, 상기 제3상측 전극(T3)과 상기 제3하측 전극(B3)이 이루는 전극쌍(T3-R3)의 저항 변화율이 크게 나타난다. 따라서, 상기 변형 위치는 상기 제2좌측 전극(L2)과 상기 제2우측 전극(R2)을 연결하는 전극 경로와, 상기 제3상측 전극(T3)과 상기 제3하측 전극(B3)을 연결하는 전극 경로가 교차하는 지점과 인접한 위치라고 판단할 수 있다.

한편, 도 6을 참조하면, 제4지점(D)에 변형이 발생한 경우에 대해 예를 들어 설명한다.

상기 제4지점(D)에 변형이 발생되면, 상기 제3좌측 전극(L3)과 상기 제3우측 전극(R3)이 이루는 전극 쌍(L3-R3)에서 저항 변화가 나타난다. 또한, 상기 제3하측 전극(B3)과 상기 제4하측 전극(B4)이 이루는 전극 쌍(B3-B4)에서도 저항 변화가 나타난다. 여기서, 상기 탄소섬유 그리드시트(10)는 탄소섬유들이 교차되어 그리드 구조를 이루기 때문에, 동일면에 위치한 전극들, 예를 들면 제1,2,3,4하측 전극들(B1,B2,B3,B4)끼리도 전극 경로로 연결될 수 있으므로, 상기 제3하측 전극(B3)과 상기 제4하측 전극(B4)이 이루는 전극 쌍(B3-B4)에서도 저항 변화값도 알 수 있다. 상기 제3하측 전극(B3)과 상기 제4하측 전극(B4)이 이루는 전극 쌍(B3-B4)의 저항 변화율이, 상기 제1하측 전극(B1)과 상기 제2하측 전극(B2)이 이루는 전극 쌍(B1-B2)의 저항 변화율이나, 상기 제2하측 전극(B2)과 상기 제3하측 전극(B3)이 이루는 전극 쌍(B2-B3)의 저항 변화율에 비해 크게 나타난다. 따라서, 상기 제3좌측 전극(L3)과 상기 제3우측 전극(R3)을 연결하는 탄소섬유에서 상기 제3하측 전극(B3)과 상기 제4하측 전극(B4)사이의 구간에서 변형이 일어났다고 판단할 수 있다. 이 때, 상기 제3상측 전극(T3)과 상기 제3하측 전극(B3)이 이루는 전극 쌍의 저항 변화율과, 상기 제4상측 전극(T4)과 상기 제4하측 전극(B4)이 이루는 전극 쌍의 저항 변화율을 비교한다. 상기 제3상측 전극(T3)과 상기 제3하측 전극(B3)이 이루는 전극 쌍의 저항 변화율이 상기 제4상측 전극(T4)과 상기 제4하측 전극(B4)이 이루는 전극 쌍의 저항 변화율보다 작으면, 상기 변형 위치가 상기 제4상측 전극(T4)과 상기 제4하측 전극(B4)을 연결하는 전극 경로에 보다 인접한 위치라고 판단할 수 있다. 즉, 상기 변형 위치는, 상기 제3좌측 전극(L3)과 상기 제3우측 전극(R3)을 연결하는 전극 경로상에 위치하되, 상기 제3하측 전극(B3)보다 상기 제4하측 전극(B4)에 인접한 위치라고 판단할 수 있다.

상기와 같이, 복수의 탄소섬유들이 그리드 구조의 저항 경로를 이루며 서로 연결되기 때문에, 전극 쌍을 연결하는 전극 경로 이외의 부분에 변형이 발생하더라도 저항 변화가 전달되어 사각지대 없이 모두 감지할 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: 탄소섬유 그리드시트 20: 전극
30: 저항 측정기 40: 컴퓨터

Claims (7)

1. 구조물에 설치되고, 복수의 탄소섬유들이 교차되어 그리드 구조의 저항 경로를 형성하는 단일의 탄소섬유 그리드시트와;
   상기 복수의 탄소섬유들 중 설정간격으로 서로 이격되게 위치한 일부 탄소섬유들의 끝단에 연결된 복수의 전극들과;
   상기 복수의 전극들 중 상기 저항 경로를 따라 전극 쌍을 이루는 전극들 사이의 저항 변화를 측정하는 저항 측정기와;
   상기 저항 측정기에서 측정된 저항 변화에 따라 변형 위치를 판단하는 컴퓨터를 포함하는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄소섬유 그리드시트는,
   수평방향으로 길게 배치되고, 수직방향으로 서로 소정간격 이격되게 배치된 복수의 제1탄소섬유들과;
   상기 수직방향으로 길게 배치되고, 상기 수평방향으로 서로 소정간격 이격되게 배치되어, 상기 제1탄소섬유들과 교차된 복수의 제2탄소섬유들을 포함하고,
   상기 복수의 전극들은,
   상기 복수의 제1탄소섬유들 중 미리 설정된 제1설정간격으로 이격되게 위치한 제1기준 탄소섬유들의 일단에 연결된 복수의 제1전극들과;
   상기 제1기준 탄소섬유들의 타단에 연결된 복수의 제2전극들과;
   상기 복수의 제2탄소섬유들 중 미리 설정된 제2설정간격으로 이격되게 위치한 제2기준 탄소섬유들의 일단에 연결된 복수의 제3전극들과;
   상기 제2기준 탄소섬유들의 타단에 연결된 복수의 제4전극들을 포함하는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전극 쌍은,
   상기 제1전극들과 상기 제2전극들이 쌍을 이루고 상기 제1기준 탄소섬유가 전극 경로가 되는 전극 쌍과,
   상기 제3전극들과 상기 제4전극들이 쌍을 이루고 상기 제2기준 탄소섬유가 전극 경로가 되는 전극 쌍과,
   상기 제1전극들과 상기 제3전극들이 쌍을 이루고 상기 제1기준 탄소섬유들의 일단과 상기 제2기준 탄소섬유들의 일단이 전극 경로로 연결되는 전극 쌍과,
   제2전극들과 상기 제3전극들이 쌍을 이루고, 상기 제1기준 탄소섬유들의 타단과 상기 제2기준 탄소섬유들의 일단이 전극 경로로 연결되는 전극 쌍과,
   상기 제4전극들과 상기 제1전극들이 쌍을 이루고 상기 제2기준 탄소섬유들의 타단과 상기 제1탄소섬유들의 일단이 전극 경로로 연결되는 전극 쌍과,
   상기 제4전극들과 상기 제2전극들이 쌍을 이루고 상기 제2기준 탄소섬유들의 타단과 상기 제1탄소섬유들의 타단이 전극 경로로 연결되는 전극 쌍을 포함하는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 컴퓨터는, 상기 저항 변화가 감지된 전극 쌍들의 저항 변화율을 서로 비교하고,
   상기 전극 쌍들간의 상기 저항 변화율의 상대적 크기에 따라 상기 전극 쌍들을 연결하는 전극 경로와 변형 위치사이의 거리를 판단하여, 변형 위치를 판단하는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 구조 건전성 감시장치의 분해능은, 상기 탄소섬유들이 이루는 그리드의 밀도에 따라 설정되는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 구조 건전성 감시장치의 분해능은, 상기 복수의 탄소섬유들에 연결되는 상기 전극의 개수에 따라 설정되는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시장치.
7. 복수의 탄소섬유들이 교차되어 그리드 구조의 저항 경로를 형성하는 단일의 탄소섬유 그리드시트에서 상기 복수의 탄소섬유들 중 복수의 전극들을 연결하고자 하는 기준 탄소섬유를 설정하는 단계와;
   상기 설정된 기준 탄소섬유들의 끝단에 복수의 전극들을 연결하는 단계와;
   상기 복수의 전극들 중 전극 쌍을 이루는 전극들 사이의 저항 변화를 측정하는 단계와;
   상기 전극 쌍들의 저항 변화율을 서로 비교하는 단계와;
   상기 전극 쌍들간의 상기 저항 변화율의 상대적 크기에 따라 상기 전극 쌍들을 연결하는 전극 경로와 변형 위치사이의 거리를 판단하여, 변형 위치를 판단하는 단계를 포함하는 탄소섬유 그리드를 이용한 구조 건전성 감시방법.

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