KR20180021053A - 복합강연선용 광섬유센서유닛과 광섬유센서유닛의 제조방법 및 이를 이용한 복합강연선 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 광섬유센서유닛을 가진 복합강연선은 중앙에 위치하는 제1단위강연선, 상기 제1단위강연선의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 제2단위강연선들과, 상기 제1단위강연선에 길이 방향으로 중공부에 설치되는 광섬유센서유닛을 포함하며,
상기 광섬유센서유닛은 광파이버의 피복층이 제거됨으로써 노출되고, 브래그격자가 형성된 코어부와, 상기 코어부를 감싸는 것으로 폴리이미드로 이루어진 보강피복층과, 상기 보강피복층을 감싸는 광섬유보호튜브와, 상기 광섬유보호튜브와 보강피복층의 사이에 충전되어 이루어진 에폭시접착제 수지층을 포함하는 센서부를 가진다.

Description

복합강연선용 광섬유센서유닛과 광섬유센서유닛의 제조방법 및 이를 이용한 복합강연선{optical fiber sensor for wire strand and manufacturing of the same and wire strand utilizing the same}

본 발명은 복합강연선에 관한 것으로, 더 상세하게는 제1단위강연선의 중공부에 설치되는 광섬유센서유닛과 광섬유센서유닛의 제조방법 및 이를 이용한 복합강연선에 관한 것이다.

일반적으로 교량이나 빌딩 등의 구조물의 열화 정도나 문제 발생 여부의 판단을 위해서는, 구조물에 배치된 강연선에 가해지는 긴장력을 측정하거나 구조물의 변형률을 측정하는 등의 여러 구조적인 물리량의 계측과 수집이 필요하다.

특히, 구조물의 변형률이나 강연선에 가해지는 긴장력을 측정하기 위하여 사용되는 센서로는 측정값의 신뢰성이 높은 광섬유 센서가 주로 사용된다. 이러한 광섬유센서의 일예로서 널리 알려진 것으로는 FBG센서(Fiber Bragg Grating Sensor)가 있다.

대한민국 등록특허 제10-756056호에 개시되어 있다. 게시된 구성은 중앙에 위치된 심선에 형성된 중공부에 선형센서가 배치하고, 일단부를 에폭시접착제 수지층 저장통에 담그고 진공펌프를 이용하여 에폭시접착제 수지층을 관통공으로 유입시켜 에폭시가 관통공에 채워지도록 하는 것이다.

그러나 이러한 종래의 강연선은 강연선에 인장하중이 가하여지면 경화된 에폭시접착제 수지층에 미세한 균열이 발생되어 FBG센서가 손상되는 문제점이 있다.

대한민국 특허 제 1471909호에는 섬유로 피복된 선형센서 매립형 섬유보강복합소재 심선을 구비한 강연선 및 그 제작방법이 게시되어 있으며, 대한민국 공개 특허 제 10-2014-0056865호에는 강재로 피복된 선형센서 매립형 섬유보강복합 소재 심선을 구비한 강연선의 제작방법이 게시되어 있다.

게시된 강연선은 심선의 원주 주변에 복수개의 주변 강선이 배치되고, 상기 주변 강선이 꼬여서 형성되는 강연선으로서, 심선은, 내부에 선형센서가 매립되어 있는 FRP 봉과, 상기 FRP 봉의 외부를 피복하고 있는 강재피복으로 이루어져 선형센서의 손상을 방지하고 있다. 그러나 이러한 구조는 구조가 상대적으로 복잡하고 제작에 따른 구조적 신뢰성을 단보하기 어렵다.

대한민국 특허 제 1471909호 대한민국 등록특허 제10-756056호

본 발명의 해결하고자 하는 기술적 과제는 제 1단위강연선의 반복적인 신축에 인한 에폭시접착제 수지층의 크랙으로 광섬유센서유닛의 손상을 최소화 할 수 있으며, 최대 계측스트레인을 향상시킬 수 있고, 제1단위강연선과 센서부의 슬립발생을 최소화 할 수 있는 복합강연선용 광섬유센서유닛과 광섬유센서유닛의 제조방법 및 이를 이용한 복합강연선강연선용 광섬유센서유닛을 제공함에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 발명의 복합강연선용 광섬유센서유닛의 제조방법은 코어부와 클래드층을 포함하는 피복층을 가지는 광섬유에 소정의 간격으로 센서부가 형성될 부위의 피복층을 제거하여 상기 코어부를 노출시키는 피복층 제거단계와, 상기와 같이 피복층제거단계에 의해 노출된 코어부에 브래그 격자를 형성하는 브래그 격자형성단계와, 폴리이미드 재질을 이용하여 상기 노출된 코어부를 감싸 피복하여 보강피복층을 형성하는 보강피복층형성단계와, 코어부를 감싸는 보강피복층을 보호하기 위하여 광섬유보호튜브가 삽입하고, 이 광섬유보호튜브에는 에폭시접착제 수지층을 주입하는 광섬유보호튜브 삽입단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 복합강연선용 광섬유센서유닛은 광파이버의 피복층이 제거됨으로써 노출되고, 브래그격자가 형성된 코어부와, 상기 코어부를 감싸는 것으로 폴리이미드로 이루어진 보강피복층과, 상기 보강피복층을 감싸는 광섬유보호튜브와, 상기 광섬유보호튜브와 보강피복층의 사이에 충전되어 이루어진 에폭시접착제 수지층을 포함하는 센서부를 가진다.

그리고 광섬유센서유닛을 가지는 복합강연선은 중앙에 위치하는 제1단위강연선, 상기 제1단위강연선의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 제2단위강연선들과, 상기 제1단위강연선에 길이 방향으로 중공부에 설치되는 광섬유센서유닛을 포함하며,

상기 광섬유센서유닛은 광파이버의 피복층이 제거됨으로써 노출되고, 브래그격자가 형성된 코어부와, 상기 코어부를 감싸는 것으로 폴리이미드로 이루어진 보강피복층과, 상기 보강피복층을 감싸는 광섬유보호튜브와, 상기 광섬유보호튜브와 보강피복층의 사이에 충전되어 이루어진 에폭시접착제 수지층을 포함하는 센서부를 가진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복합강연선용 광섬유센서유닛과 광섬유센서유닛의 제조방법 및 이를 이용한 복합강연선은 시간이 경과됨에 따라 제1강연선에 중공부에 설치되는 광섬유센서를 고정하는 에폭시접착제 수지층의 크랙이 발생되어 광섬유센서가 손상되는 것을 근본적으로 방지할 수 있으며, 광섬유센서의 센싱에 따른 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합강연선을 나타내 보인 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 복합강연선의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 광섬유센서유닛을 발췌하여 도시한 일부절제 사시도,
도 4는 도 3에 도시된 광섬유센서유의 단면도,
도 5 내지 6은 종래 복합강연선의 스트레인변화와 최대계측 변형율을 나타내 보인 그래프,
도 7 내지 8은 본 발명에 따른 복합강연선의 스트레인변화와 최대계측 변형율을 나타내 보인 그래프.

본 발명은 사회 기반시설물 중의 하나인 교량, 빌딩, 댐 등의 구조물, 현수교의 와이어케이블 등에 설치된 것으로, 광섬유센서유닛이 장착된 복합강연선을 도 1 내지 도 4에 나타내 보였다.

본 발명에 따른 복합강연선은 신뢰성, 시공성, 내구성 등을 감안하여 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber optic Bragg Grating sensor)로 이루어진 광섬유센서유닛이 적용된다.

도면을 참조하면, 이러한 복합강연선(10)은 본 발명에 따른 복합강연선은 중공부(21)를 가지는 제1단위강연선(20)과, 상기 제1단위강연선(20)의 주면을 둘러싸며 길이 방향으로 상호 꼬여 제1단위강연선(20)을 감싸는 여섯 가닥의 제 2단위강연선(30)들을 구비한다. 상기 복합강연선의 중앙부에 위치되는 제 1단위강연선(20)의 중공부(21)에는 광섬유센서유닛(50)이 설치된다.

상기 복합 강연선을 이루는 제1 단위강연선(20)은 외주면에 길이 방향으로 중앙부에 광섬유센서유닛(50)이 설치되는 중공부가 형성된 구성이 게시되어 있으나 이에 한정되지 않고 외주면에 길이 방향으로 인입홈이 형성되어 이루어질 수 있다. 그리고 제1강연선(20)의 중앙부에 형성되는 중공부(21)는 튜브가 삽입되어 이루어질 수도 있다. 그러나 이에 한정되지 않고 상기 제1단위강연선(20)의 길이 방향으로 형성은 인발성형에 의해 이루어질 수도 있다. 그리고 제 1단위강연선(10)의 중공부에 삽입되는 광섬유센서유닛(50)의 고정을 위하여 광섬유센서유닛(50)를 중공부에 고정하기 위한 에폭시접착제 수지층이 주입 될 수 있다.

상기 제1단위강연선(20)의 중공부(21)에 삽입되는 광섬유센서유닛(50)은 광섬유의 길이 방향으로 복수개의 센서부(60)를 구비한다.

상기 센서부(60)는 브래그격자를 이용한 것으로, 광원에 의해 광을 광섬유에 조사시킬 경우, 브래그 조건에 맞는 파장 성분은 브래그격자에서 반사되고 나머지 파장 성분은 그대로 통과하는 성질을 이용하는 것이다. 이렇게 반사되는 광 및 그대로 통과한 광을 광검출기에서 측정하여 각종 물리량의 변화를 측정할 수 있다. 브래그격자에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수인데, 브래그 격자의 간격이 온도나 하중 등의 외부 물리량에 의해 변경될 경우, 브래그 격자에서 반사되는 광의 파장인 브래그 파장 역시 변하게 되므로, 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정하여 물리량 (온도, 변형률)을 역으로 계산할 수 있다.

상기 광섬유센서유닛(50)의 센서부(60)는 도 2, 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 코어부(51)과 피복층(52)로 이루어진 광섬유(53)의 센서형성부위 피복층이 제거되어 노출된 코어부(51)에 브래그 격자(61)이 형성되고, 상기 브래드 격자(61)가 형성된 코어부(51)가 폴리이미드로 이루어진 보강피복층(62)이 형성된다. 상기 보강피복층(62)이 형성된 부위에 광섬유보호튜브(63)가 삽입되고, 이 광섬유보호튜브(63)와 보강피복층(62)의 사이에는 에폭시접착제 수지층(64)이 주입되어 경화된 구조를 가진다. 상기 광섬유보호튜브(63)는 폴리이미드(polyimide) 또는 테프론(Teflon) 재질로 이루어질 수 있다.

상기 보강피복층(62)은 노출된 코어부(51) 뿐만아니라 양측에 위치되는 피복층(52)을 감싸는 구조를 가진다. 그리고 상기 광섬유보호튜브(63)의 양단부는 상기 광섬유를 감싸는 센서보호튜브(70)의 양단부와 중첩될 수 있도록 함이 바람직하다.

상기 광섬유보호튜브(63)가 테프론재질로 이루어진 경우, 이의 외경은 1.5mm이고, 내경은 1.0mm 인 것을 사용함이 바람직하며, 상기 폴리이미드 재로 이루어진 경우, 외경은 1.23mm 내경은 1.13mm를 사용함이 바람직하다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 광섬유센서유닛(50)을 제조하기 위한 제조방법은 코어부(51)와 클래드층을 포함하는 피복층(52)을 가지는 광섬유(53)에 소정의 간격으로 센서부(60)가 형성될 부위의 피복층(52)을 제거하여 상기 코코어부(51)을 노출시키는 피복층 제거단계를 수행한다.

상기와 같이 피복층제거단계에 의해 피복층(52)이 제거되면, 노출된 코어부(51)에 브래그 격자(61)를 형성하는 브래그 격자형성단계를 수행한다. 상기 코어부(61)에 브래그 격자의 형성은 1cm의 범위 내에서 형성함이 바람직하다. 그리고 상기 폴리이미드 재질을 이용하여 상기 노출된 코어부를 감싸 피복하여 보강피복층을 형성하는 보강피복층형성단계를 수행한다. 상기 보강피복층의 양단부는 상기 광파이버를 코어부(51)를 피복하는 피복층(52)과 중첩되도록 형성함이 바람직하다.

상기와 같이 코어부(51)를 감싸는 보강피복층(52)를 보호하기 위하여 상기 폴리이미드 재질 또는 테프론 재질로 이루어진 광섬유보호튜브(63)가 삽입되고, 이 광섬유보호튜브(63)에는 에폭시접착제 수지층을 주입하여 경화시키는 광섬유보호튜브 삽입단계를 수행한다.

이상에서 상술한 본 발명의 광섬유센서유닛을 가진 복합강연선은 교량에 설치되거나 교량, 댐, 빌딩 등과 같은 콘트리트 구조물에 적용하여 변형율을 측정하게 된다.

변형율을 측정하기 위해서는 신호전달부재를 통하여 광섬유에 광을 조사하고, 센서부(60)의 브래그격자(61)에 의해 반사된 광 및 통과한 광을 검출하여 분석함으로써 복합강연선(10)의 변형률을 측정하는 것이다. 이러한 변형률 측정은 시공 후 실시를 하고, 일정한 간격으로 계속적으로 실시함으로써 변형률의 변화추이를 관찰할 수 있다. 본원 발명의 복합강연선에 설치된 광섬유센서유닛은 강연선의 반복적인 신축 및 압축에 의해 광섬유보호튜브(63)과 보강피복층(62)의 사이에 주입되어 경화된 에폭시접착제 수지층에 크랙이 발생되는데, 이 크랙으로 인한 변형력 및 외력이 브래그 격자(61)가 형성된 코어부(51)에 가하여지는 것을 방지할 수 있다. 또한 스트레인을 향상시킴과 제1단위강연선과의 슬립(slip)을 최소화 시킬 수 있다.

본 발명인은 종래의 광섬유센서가 적용된 복합강연선과, 본 발명의 광섬유센서유닛이 적용된 강연선을 인장시험하였다.

본 발명에 따른 복합강연선과 종래의 복합강연선의 시편은 각각 12개씩으로 하였으며, 길이는 50cm, 직경은 5.5mm, 광섬유센서유닛의 센서위치는 중앙부에 위치하도록 하였다. 그리고 하중제어 방식으로 최대 6kN의 인장하중을 도입하였다.

본 발명에 따른 복합강연선과 종래 복합강연선과의 인장실험을 통하여 도 5 내지 도 8의 그래프를 얻었다.

도면을 참조하면, 종래 복합강연선은 시간변화에 따른 스트레인의 변화값이 종래의 복합강연선에 비하여 본 발명에 따른 강연선이 심하게 나타나는 것을 알 수 있었다. 그리고 본 발명에 따른 복합강연성의 최대 계측 스트레인과 평균값은 1.47% 로 종래 복합강연선의 계측스트레인의 평균 값 0.77%에 비하여 91%g향상됨을 알 수 있었다. 그리고 본 발명의 광섬유센서유닛의 선세부의 제1단위강연선에 대한 슬립이 발생되지 않음을 알 수 있었다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 사람이라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 코어부와 클래드층을 포함하는 피복층을 가지는 광섬유에 소정의 간격으로 센서부가 형성될 부위의 피복층을 제거하여 상기 코어부를 노출시키는 피복층 제거단계와, 상기와 같이 피복층제거단계에 의해 노출된 코어부에 브래그 격자를 형성하는 브래그 격자형성단계와, 폴리이미드 재질을 이용하여 상기 노출된 코어부를 감싸 피복하여 보강피복층을 형성하는 보강피복층형성단계와, 코어부를 감싸는 보강피복층을 보호하기 위하여 것으로 폴리이미드재질로 이루어진 광섬유보호튜브가 삽입되고, 이 광섬유보호튜브에는 에폭시접착제 수지층을 주입하는 광섬유보호튜브 삽입단계를 포함한 것을 특징으로 하는 복합강연선용 광섬유센서유닛의 제조방법.
2. 광파이버의 피복층이 제거됨으로써 노출되고, 브래그격자가 형성된 코어부와, 상기 코어부를 감싸는 것으로 폴리이미드로 이루어진 보강피복층과, 상기 보강피복층을 감싸며 폴리이미드 재질로 이루어진 광섬유보호튜브와, 상기 광섬유보호튜브와 보강피복층의 사이에 충전되어 이루어진 에폭시접착제 수지층을 포함하는 센서부를 가진 것을 특징으로 하는 복합강연선용 광섬유센서유닛.
3. 중앙에 위치하는 제1단위강연선, 상기 제1단위강연선의 주위를 둘러싸며 서로 꼬인 여섯 가닥의 제2단위강연선들과, 상기 제1단위강연선에 길이 방향으로 중공부에 설치되는 광섬유센서유닛을 포함하며,
   상기 광섬유센서유닛은 광파이버의 피복층이 제거됨으로써 노출되고, 브래그격자가 형성된 코어부와, 상기 코어부를 감싸는 것으로 폴리이미드로 이루어진 보강피복층과, 상기 보강피복층을 감싸며 폴리이미드 재질로 이루어진 광섬유보호튜브와, 상기 광섬유보호튜브와 보강피복층의 사이에 충전되어 이루어진 에폭시접착제 수지층을 포함하는 센서부를 가진 것을 특징으로 하는 광섬유센서유닛을 가진 복합강연선.

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