KR20190085423A - 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법 - Google Patents

분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 복합재료 표면 또는 내부에 분포된 광섬유의 잔류 변형률을 측정함으로써, 저속 충격으로 인하여 복합재료 상에 발생된 손상 위치 및 정도를 효과적이면서도 경제적으로 검출할 수 있도록 하는, 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 센서를 실시간으로 상시 작동시키지 않아도 되게 함으로써, 센서로의 상시 전력 공급 문제 뿐만 아니라 일시적인 센서 작동 불능, 오작동 등으로 인한 검출 오류 또한 원천적으로 배제될 수 있도록 하는, 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법을 제공함에 있다.

Description

분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법 {Apparatus and method for detecting impact damage applied to composite material using distributed optical fibers}
본 발명은 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구조물 안정성 모니터링을 위해 복합재료 구조물에 발생되는 충격 손상을 검출함에 있어서, 센서 작동을 위한 상시 전력 공급 등을 원천적으로 배제함과 동시에 저속 충격으로 인하여 복합재료 상에 발생된 손상 위치 및 정도를 효과적이면서도 경제적으로 검출할 수 있도록 하는, 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
복합재료(composite materials)란 가장 광의적으로는 두 종류 이상의 소재를 복합화한 재료를 말하는 것으로, 실제로는 두 종류 이상의 소재를 복합화한 후에 물리적 또는 화학적으로 각각의 소재가 원래의 상을 유지하면서 원래의 소재보다 우수한 성능을 갖도록 한 재료를 일컫는다. 현재에는 일반적으로, 다양한 금속재, 수지재 등으로 이루어지는 모재에 유리섬유나 탄소섬유 등으로 이루어지는 강화재가 더해져 만들어지는 것을 복합재료라고 칭한다. 이러한 복합재료는, 경량성, 고강도, 고강성, 내피로성이 높기 때문에 특히 항공 분야, 자동차 분야 등에서 매우 활발하게 응용되고 있다.
이러한 복합재료 충격 손상 검출 연구는 구조물 안전성 모니터링(structural health monitoring) 연구의 초창기부터 진행되어 온 전통적인 연구 주제이다. 미국 및 유럽 등의 항공 공학 분야 연구 팀에서 충격 위치 및 손상 정도를 탐지하기 위한 실시간 모니터링 연구가 진행되어 오고 있다. 한편, 국내에서는 한국과학기술원와 한국기계연구원 부설 재료연구소 등에서 복합재료 구조물에 대한 충격 손상을 탐지하기 위한 광섬유 브래그 격자 센서 적용 연구를 수행한 적이 있다. 한국항공우주연구원에서는 한국특허공개 제2009-0069069호("복합재 구조물의 손상 탐지장치 및 방법", 2009.06.29)을 통해 타격기로 탐지 대상인 복합재 구조물을 타격하여 발생된 고유 진동수를 사용하여 복합재 구조물의 손상 여부 또는 정도를 판단하는 기술을 개시한 바 있다.
한편, 복합재료는 비강성과 비강도는 우수하나 인성(toughness)이 작아 충격에 쉽게 손상이 발생할 수 있다. 특히 저속 충격에 의한 손상은 복합재료 구조물의 외관에 쉽게 나타나지 않기 때문에 발견이 어려운 경우가 대부분이다. 이러한 저속 충격 손상에 의한 찾기 힘든 손상에 의한 구조 신뢰성 저하를 해결하기 위하여 빈번한 구조 결함 검사 등으로 비용이 증가되고 있다. 그런데 앞서 설명한 선행연구들, 즉 압전 센서, 광섬유 브래그 격자 센서 등을 사용하는 기존의 손상 검출 방법들은, 근본적으로 실시간 탐지를 위한 기술이기 때문에 충격 발생 이후에는 복합재료와 같이 완성 탄성체의 손상은 검출이 불가능하다는 문제가 있었다. 뿐만 아니라 선행연구들의 경우 충격이 발생하는 순간에 실시간으로 작동하고 있어야만 한다는 전제가 필요한데, 실제 현장에서 충격이 발생하는 순간 센서가 작동이 되지 않았다거나 약간의 오작동이 있게 되면 충격 손상 이벤트 검출이 불가능해진다는 약점 또한 있다.
상술한 바와 같이 복합재료에 발생된 저속 충격에 의한 손상은, 단기적으로는 육안으로 관측이 어렵고 손상 정도가 작다 하더라도, 이러한 작은 손상들이 장기적으로는 재료 구조의 안전성에 영향을 준다는 문제가 있다. 따라서 이와 같은 복합재료의 저속 충격 손상 검출 위치 및 정도를 효과적이면서도 경제적으로 검출할 수 있는 기술에 대한 요구가 절실한 실정이다.
1. 한국특허공개 제2009-0069069호("복합재 구조물의 손상 탐지장치 및 방법", 2009.06.29)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 복합재료 표면 또는 내부에 분포된 광섬유의 잔류 변형률을 측정함으로써, 저속 충격으로 인하여 복합재료 상에 발생된 손상 위치 및 정도를 효과적이면서도 경제적으로 검출할 수 있도록 하는, 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 센서를 실시간으로 상시 작동시키지 않아도 되게 함으로써, 센서로의 상시 전력 공급 문제 뿐만 아니라 일시적인 센서 작동 불능, 오작동 등으로 인한 검출 오류 또한 원천적으로 배제될 수 있도록 하는, 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)는, 모재 및 강화재가 혼합된 복합재료 재질의 검출대상(500)의 충격 손상 위치 및 정도를 검출하는 장치로서, 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출대상(500) 상에 분포 배치되는 검출선부(111), 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출선부(111) 및 외부 간 신호 전달이 이루어지도록 분포된 상기 검출선부(111)들 중 최외곽에 위치한 상기 검출선부(111)들에 연결되는 전달선부(112)를 포함하여 이루어지는 검출수단(110); 상기 전달선부(112)를 통해 상기 검출수단(110)과 연결되며, 상기 검출선부(111)의 잔류 변형률을 측정하여 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치 및 정도를 산출하는 분석수단(120); 을 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때 상기 검출수단(110)은, 상기 검출선부(111)가 서로 독립적인 복수 개로 이루어질 경우, 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출선부(111)들을 서로 연결하는 적어도 하나의 연결선부(113)를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)는, 브릴루앙 주파수 천이(Brillouin frequency shift) 값이 광섬유의 변형률에 비례하는 원리를 이용하여, 충격 손상 발생 이전 측정된 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값을 기준값으로 하고, 충격 손상 발생 이후 측정된 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값이 변화된 위치 및 정도를 상기 기준값과 비교하여, 충격 손상 발생 이후 상기 검출선부(111)에 잔류하는 변형률을 산출함으로써 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치 및 정도를 산출하도록 이루어질 수 있다.
이 때 상기 검출수단(110)은, 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112) 또는 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112), 상기 연결선부(113)가 적어도 하나의 연결된 선을 형성하도록 이루어지되, 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112) 또는 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112), 상기 연결선부(113)로 이루어지는 하나의 연결된 선을 단위선(115)이라 할 때, 상기 검출수단(110)은 적어도 하나의 단위선(115)을 포함하여 이루어질 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 검출수단(110)은, 하나의 상기 단위선(115)에 대하여, 상기 단위선(115)은, 상기 검출선부(111)가 1개일 때, 상기 전달선부(112) - 상기 검출선부(111) - 상기 전달선부(112) 순으로 순차적으로 연결되어 형성되도록 이루어질 수 있다. 또는 상기 단위선(115)은, 상기 검출선부(111)가 N(N은 2 이상의 자연수)개일 때, 상기 연결선부(113)는 서로 인접한 2개의 상기 검출선부(111)의 끝단들을 연결하도록 N-1개 구비되고, 상기 전달선부(112)는 최외곽에 위치한 한 쌍의 상기 검출선부(111)에 대하여 상기 연결선부(113)가 연결되지 않은 끝단에 각각 연결되도록 2개 구비되어, 상기 전달선부(112) - 상기 검출선부(111) - 상기 연결선부(113) - … - 상기 검출선부(111) - 상기 전달선부(112) 순으로 순차적으로 연결되어 형성되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 검출수단(110)은, 하나의 상기 단위선(115)에 대하여, 상기 검출선부(111)가 N(N은 2 이상의 자연수)개일 때, 상기 단위선(115)에 포함되는 복수 개의 상기 검출선부(111)들이 서로 동일 방향으로 연장되며, 서로 평행하게 이격 배치되도록 이루어질 수 있다. 이 때 상기 검출수단(110)은, 상기 검출선부(111)의 연장 방향이, 상기 검출선부(111)가 부착된 상기 검출대상(500)을 형성하는 강화재의 연장 방향과 동일하게 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 또한 이 때 상기 검출수단(110)은, 상기 검출선부(111)들의 이격 간격이 등간격으로 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
또는 상기 검출수단(110)은, 하나의 상기 단위선(115)에 대하여, 상기 검출선부(111)가 1개일 때, 상기 검출대상(500)은 기둥 형상이며, 상기 검출선부(111)는 상기 검출대상(500)에 감겨지는 형태로 배치되되, 감겨진 상기 검출선부(111)의 일부들은 서로 평행하게 이격 배치되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 검출선부(111)는, 상기 검출대상(500)의 표면에 부착되거나 또는 내부에 매설되도록 이루어질 수 있다. 이 때 상기 검출선부(111)는, 상기 검출대상(500)의 표면에 부착되는 경우, 접착제에 의하여 부착되도록 이루어질 수 있다. 또는 상기 검출선부(111)는, 상기 검출대상(500)의 내부에 매설되는 경우, 상기 검출대상(500)은 모재 및 강화재로 이루어지는 층(500a)(500b)이 복수 개 적층되어 이루어지되, 상기 검출선부(111)는 상기 검출대상(500)을 이루는 복수 개의 층(500a)(500b)들 사이에 개재되도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 검출수단(110)은, 상기 검출선부(111)가 광섬유만으로 이루어지거나 또는 광섬유 표면에 코팅층(111a)이 더 형성되어 이루어질 수 있다. 이 때 상기 코팅층(111a)은, 금속재 또는 수지재로 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 방법은, 모재 및 강화재가 혼합된 복합재료 재질의 검출대상(500)의 충격 손상 위치 및 정도를 검출하도록, 브릴루앙 주파수 천이(Brillouin frequency shift) 값이 광섬유의 변형률에 비례하는 원리를 이용하여, 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출대상(500) 표면 또는 내부에 분포 배치되는 복수 개의 검출선부(111)를 사용하는 복합재료 충격 손상 검출 방법으로서, 상기 검출선부(111)의 상기 검출대상(500) 상의 위치 및 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값이 미리 측정되는 기준결정단계; 상기 검출대상(500) 상에 충격 손상이 발생되는 충격손상단계; 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값이 측정되는 변형측정단계; 상기 기준결정단계에서 미리 획득된 위치별로, 상기 기준결정단계에서 미리 획득된 브릴루앙 주파수 천이 기준값 및 상기 변형측정단계에서 측정된 브릴루앙 주파수 천이 측정값이 비교되어, 충격 손상 발생 이후 상기 검출선부(111)에 잔류하는 변형률이 산출됨으로써 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치 및 정도가 산출되는 충격검출단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 결과의 출력 방법은, 상술한 바와 같은 복합재료 충격 손상 검출 방법에 의해 검출된 검출 결과의 출력 방법에 있어서, 상기 검출선부의 지점들이 2차원 XY평면 상의 지점들에 매핑되는 단계; 상기 검출선부의 각 지점에서 측정된 잔류 변형률이 매핑된 2차원 XY평면 상의 각 지점에서 Z높이 값 또는 음영 값으로 표시되는 단계; 를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 구조물 외관에 쉽게 나타나지 않아 발견이 어려운 복합재료 상의 저속 충격 손상 여부 및 정도를 매우 효과적이면서도 경제적으로 검출해 낼 수 있다는 큰 효과가 있다. 특히 이러한 저속 충격 손상은 장기적인 재료구조의 안전성 및 신뢰성을 저하시키는 원인이 되는데, 본 발명에 의하면 이러한 저속 충격 손상을 효과적으로 검출하고 이를 보강이나 교체 여부 등의 판단 지표로서 활용할 수 있으므로, 궁극적으로는 복합재료 구조물의 장기적 안전성 및 신뢰성을 크게 향상할 수 있다는 큰 효과가 있다.
한편 종래에는 압전 센서나 광섬유 브래그 격자 센서 등을 사용하는 복합재료 충격 손상 감지 기술이 근본적으로 실시간 감지를 전제로 하고 있었는데, 이 때문에 충격이 발생하는 것을 실시간으로 감지하지 못할 경우 완성 탄성체인 복합재료에 발생된 손상을 검출하는 것이 불가능한 문제가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 복합재료 표면 또는 내부에 분포된 광섬유의 잔류 변형률을 측정하기 때문에, 복합재료 자체는 충격 발생 이후 원래 형상으로 복원되더라도 충격 발생에 따른 손상 여부 및 정도를 원활하게 검출해 낼 수 있는 효과가 있어, 상술한 바와 같은 실시간 감지 기술의 문제를 근본적으로 해소할 수 있다.
더불어 본 발명에 의하면, 실시간 감지를 전제로 하지 않기 때문에, 종래의 실시간 감지 기술이 가지고 있는 문제, 즉 센서로의 상시 전력 공급 및 이로 인한 전력 손실 문제나, 일시적인 센서 작동 불능, 오작동 등으로 인한 검출 오류 및 이로 인한 손상 검출 정확성 저하 문제 등이 원천적으로 배제된다는 효과 또한 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치의 한 실시예.
도 2는 브릴루앙 주파수 천이 검출 원리.
도 3 및 도 4는 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치의 검출 원리.
도 5는 검출수단 배치의 한 실시예.
도 6은 검출수단 배치의 다른 실시예.
도 7은 탄소 섬유로 제작된 복합재료 압력 용기 위에 설치된 광섬유들로서, (a)는 광섬유 설치 조건, (b)는 광섬유가 설치된 사진.
도 8은 충격에 따른 알루미늄 광섬유, 폴리이미드 광섬유, 표준 단일모드 광섬유의 브릴루앙 주파수 변이의 비교.
도 9는 알루미늄 광섬유, 폴리이미드 광섬유, 표준 SMF 세가지 광섬유에 40, 20, 그리고 10 J의 에너지로 충격을 가했을 때 브릴루앙 주파수 변이.
도 10은 복합재료 압력 용기와 용기 주위에 접착된 알루미늄 광섬유.
도 11은 쇄기형 충격기와 반구형 충격기에 의한 힘 그래프.
도 12는 브릴루앙 이득 그래프 (b) 와 이득 그래프로부터 추출된 브릴루앙 주파수 변이 (b).
도 13은 충격에너지 10, 20, 40 J 에 따라 각 충격 위치 점에서 얻어진 브릴루앙 주파수의 변이 그래프.
도 14는 10, 20, 40 J 충격에너지의 반구형 충격기에 의한 가행진 충격 순간의 변형 사진들.
도 15는 인장력 무제어 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 브릴루앙 주파수 분포.
도 16은 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 인가 위치 및 에너지 레벨.
도 17은 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격하중 선도.
도 18은 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 시험 결과(그룹 1).
도 19는 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 시험 결과(그룹 2).
도 20은 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 시험 결과(그룹 3).
도 21은 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 시험 결과(그룹 4).
도 22는 충격 위치 및 정도 출력 원리의 개념도.
도 23은 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 위치 및 정도(10, 20 J의 인가).
도 24는 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 위치 및 정도(10, 20, 30, 40 J의 인가).
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치 : 전체적인 구성 및 검출 원리
도 1은 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치의 한 실시예를 도시하고 있다. 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)는, 앞서 설명한 바와 같이 모재 및 강화재가 혼합된 복합재료 재질의 검출대상(500)의 충격 손상 위치 및 정도를 검출하는 장치이다. 조금 더 부연하자면, 완전 탄성체인 복합재료는 충격이 발생하더라도 시간이 지나면 원래의 형태로 복원되기 때문에, 충격 발생 순간에 실시간으로 충격이 감지되지 못할 경우 충격 발생 여부를 검출하기에 어려움이 있다. 물론 충격 정도(크기)가 상당히 커서 육안으로 쉽게 식별이 가능할 정도의 손상이 발생하였다면 충격 발생 여부를 용이하게 검출할 수 있겠으나, 저속 충격의 경우 손상 정도가 작기 때문에 충격 발생 여부 자체도 검출하기에 어려움이 있는 것이다. 본 발명은 이러한 문제를 해소하여, 충격 발생 여부조차 알기 어려운 저속 충격에 의해 발생된 손상이라 할지다로 그 위치 및 정도를 효과적이고 경제적으로 검출할 수 있도록 하기 위한 장치이다. 이러한 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이 검출수단(110) 및 분석수단(120)을 포함하여 이루어진다. 각부에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 검출수단(110)은 검출선부(111), 전달선부(112)를 포함하여 이루어지되, 여기에 연결선부(113)를 더 포함하여 이루어질 수도 있다. 상기 검출선부(111)는 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출대상(500) 상에 분포 배치된다. 상기 전달선부(112) 역시 광섬유 재질로 이루어져 분포된 상기 검출선부(111)들 중 최외곽에 위치한 상기 검출선부(111)들에 연결되며, 상기 전달선부(112)에 의하여 상기 검출선부(111) 및 외부 간 신호 전달이 이루어질 수 있게 된다. 이 때, 상기 검출선부(111)가 단일 개로 이루어지는 경우에는 상기 연결선부(113)가 굳이 필요하지 않지만, 상기 검출선부(111)가 서로 독립적인 복수 개로 이루어질 경우에는 상기 검출수단(110)은 상기 연결선부(113)를 포함하며, 이 경우 상기 연결선부(113)는 역시 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출선부(111)들을 서로 연결한다.
상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112), 상기 연결선부(113)는 모두 광섬유로 이루어져 있는 바, 상기 검출수단(110)은 원래부터 일체로 된 하나의 긴 광섬유 형태로 이루어질 수도 있고, 또는 개별적으로 분리되어 있던 광섬유들이 광섬유 접합 기술에 의해 접합되어 이루어질 수도 있다. 상기 검출수단(110)의 구체적인 구성에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.
상기 분석수단(120)은 상기 전달선부(112)를 통해 상기 검출수단(110)과 연결되며, 상기 검출선부(111)의 잔류 변형률을 측정하여 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치 및 정도를 산출한다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)는 브릴루앙 주파수 천이(Brillouin frequency shift) 값이 광섬유의 변형률에 비례하는 원리를 이용하여 충격 손상을 검출한다.
도 2는 브릴루앙 주파수 천이 검출 원리를 간략히 설명하기 위한 도면이다. 광이 물질 중에 생긴 음파와 상호 작용하여 입사광의 주파수와 다른 주파수로 산란하는 현상을 브릴루앙 산란이라고 하는데, 이 구파수의 차를 브릴루앙 주파수 천이라고 한다. 도 2(A)와 같이 시험하고자 하는 피측정 광섬유(Test fiber)의 양단에서 펌핑광(Pumping pulse light) 및 프로브광(Frequency sweeped CW probe light)을 각각 입사시키되, 펌핑광의 광주파수를 νp, 프로브광의 광주파수를 νCW라 하면, 두 광의 광주파수차 Δν는 νp - νCW가 된다. 상기 광주파수차 Δν를 상기 피측정 광섬유의 브릴루앙 주파수 천이 값인 νB와 일치하도록 광주파수를 조정하면, 펌핑광은 유도 브릴루앙 산란에 의해 프로브광으로 광에너지 변환을 하고, 프로브광은 상기 피측정 광섬유 내에서 브릴루앙 광증폭을 하게 된다. 이렇게 증폭된 프로브광의 광신호는 광검출기(PD)에 의해 전기신호로 변환됨으로써 측정이 가능하다.
이러한 브릴루앙 주파수 천이 값은, 광이 진행되는 물질 즉 광섬유의 재료에 크게 영향을 받을 뿐만 아니라 광섬유에 인가되는 변형률에 따라서 변화한다. 외부에서 가해지는 응력에 의한 광섬유의 변형률을 Δε라 하고, 온도 변화를 ΔT라 할 때, 브릴루앙 주파수 천이 값의 변화량 ΔνB 값은 하기의 식과 같이 나타난다. 하기 식에서 변형률 변환계수 Cε 및 온도 변환 계수 CT는 미리 알려진 값이나, 정확성을 높이기 위해 실제 응용조건에 따라 정확하게 조사하여 사용하는 것이 더 바람직하다.
ΔνB = CεㆍΔε + CTㆍΔT
상기 식에서 보이는 바와 같이, 온도 변화 영향이 없을 경우 브릴루앙 주파수 천이 값의 변화량은 광섬유의 변형률에 비례한다. 즉 어떤 광섬유의 브릴루앙 주파수 천이 값을 미리 측정하고, 상기 광섬유를 원하는 대상물에 부착 또는 매설한 후, 광섬유에 펌핑광 및 프로브광을 입사시켜 브릴루앙 주파수 천이 값을 다시 측정하였을 때, 브릴루앙 주파수 천이 값에 변화가 발생하였다면 이는 광섬유에 형상 변형이 발생하였다는 것을 뜻한다. 광섬유의 변형은 광섬유가 부착 또는 매설된 대상물의 변형에 기인함은 자명하며, 상술한 바와 같이 브릴루앙 주파수 천이 값의 변화량은 광섬유의 변형률에 비례하므로, 브릴루앙 주파수 천이 값의 변화량으로부터 광섬유의 변형률, 나아가 대상물의 변형률을 검출할 수 있게 된다. 도 2(B)는, 상술한 바와 같은 원리를 이용하여 광섬유가 구비된 대형 구조물에 대해서 조사된, 위치(Distance) 및 광주파수차(Frequency)에 대하여 브릴루앙 주파수 천이에 따라 나타나는 전기신호(Intensity)의 변화 및 그에 따른 변형률(Strain)의 변화 양상을 그래프로 나타낸 것이다.
이처럼 본 발명에서는 광섬유의 브릴루앙 주파수 천이 값을 측정함으로써 광섬유의 변형률을 측정하여, 궁극적으로는 복합재료의 충격 손상 위치 및 정도를 검출한다. 특히 본 발명의 방식은 종래의 압전 센서나 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서를 사용하는 실시간 충격 검출 방식과는 전혀 맥락을 달리한다. 종래의 실시간 충격 검출 방식의 경우, 충격이 발생된 시점에 센서가 동작하고 있어야만 충격 감지가 가능하며, 충격 발생 순간에 센서가 고장이 나거나 센서에 전력 등이 공급되지 않아 작동하지 않고 있었다면 그 순간의 충격을 감지하지 못한다. 한편 복합재료 구조물의 경우, 충격이 발생하여 형태의 변형이 일어나더라도 복합재료는 완전 탄성체이기 때문에 시간이 지나면 원래 형태로 복원된다. 그런데 종래의 실시간 충격 검출 방식의 경우, 만일 충격 발생 시점에 충격 발생 감지를 놓쳤다면 (충격 발생 이후 시간이 흐르면 복합재료가 원래 형태로 복원되어 버리기 때문에) 충격이 발생하였는지의 여부조차 검출이 불가능하다. 그러나 본 발명에서는 실시간 검출을 지향하는 것이 전혀 아니며, 따라서 충격 발생 이후에도 충격이 발생하였는지의 여부 뿐만 아니라 그 위치 및 정도를 검출해 낼 수 있다. 도 3을 통해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치의 검출 원리를 설명하기 위한 도면이다. 앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)는 광섬유로 이루어지는 검출수단(110)을 포함하고 있다. 도 3(A)는 상기 검출수단(110)이 복합재료로 된 검출대상(500) 표면에 부착되어 있는 예시를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 상기 검출대상(500)에 부착되어 있는 광섬유 부분은 상기 검출선부(111)가 된다. 상기 검출선부(111)는 광섬유만으로 이루어질 수도 있으나, 도 3(A)에 도시된 바와 같이 광섬유 표면에 코팅층(111a)이 더 형성되어 이루어질 수도 있다. 상기 코팅층(111a)은 알루미늄 등과 같은 금속재일 수도 있고, 폴리이미드 등과 같은 수지재일 수도 있다.
도 3(A)의 상태는 아직 충격이 발생한 적이 없는 상태로서, 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값은 미리 측정되어 획득된 기준값과 비교했을 때 변화가 없다. 충격이 발생한 적이 없는 최초 상태에서, 길이 L0을 가지는 소정의 검출영역을 결정하였다고 할 때, 상기 검출영역의 변형률은 도 3(A)에 표시된 식과 같이 (L0 - L0)/L0 = 0이 된다.
도 3(B)의 상태는 충격기(Impactor)를 사용하여 충격이 막 가해진 시점의 상태이다. 충격이 발생된 위치에서, 상기 검출선부(111) 및 상기 검출대상(500)은 모두 크게 변형이 일어난다. 특히 상기 검출선부(111)의 상기 검출영역의 길이는 Lmax로 변화되며, 이 때 상기 검출영역의 변형률은 도 3(B)에 표시된 식과 같이 (Lmax - L0)/L0 = εmax가 된다.
도 3(C)의 상태는 충격이 발생한 후 얼마간 시간이 흐른 시점의 상태이다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 검출대상(500)은 완전 탄성체인 복합재료 재질이기 때문에, 충격 발생 후 시간이 흐르면 도 3(C)에 도시된 바와 같이 원래 형태로 복원된다(물론 도 3(C)에 도시된 바와 같이 형태가 복원되더라도 상기 검출대상(500) 내부에는 충격이 퍼져나가는 방향으로 균열이 형성되고, 또한 층간에도 균열이 형성되기는 한다). 이처럼 형태가 복원되어 버린 상태에서는, 실제로는 내부적으로 충격에 의한 미세한 손상이 발생하였더라도 이를 검출하거나 감지해낼 방법이 없다. 그러나 상기 검출대상(500)이 완전히 원래 형태로 복원된다 하더라도, 도 3(C)에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 상기 검출선부(111)는 변형된 상태가 남아 있다. 물론 충격이 발생된 시점의 최대 변형량보다는 작을 수 있겠으나, 충격이 발생한 적이 있었음을 명확히 알 수 있게 해 줄 만큼 유의미한 잔류 변형량이 발생하는 것이다. 상기 검출선부(111)는 복합재료가 아니기 때문에 시간이 더 흐르더라도 완전히 원래 형태로 복원되지 않으며, 따라서 이 잔류 변형량은 충격이 발생한 지 한참 후에 측정하더라도 원활하게 측정이 가능하다. 이 때 상기 검출선부(111)의 상기 검출영역의 길이는 Lres로 변화되며, 이 때 상기 검출영역의 변형률은 도 3(C)에 표시된 식과 같이 (Lres - L0)/L0 = εres가 된다.
한편 상기 검출선부(111)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 검출대상(500)에 밀착되어 있으므로, 상기 검출대상(500)이 원래 형태로 복원되는 과정에서 그 영향으로 상기 검출선부(111)도 함께 일부 복원됨으로써 잔류 변형량이 줄어들 우려가 있다. 그러나 도 3에 도시된 바와 같이 상기 검출선부(111)에 상기 코팅층(111a)이 형성되어 있으면, 상기 코팅층(111a)이 상기 검출대상(500)의 복원 영향을 얼마간 흡수 상쇄하여 줄 수 있으므로, 상기 검출선부(111)에 형성된 잔류 변형량이 좀더 잘 보존될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 브릴루앙 주파수 천이 값의 변화량은 광섬유의 변형률에 비례한다. 충격 손상 발생 이전 측정된 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값을 기준값으로 하고, 충격 손상 발생 이후 측정된 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값이 변화된 위치 및 정도를 상기 기준값과 비교하면, 도 3(C)로 설명한 바와 같이, 충격 손상 발생 이후 상기 검출선부(111)에 잔류하는 변형률을 산출할 수 있다. 상기 검출선부(111)에 잔류 변형률이 발생한 위치가 바로 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치가 되며, 상기 검출선부(111)에 발생된 잔류 변형률의 크기를 충격 에너지 레벨로 변환하면 이것이 바로 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 정도가 된다. 즉 상기 검출선부(111)의 잔류 변형률을 산출함으로써 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치 및 정도를 원활하게 산출해 낼 수 있는 것이다.
도 4는 도 3과 유사하되 상기 검출선부(111)가 상기 검출대상(500)의 내부에 매설되어 있는 경우를 도시한 것이다. 이 경우에 상기 검출선부(111)의 부피가 지나치게 커질 경우 상기 검출선부(111)의 매설에 의하여 상기 검출대상(500)의 형상 변형이 일어날 우려가 있다. 따라서 이러한 경우에는 상기 검출선부(111)에 상기 코팅층(111a)이 형성되어 있지 않는 것이 바람직하다. 물론 상기 검출선부(111)가 충분히 가늘고 상기 코팅층(111a)이 충분히 얇게 형성된다면 상기 코팅층(111a)이 형성되어 있게 해도 무방하다.
이 경우에도 잔류 변형률이 형성되는 원리는 도 3의 경우와 유사하다. 도 4(C)에 도시된 바와 같이, 상기 검출대상(500)이 충격을 받고 나면, 원래의 형태로 복원이 된다 해도, 내부적으로는 충격이 퍼져 나가는 방향으로의 균열들 및 복합재료를 이루는 층간 균열이 형성되어 있는 상태이다. 이에 따라 상기 검출선부(111)는 상기 검출대상(500)이 원래의 형태로 복원되어도 어느 정도 변형된 상태로 남아 있을 수 있으며, 따라서 이 경우에도 잔류 변형률을 충분히 측정해 낼 수 있다.
본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 방법
상술한 바와 같은 원리에 따른 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 방법을 단계적으로 정리하면 다음과 같다. 앞서 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)를 설명함에 있어서, 본 발명의 장치가 (상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112), 상기 연결선부(113)를 포함하는) 상기 검출수단(110) 및 상기 분석수단(120)을 포함하여 이루어진다고 설명하였다. 여기에서 복수 개의 상기 검출선부(111)가 실질적으로 충격 손상 위치 및 정도를 검출하는 근본적인 수단인 바, 이하 본 발명의 방법에 대한 설명에서는 상기 검출선부(111)만을 인용하기로 한다. 물론 이하에 설명되는 본 발명의 방법은 앞서 설명한 본 발명의 장치 그대로를 이용하여 실현되어도 됨은 물론이며, 이 경우 가장 효과적인 실현이 이루어질 수 있을 것이다.
본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 방법은, 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출대상(500) 표면 또는 내부에 분포 배치되는 복수 개의 검출선부(111)를 사용하는 것으로서, 기준결정단계, 충격손상단계, 변형측정단계, 충격검출단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 기준결정단계에서는, 상기 검출선부(111)의 상기 검출대상(500) 상의 위치 및 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값이 미리 측정된다. 이 값은 기준값으로서 획득되는 것으로, 추후 변형 발생 이후의 측정값과의 비교 기준이 될 것이다.
상기 충격손상단계에서는, 상기 검출대상(500) 상에 충격 손상이 발생된다. 이 단계는 실험실 수준에서는 실험자가 미리 설계된 충격을 의도적으로 발생시키는 단계일 수 있다. 즉 이 경우에는 충격 위치 및 정도는 미리 설계되어 알려져 있는 값이 되며, 실험실 수준에서는 이렇게 미리 알고 있는 충격 정보와 상기 검출선부(111)를 사용하여 검출한 충격 정보를 비교하여 장치가 올바르게 작동하고 있는지를 확인하게 된다. 그러나 실제 현장에 본 발명의 장치 및 방법이 적용되는 경우를 생각하자면, 상기 충격손상단계에서 발생하는 충격은 실무자가 의도적으로 발생시키는 충격이 아니라 실무자가 인지하지 못하고 있는 사이에 발생되는 충격이다. 즉 실제 환경에서는, 충격이 발생하였는지의 여부는 이하 설명될 단계들에서 어떠한 변화가 발생하였는지의 여부로 추후에 알 수 있는 것이지, 미리 정보를 알고 있는 것이 아니다. 앞서도 설명하였다시피, 종래의 실시간 충격 검출 방식의 경우에는 (센서 오작동 등의 이유로) 실무자가 인지하지 못하는 사이에 충격이 발생되는 경우 추후에도 이러한 충격 발생 여부를 전혀 인식할 수 없지만, 본 발명의 장치 및 방법을 사용하는 경우 전혀 정보를 알지 못하는 미지의 충격이라 할지라도 그로 인한 손상을 얼마든지 원활하게 검출해 낼 수 있다.
이처럼 실험실에서의 미리 설계된 충격이든, 실무 현장에서의 미지의 충격이든, 일단 상기 충격손상단계가 발생하였다고 가정하고, 이후 상기 변형측정단계에서는, 상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값이 측정된다.
마지막으로 상기 충격검출단계에서는, 상기 기준결정단계에서 미리 획득된 위치별로, 상기 기준결정단계에서 미리 획득된 브릴루앙 주파수 천이 기준값 및 상기 변형측정단계에서 측정된 브릴루앙 주파수 천이 측정값이 비교되어, 충격 손상 발생 이후 상기 검출선부(111)에 잔류하는 변형률이 산출됨으로써 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치 및 정도가 산출된다.
본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치 : 검출수단의 세부 구성
상술한 바와 같이, 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)는 광섬유로 된 상기 검출선부(111)를 상기 검출대상(500) 상에 분포 배치시키고, (상기 검출선부(111)의 브릴루앙 주파수 천이 값의 변화를 측정함으로써) 상기 검출선부(111)의 잔류 변형률을 산출하며, 이로부터 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치 및 정도를 산출한다. 이 때, 상기 검출대상(500) 상의 충격 손상 위치 및 정도를 보다 효과적으로 산출할 수 있도록, 상기 검출수단(110)의 배치 등을 다양하게 변형 설계할 수 있다. 이하에서는, 상기 검출수단(110)의 구체적인 구성을 보다 상세히 설명하고, 또한 상기 검출수단(110)의 다양한 배치 형태의 실시예를 설명한다.
먼저 상기 검출수단(110)의 구성을 보다 구체적이고 명확하게 설명하자면 다음과 같다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 검출수단(110)은, 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112) 또는 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112), 상기 연결선부(113)를 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 검출수단(110)은, 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112) 또는 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112), 상기 연결선부(113)가 적어도 하나의 연결된 선을 형성하도록 이루어지도록 한다. 보다 명확하게 설명하자면, 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112) 또는 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112), 상기 연결선부(113)로 이루어지는 하나의 연결된 선을 단위선(115)이라 할 때, 상기 검출수단(110)은 적어도 하나의 단위선(115)을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 실시예에서는, 상기 검출수단(110)은 단 1개의 단위선(115)을 포함하여 이루어진다. 그러나 상기 검출수단(110)이 반드시 1개의 단위선(115)만으로 이루어질 필요는 없으며, 필요에 따라 상기 검출수단(110)은 복수 개의 단위선(115)을 포함하여 이루어질 수 있다. 도 5는 검출수단 배치의 한 실시예로서, 상기 검출수단(110)이 2개의 단위선(115)을 포함하여 이루어지는 경우를 도시하고 있다.
상기 단위선(115)의 구성을 보다 명확하게 설명하자면 다음과 같다. 어떤 하나의 단위선(115)에 대하여, 상기 단위선(115)은, 상기 검출선부(111)가 1개일 때, 상기 전달선부(112) - 상기 검출선부(111) - 상기 전달선부(112) 순으로 순차적으로 연결되어 이루어진다. 또는 도 1, 3, 4, 5 등에 도시된 바와 같이, 어떤 하나의 상기 단위선(115)에 대하여, 상기 검출선부(111)가 N(N은 2 이상의 자연수)개라 할 때, 상기 연결선부(113)는 서로 인접한 2개의 상기 검출선부(111)의 끝단들을 연결하도록 N-1개 구비되고, 상기 전달선부(112)는 최외곽에 위치한 한 쌍의 상기 검출선부(111)에 대하여 상기 연결선부(113)가 연결되지 않은 끝단에 각각 연결되도록 2개 구비된다. 따라서 역시 도 1, 3, 4, 5 등에 도시된 바와 같이, 상기 단위선(115)은, 상기 전달선부(112) - 상기 검출선부(111) - 상기 연결선부(113) - … - 상기 검출선부(111) - 상기 전달선부(112) 순으로 순차적으로 연결되어 이루어지게 된다. 앞서도 설명한 바와 같이, 상기 검출선부(111), 상기 전달선부(112), 상기 연결선부(113)는 모두 광섬유로 이루어져 있는 바, 이들이 연결되어 이루어지는 상기 단위선(115)은 원래부터 일체로 된 하나의 긴 광섬유 형태로 이루어질 수도 있고, 또는 개별적으로 분리되어 있던 광섬유들이 광섬유 접합 기술에 의해 접합되어 이루어질 수도 있다.
한편 도 1 및 도 3에서는 상기 검출선부(111)가 상기 검출대상(500)의 표면에 부착되는 실시예를 도시하고 있으며, 도 4 및 도 5에서는 상기 검출선부(111)가 상기 검출대상(500)의 내부에 매설되는 실시예를 도시하고 있다.
도 1 및 도 3에서와 같이 상기 검출선부(111)가 상기 검출대상(500)의 표면에 부착되는 경우, 가장 용이하고 경제적으로 부착을 실현하는 수단으로서, 상기 검출수단(110)은 접착제에 의하여 부착될 수 있다. 이외에도 접착 테이프 등을 사용할 수도 있는 등, 상기 검출선부(111)가 상기 검출대상(500)의 변형에 상응하게 변형될 수 있도록 상기 검출대상(500)에 견고히 밀착될 수만 있다면 어떠한 다른 수단을 사용하여도 무방하다.
도 4 및 도 5에서와 같이 상기 검출선부(111)가 상기 검출대상(500)의 내부에 매설되는 경우, 상기 검출대상(500)의 구성적 특성이 맞추어 매설이 이루어지게 할 수 있다. 본 발명에서 상기 검출대상(500)은 복합재료 재질로서 구체적으로는 모재 및 강화재로 이루어지는 층(500a)(500b)이 복수 개 적층되어 이루어진다. 따라서 상기 검출선부(111)는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 검출대상(500)을 이루는 복수 개의 층(500a)(500b)들 사이에 개재되도록 할 수 있는 것이다. 도 5에서, 위쪽 단위선(115)은 상기 검출대상(500)의 표면에 부착되는 형태로 구비되며, 아래쪽 단위선(115)은 상기 검출대상(500)의 내부에 매설되는 형태로 구비된다.
한편 상기 검출선부(111)는 선 형태로 이루어져 있으므로, 변형(즉 충격 손상) 발생 시 상기 검출선부(111)의 연장 방향을 따라 변형이 발생된 위치를 특정할 수 있다. 이 때 상기 검출대상(500) 상에서의 충격 손상 위치를 보다 원활하고 효과적으로 파악할 수 있으려면, 복수 개의 상기 검출선부(111)들을 잘 분포시켜 배치하는 것이 필요하다.
이러한 관점에서 상기 검출수단(110)은, 하나의 상기 단위선(115)에 대하여, 상기 단위선(115)에 포함되는 복수 개의 상기 검출선부(111)들이 서로 동일 방향으로 연장되며, 서로 평행하게 이격 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써 복수 개의 상기 검출선부(111)들로 면이 형성되어, 상기 검출대상(500) 상의 2차원적 위치 추적이 용이해진다. 이러한 2차원적 위치 추적을 더욱 용이하게 하기 위해서, 상기 검출선부(111)들의 이격 간격이 등간격으로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편 이 때, 상기 검출대상(500)은 모재 및 강화재가 혼합된 형태로 이루어지는 복합재료로서, 그 구체적인 구성을 살펴보자면, 복합재료 안에는 유리섬유 또는 탄소섬유 등으로 이루어지는 수많은 강화재들이 특정한 동일 방향으로 연장되고, 서로 평행하게 배치되는 형태로 이루어지는 경우가 많다. 이 때 외부로부터 가해진 충격이 모든 방향에서 동일한 크기라 하더라도, 강화재의 연장 방향에 따라 발생되는 변형량은 다르게 형성될 수 있다. 즉 예를 들어 가로 방향으로 연장되는 강화재가 세로 방향으로 나란하게 배열되어 있는 복합재료에 구형으로된 충격 볼로 충격을 가한다고 할 때, 인가된 충격은 원형이라 할지라도, 가로 방향으로는 강화재의 인장력에 의하여 변형이 덜 발생하고, 세로 방향으로는 강화재들 간 결합이 상대적으로 쉽게 깨어짐으로써 변형이 더 발생하여, 발생된 변형량은 타원 형태를 이루게 될 수도 있는 것이다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 검출선부(111)의 연장 방향 및 상기 검출대상(500)을 형성하는 강화재의 연장 방향이 서로 다를 경우, 상기 검출선부(111)에 형성되는 잔류 변형률이 실제 상기 검출대상(500)에 가해진 충격과 비교하여 왜곡될 위험성이 있다. 따라서, 상기 검출대상(500)이 실제로 받는 충격의 형태를 상기 검출선부(111)가 보다 정확하게 따라갈 수 있도록, 상기 검출선부(111)의 연장 방향이, 상기 검출선부(111)가 부착된 상기 검출대상(500)을 형성하는 강화재의 연장 방향과 동일하게 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
도 5에서, 위쪽 단위선(115)에서의 상기 검출선부(111)의 연장 방향과, 아래쪽 단위선(115)에서의 상기 검출선부(111)의 연장 방향이 다르게 형성된 예시를 도시하고 있는데, 이는 상술한 바와 같은 복합재료의 특성을 고려하여 강화재 연장 방향에 따라 상기 검출선부(111)의 연장 방향이 달라짐을 나타낸 것이다. 한편 도 6은 검출수단 배치의 다른 실시예로서, 도 1, 3, 4 등에서 상기 검출대상(500)이 판판한 평면 형태였던 것과는 달리, 도 6에서는 상기 검출대상(500)이 원통 형상이다. 도 6(A) 및 도 6(B)에서 상기 검출대상(500)의 외형은 서로 동일하지만, 각각의 검출대상(500)을 이루는 복합재료 내 강화재의 연장 방향이 다르게 형성될 수 있다. 도 6(A)에서 복합재료 내 강화재는 원통에 감기는 방향으로 연장된다고 할 때, 상기 검출선부(111)는 이에 따라 원통형의 상기 검출대상(500) 원주 방향으로 연장되며, 길이 방향으로 이격 배치된다. 도 6(B)에서 복합재료 내 강화재는 원통의 연장 방향과 나란하게 연장된다고 할 때, 상기 검출선부(111)는 역시 이에 따라 원통형의 상기 검출대상(500) 길이 방향으로 연장되며, 원주 방향으로 이격 배치된다.
한편 도 6(A) 및 도 6(B)의 예시에서는 하나의 상기 단위선(115)에 서로 독립적인 복수 개의 상기 검출선부(111)가 포함되며, 따라서 상기 단위선(115)은 상기 연결선부(112)를 포함하여 이루어진다. 반면 도 6(C)의 예시에서는 하나의 상기 단위선(115)에 단일 개의 상기 검출선부(111)가 포함된다. 이처럼 상기 검출선부(111)가 1개이고, 상기 검출대상(500)이 도 6의 원통 형상과 같이 기둥 형상으로 되어 있을 때, 도 6(C)에 도시된 바와 같이 상기 검출선부(111)는 상기 검출대상(500)에 감겨지는 형태로 배치되되, 감겨진 상기 검출선부(111)의 일부들은 서로 평행하게 이격 배치되도록 이루어질 수 있다.
이처럼 상기 검출수단(110)은, 상기 검출대상(500)의 형상(평판/원통 등)이나 강화재의 연장 방향 등에 맞게, 그 설비 위치(표면/내부 등)나 배치 형태(연장 방향, 이격 간격 등)가 적절하게 얼마든지 변경 실시될 수 있다.
본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치 및 방법을 이용한 실험 결과
이하에서 상술한 바와 같은 장치 및 방법을 실제로 제작하여 실험을 수행한 결과를 설명함으로써, 본 발명의 장치 및 방법이 복합재료의 충격 손상 위치 및 정도를 효과적으로 검출할 수 있음을 보이고자 한다.
가. 복합재 실린더 표면에 붙인 감지 광섬유에 의한 충격 손상 검출 시험
(1) 광섬유의 종류별 손상 검출 특성
광섬유의 특성에 따른 잔류변형의 정도를 확인하기 위해 세 가지 광섬유를 사용하여 비교 실험을 수행하였다. 첫째는 알루미늄 코팅 광섬유, 둘째는 폴리이미드 코팅 광섬유, 셋째는 단일 모드 광섬유(SMF: single mode fiber)이다. 알루미늄 코팅 광섬유는 광섬유의 코아와 클래딩의 구조와 재료는 단일 모드 광섬유와 같지만 클래딩의 외부가 약 20 um 두께의 알루미늄으로 코팅되어 있으며 삽입손실은 0.6 dB/km이다. 폴리이미드 광섬유도 코아와 클래드는 단일 모드 광섬유와 같은 재료와 구조를 같지만 클래딩의 외부가 약 20 um 두께의 폴리이미드로 코팅되어 있으며 삽입손실은 0.2 dB/km, 컷오프(cutoff) 파장은 1486 nm 이다. 복합재 실린더는 탄소 섬유(T700 12K)와 에폭시 수지 (EPON826)로 구성되어 있고 적층 순서는 [90ㅀ2/+-20ㅀ1/90ㅀ3/+-20ㅀ1/90ㅀ3/+-20ㅀ2/Ethylene Propylene Terpolymers]T로 필라멘트 와인딩 공정에 의하여 제작하였다.
도 7은 탄소 섬유로 제작된 복합재료 압력 용기 위에 설치된 광섬유들로서, (a)는 광섬유 설치 조건, (b)는 광섬유가 설치된 사진이다. 즉 도 7의 실험은 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)가 도 6(A)와 같은 형태로 이루어진 경우로서, 이 경우 상기 검출수단(110)은 원통형의 상기 검출대상(500)의 원주 방향으로 연장되며 길이 방향으로 등간격 이격되게 배치되는 서로 독립적인 복수 개의 상기 검출선부(111)들과, 최외곽의 상기 검출선부(111)들의 끝단에 연결되는 한 쌍의 전달선부(112)들과, 상기 검출선부(111)들을 서로 연결하는 복수 개의 상기 연결선부(113)들로 이루어진다.
도 7(a)에 도시된 바와 같이, 본 실험에서 사용한 장치에서는, 세 가지 광섬유가 약 3 m 길이로 서로 융착 접합되어 전체 9 m의 광섬유가 복합재료 실린더의 표면에 접착되어 있다. 이 광섬유의 전체 길이의 양 끝단이 위상변조 광섬유 BOCDA(Brillouin Correlation Domain Analysis) 센서 시스템에 연결된다. 이 광섬유의 중간 부분들에 접착제를 사용하여 접착한 길이는 30 cm이고, 이 같이 접착된 부분이 각 광섬유 종류마다 3곳씩 접착되어 모두 9 곳의 접착지점이 있다. 각 접착지점은 실린더의 루프 방향으로 설치되었고 이 접착지점 사이의 실린더 축 방향의 간격은 20 cm 이다. 광섬유를 싸고 있는 접착제의 폭은 0.4 mm이고 광섬유의 위치에서부터 1 cm 측면에 충격을 가하였다. 충격에너지는 40, 20, 그리고 10 J이 각 접착된 광섬유 지점에 가해졌는데 충격에너지와 충격지점이 그림 3-97에 주어져 있다. 이 같은 충격의 결과로 얻어지는 잔류 변형 정도가 비교되었다. 도 7(b)는 복합재료 실린더와 그 위에 접착된 광섬유의 실제 사진으로, 복합재료는 다층의 탄소섬유로 구성되었고 6 mm 두께다.
도 8은 도 7의 실험 조건에 따른 충격 실험 결과로서, 충격에 따른 알루미늄 광섬유, 폴리이미드 광섬유, 표준 단일모드 광섬유 각각에 대하여, 공간 분해능은 약 2.5 cm를 갖는 위상변조 BOCDA 센서 시스템을 이용하여 측정된 브릴루앙 주파수 변이를 보여준다. 위치는 약 9 m 에 대해서 측정되었으며 이 때 각 광섬유의 위치에서의 브릴루앙 주파수 값이 수직축에 보여진다. 중앙을 중심으로 브릴루앙 주파수가 크게 차이가 나는 부분이 세 구간이 있는데 각 구간은 알루미늄 광섬유, 폴리이미드 광섬유, 그리고 표준 SMF 광섬유에 해당되며 이들의 브릴구앙 주파수가 크게 차이가 나는 이유는 각 광섬유의 코아의 재료 구성이 약간씩 차이가 나기 때문이다. 알루미륨 광섬유는 10.815 GHz, 폴리이미드 광섬유는 10.65 GHz, 그리고 표준 SMF는 10.845 GHz 에 브릴루앙 주파수를 가지는 것을 알 수 있다. 이 세 구간의 양끝은 BOCDA 시스템에 연결된 일반 SMF다. SMF 끼리도 브릴루앙 주파수 차가 나는 것을 알 수 있는데 이는 일반적이며 통상 제조회사에 따라 그리고 같은 제조회사 제품도 모델에 따라서 브릴루앙 주파수가 차이가 나는 것이 일반적이다. 이 같은 사실이 주어진 그래프에서 잘 드러나며 특히 광섬유의 차이에 따라서 위치구간이 명확히 구분되는 것을 확인 할 수 있다. 각 광섬유 구간을 자세히 보면 각 구간 마다 세 곳에서 피크가 보임을 알 수 있다. 이 위치들이 충격이 가해진 위치며 모두 9 곳으로 충격이 가해진 총 횟수와 잘 일치한다. 차이가 있다면 광섬유의 종류에 따라 피크의 모양에 차이가 있음을 알 수 있으며 알루미륨 광섬유의 경우에 충격에 의한 만들어지는 브릴루앙 주파수의 변이가 가장 크고 표준 광섬유의 경우가 가장 작음을 알 수 있다.
도 9는 세 가지 광섬유에 각기 다른 충격에너지로 충격을 가했을 때 변화된 브릴루앙 주파수를 비교한 것으로, 구체적으로는, 알루미늄 광섬유, 폴리이미드 광섬유, 표준 SMF 세 가지 광섬유에 40, 20, 그리고 10 J의 에너지로 충격을 가했을 때 브릴루앙 주파수 변이를 보여 주고 있다. 각 그래프의 수평축은 충격 피크의 중심 위치를 기준으로 상대적인 거리 변화이며 수직축은 충격 전에 브릴루앙 주파수 값을 기준으로 하여 충격후의 상대적인 변화 값을 보여준다. 40 J의 충격에너지의 경우 알루미늄 광섬유는 최고 700 με 스트레인 변화를 보인다. 하지만 폴리이미드 광섬유와 표준 SMF 의 최고값은 각각 300 με과 200 με이다. 충격에너지가 줄어들면 이 최고값도 같이 줄어들지만 여전히 알루미늄 광섬유의 잔류변형 값이 가장 크고 폴리이미드 광섬유와 표준 SMF의 값은 유사한 특징을 보여준다. 하지만 10 J의 충격에도 잔류변형값은 측정가능할 정도로 충분한 크기를 보여준다. 특이한 사항은 40 J의 충격에너지의 경우 측정된 브릴루앙 주파수 피크의 위칭 따른 특성이 단일 피크가 아니라 갈라진 피크의 모양을 가지는 것을 알 수 있다.
(2) 알루미늄 코팅 광섬유에 의한 손상 검출 특성
충격의 흔적을 측정할 수 있는지를 확인하기 위해, 도 10에 도시된 바와 같이 알루미늄 코팅 광섬유를 복합재료 실린더의 표면에 접착시켰다. 이 광섬유는 BOCDA 센서 시스템에서 충격에 의한 잔류 변형을 측정하기 위한 센서로 사용되었다. 도 10의 실험 역시 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)가 도 6(A)와 같은 형태로 이루어진 경우이다.
이 알루미늄 코팅 광섬유는 표준 SMF와 같은 코아와 클래딩 구조와 재료로 이루어져 있되, 단지 클래딩 위에 알루미늄 코팅 층을 가지고 있으며, 이 광섬유의 전체 직경은 170 μm 다. 이 실린더에 충격을 가한 후, BOCDA 센서 시스템은 용기 위에 장착된 알루미늄 광섬유의 잔류 변형을 측정하였다. 복합재 실린더는 강화섬유로 탄소섬유(T700 12K)와 에폭시 수지 (EPON)로 제작하였고 적층 순서는 [90ㅀ1/OF/90ㅀ1/+-20ㅀ1/90ㅀ3/+-20ㅀ1/90ㅀ3/+-20ㅀ2/ Ethylene Propylene Terpolymers]T 이다. 이 재료들을 필라멘트 와인딩 공정으로 제작하였으며, 직경은 26 cm 이고 두께는 4.6 mm로 도 10(b)의 사진에서 볼 수 있다. 총 7.3 m 길이의 알루미늄 광섬유에서 각 충격지점을 분명히 구분하기 위해, 6개 지점이 분명히 구분되어 30 cm 씩 실린더에 접착되어 있고 일반적인 접착제 (Devcon 2 Ton epoxy, ITW Inc.)가 사용되었다. 접착된 광섬유 사이의 거리는 약 1 m 였다. 이 같은 점착된 광섬유의 구간이 도 10(b)에서 용기 위에 흰 수직선으로 보이며 이 수직선들이 등간격으로 모두 6 개임을 확인할 수 있다. 이 알루미늄 광섬유가 앞서의 500 m 테스터 광섬유의 끝단에 융착접합 되었다. 이렇게 용기 위에 접착된 광섬유의 중간지점에서 측면으로 광섬유로부터 약 10 mm 떨어진 위치에 충격을 가했다. 이렇게 충격을 가한 위치가 도 10(a)에 엑스 표시로 표시되어 있다. 도 11(a)에서 왼쪽에서부터 처음 세 충격 위치에는 10, 20, 그리고 40 J의 충격이 순차적으로 반구형 충격자를 사용해 인가되었고, 다음 세 충격 위치에는 10, 20, 그리고 40 J의 충격이 순차적으로 쇄기형 충격자를 사용해 인가하였다.
복합재료 실린더 위의 여섯 지점에 충격을 가한 후, 충격 인가 장치에 장착된 센서로 부터 얻어진 충격 하중 그래프가 도 11에 주어져 있다. 도 11(a) 및 도 11(b)는 각각 쇄기형 충격자와 반구형 충격자에 대한 결과인데, 쇄기형 충격자의 경우에 이중 피크가 보이는데 이는 충격이 가해지는 동안 쇄기형 충격자의 경계부분에서 추가적인 파손이 발생하다가 다시 하중을 감당하는 현상이 나타나고 있는 것임을 알 수 있으며, 이 같은 현상은 반구형 충격자의 경우에는 나타나지 않고 있다. 충격이 가해지는 위치가 흰색 원으로 복합재 실린더 표면에 표시되어 있는데 표기가 "w"는 쇄기형을, "s"는 반구형을 의미한다.
위상변조 BOCDA 센서 시스템을 이용하여 복합재료 실린더에 장착된 광섬유 센서의 3차원 브릴루앙 이득 그래프를 도 12와 같이 얻을 수 있었다. 수평축은 알루미늄 광섬유 상의 거리를 의미하는데, 0 m 위치는 500 m 테스터 광섬유의 끝 위치와 일치한다. 수직축은 탐색광과 펌프광의 주파수 차이 값을 의미한다. 이 주파수 차이 값의 피크 값이 브릴루앙 주파수가 되는데, 이 값은 측정 범위에서 10.815 GHz 라는 고유값을 일정하게 유지하지만 여섯 곳의 충격 점에서는 이 값이 변하고 있다. 측정된 여섯 브릴루앙 주파수 변화 위치 사이의 거리를 구해보면 실제 충격위치와 정확히 일치한다. 이 광섬유의 전체 길이의 양 끝 단에 브릴루앙 주파수가 낮은 영역은 폴리머 코팅을 가지는 표준 SMF고 이들의 브릴루앙 주파수는 10.78 GHz 였다. 도 12(b)의 이득 그래프로부터 피크 주파수 값만 뽑아 정리하여 도 12(a) 그래프를 얻었고 이는 위치에 따른 브릴루앙 주파수의 변화를 보여준다. 도 12(a)에는 충격 전에 측정된 값과 충격 후 변화된 브릴루앙 주파수의 변화를 비교하여 보여준다. 비교를 통해 충격 후에 생성된 여섯 곳의 피크점이 분명히 보이고 이는 여섯 차례의 순차적인 충격 후에 남아 있는 변형률 값이 잘 측정되었음을 보여준다. 여섯 개의 피크와 달리, 알루미늄 광섬유의 양 끝단에 보이는 피크 값은 표준 SMF와 측정을 위한 알루미늄 광섬유의 융착 접속 과정에서 발생된 변형률에 의한 것으로 판단된다.
각각의 충격점에서의 브릴루앙 주파수 변화가 1.25 mm 간격에 해당되는 측정점 조건에 의해 보다 정밀히 측정되어 도 13에 주어져 있다. 이 그림에서 각 충격점에서 변형률의 위치에 따른 분포가 주어져 있는데 도 13(a), (b), (c) 는 쇄기형 충격기에 의해 각각 40, 20, 10 J의 충격이 가해진 경우고, 도 13(d), (e), (f) 는 반구형 충격기에 의해 각각 40, 20, 10 J의 충격이 가해진 경우다. 각 그래프에서 오른쪽의 수직축은 브릴루앙 주파수의 변화 값이고 왼쪽의 수직축은 이 주파수 변화 값에 대응되는 잔류변형 값이다. 충격에너지가 10 J일 때 쇄기형과 반구형 충격기에 의한 변형률 변화는 약 40 mm 폭을 갖는 단일 피크 모양의 유사한 분포 특성을 보여준다. 브릴루앙 주파수의 최고 변이 값은 약 300 με이다. 20 J의 충격에너지 경우, 브릴루앙 주파수의 최고 변이 값은 10 J때와 유사하지만 피크 점이 두 부분으로 갈라졌으며 이러한 현상은 두 충격기 모두에서 유사하게 발생하였다. 충격에너지가 40 J의 경우에는 피크점의 갈라짐이 더 심해지고, 특히 쇄기형 충격기에 의한 잔류변형 값은 반구형 충격기에 의한 잔류변형 값보다 크게 변하는 것을 확인하였다. 충격에너지가 큰 40 J에서 복합재료 실린더의 충격점에서 복구되지 않은 영구 손상이 충격 순간에 발생되는 것을 고속 촬영 카메라에 의해 확인되었고 이 같은 영구 손상이 큰 잔류 변형 값의 원인으로 판단된다.
충격지점에서 잔류 변형의 분포와 실린더의 물리적인 변형 사이의 관계를 확인하기 위해, 복합재료 실린더에 충격이 가해지는 동안 용기 표면의 변화가 고속카메라에 의해 촬영되었다. 도 14의 (a), (b), (c)는 각각 반구형 충격기를 사용하여 10, 20, 그리고 40 J의 충격에너지 조건에서 촬영된 사진이고 각 실험 조건에서 변형이 가장 크게 발생할 때 얻어진 것이다. 각 사진의 중심에 흰 기둥의 반구형 충격기가 보이고 검은 색 배경은 압력 용기의 표면이다. 압력 용기의 표면을 가로질러 놓여 있는 3 mm 폭의 투명한 흰 선은 접착제 선으로 이 선 속에 광섬유가 가는 선으로 놓여 있는 것이 보인다. 이 광섬유 선으로부터 10 mm 떨어진 위치에 충격이 가해졌다. 각 충격실험에 의한 용기표면의 변형을 잔류변형 분포와 비교하여 보면, 10 J의 충격에너지 조건에서 잔류변형 값이 가장 큰 위치는 충격의 중심점과 잘 일치한다. 하지만 충격에너지가 커질수록 잔류변형 값이 가장 큰 위치와 충격의 중심점 사이에는 차이가 발생한다. 충격에너지가 커질수록 표면 변형의 크기도 증가함을 알 수 있고, 20과 40 J의 충격에너지 경우, 잔류변형 값이 제일 큰 위치는 표면 변형의 가장자리에 해당되었다. 실린더의 표면이 이 변형의 가장자리에서 가장 큰 곡률을 가지게 되어 변형이 크게 일어나는 것을 사진을 통해 확인할 수 있고 이러한 원인으로 결과적으로 측정을 통해 이 위치에서 가장 큰 잔류변형 값을 얻게 되었다. 따라서 이 가장자리는 각 충격점에서 대칭적으로 두 곳에서 발생하므로 측정된 잔류변형의 피크가 두 부분으로 나누어져 있는 이유가 설명된다. 위 사진 그림들 측면에, 실린더의 표면에서의 물리적인 변형 모양과 설치된 광섬유의 위치의 관계가 개략도로 설명되어 있다.
Figure pat00001
<충격 시험 후의 파열압력>
복합재료 실린더에 가해진 충격의 영향을 조사하기 위해, 충격 실험 후에 실린더는 각각의 충격점을 포함하는 여섯 개의 루프로 절단되고, 각 루프들에 수합실험을 실시하였다. 이 결과가 상기 표 1에 주어져 있는데 반구형 충격기의 경우, 10과 20 J의 충격에너지에서 파열압력이 줄어들지 않았다. 하지만 40 J로 충격에너지가 증가하였을 때 파열 압력이 크게 줄어들었다. 쇄기형 충격기의 경우, 10 과 20 J에서도 파열압력이 감소하였다. 이 같은 수압테스터의 결과는 알류미늄 광섬유를 사용한 위상변조 BOCDA 센서 시스템이 파열압력에 영향을 주는 큰 충격에너지에 의한 잔류 변형 뿐만 아니라 복합재로의 파열압력에 영향을 주지 않는 작은 충격에너지에 의한 잔류 변형까지도 측정할 수 있음을 의미한다.
나. 복합재 실린더 내부에 매설한 감지 광섬유에 의한 충격 손상 검출 시험
단일 모드 광섬유를 복합재 연소관의 제작 공정 중에 인장력을 손으로 제어하면서 제작한 후 BOCDA 센서에 의하여 측정한 브릴루앙 주파수 (초기 변형률) 분포를 보면 도 15처럼 광섬유 길이를 따라서 매우 변동이 많음을 알 수 있다. 그래서 충격 정보를 얻기 위해서 이 초기 신호를 기준 신호로 사용해야 함을 알 수 있다.
이에 도 16과 같이 새로운 실험 조건을 설정하였다. 구체적으로, 충격 인가 그룹을 4개로 설정하였으며 10, 20 J의 에너지 레벨에 대하여 먼저 충격 시험을 수행하고 BOCDA 센서로 측정을 수행하였으며, 그 후에 다시 40 J의 에너지 레벨로 각 충격 인가 그룹의 해당 위치에 충격을 인가하는 실험을 수행하였다. 충격 위치는 약 10, 15 cm 정도 떨어져서 충격을 인가하였다. 도 16은 이러한 실험 조건을 실제 실험 사진 상에 표시한 것이다. 즉 도 16의 실험은 본 발명의 복합재료 충격 손상 검출 장치(100)가 도 6(C)와 같은 형태로 이루어진 경우로서, 이 경우 상기 검출수단(110)은 단일 개의 상기 검출선부(111) 및 상기 검출선부(111)들의 끝단에 연결되는 한 쌍의 전달선부(112)들로 이루어지되, 상기 검출선부(111)는 상기 검출대상(500)에 감겨지는 형태로 배치되며, 감겨진 상기 검출선부(111)의 일부들은 서로 평행하게 이격 배치되는 형태로 이루어진다.
도 17은 상술한 바와 같은 실험으로 얻어진 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격하중 선도이다. 충격 시험을 수행하면서 얻어진 충격 하중 선도에서 충격 에너지 레벨에 따라서 하중 선도의 크기가 달라지고 있음을 볼 수 있다. 이 선도의 100 msec까지는 충격에 의한 신호이다. 그러나 그 이후의 신호는 실험에서 나타나는 신호 잡음이다.
충격 시험 이후에 BOCDA 센서로부터 취득한 충격 인가 그룹별 신호를 정리하여 도 18 내지 도 21로 표시하였다.
도 18을 참조하면, 충격 인가 그룹 1의 위치는 306 ~ 337 m 부근에 발생했는데 충격 에너지 레벨 10, 20 J에 의한 신호가 BOCDA 센서에 의하여 측정한 이후에 기준 신호와의 차이를 구하면 충격 위치에서의 영향을 잘 보이고 있음을 알 수 있다. 또한, 40 J의 충격 에너지를 다시 해당 위치에 인가하고 BOCDA 센서로 측정하고 기준 신호와의 차이를 구하여 신호를 검토해 보면 충격 인가에 의한 영향이 해당 위치에 잘 나타나고 있음을 볼 수 있다.
도 19를 참조하면, 충격 인가 그룹 2의 위치는 336 ~ 360 m 부근인데 충격 에너지 레벨 10, 20 J을 인가한 후 BOCDA 센서에 의하여 취득한 신호와 기준 신호와의 차이를 구하면 충격 정보를 얻을 수 있음을 볼 수 있다. 또한 40 J의 충격 에너지 레벨을 인한 이후의 신호와 기준 신호와의 차이를 구해 보면 충격 위치와 충격 에너지 정도를 구별할 수 있는 신호를 추출할 수 있음을 알 수 있다.
도 20을 참조하면, 충격 인가 그룹 3의 위치는 360 ~ 383 m 부근이며, 충격 에너지 레벨 10, 20 J을 인가하였으며, BOCDA 센서에 의하여 측정 후 기준 신호와의 차이를 구하면, 충격에 의한 위치와 충격 에너지 레벨을 알 수 있는 신호를 얻을 수 있다. 또한 40 J의 에너지 레벨로 추가로 충격을 인가한 이후에 BOCDA 센서 신호를 취득하여 기준 신호와의 차이를 구하면 10, 20, 40 J의 에너지 레벨을 인가한 충격 손상 정보를 모두 얻을 수 있었다.
도 21을 참조하면, 충격 인가 그룹 4는 10, 20, 30, 40 J의 에너지 레벨을 인가하였는데, 383 ~ 410 m 부근에 10, 20 J의 충격을 먼저 인가한 후 30, 40 J의 충격을 추가로 인가하는 실험을 수행하였다. 다른 충격 인가 그룹의 결과와 유사하게 10, 20, 30, 40 J의 충격 에너지 레벨에 따른 차이를 확연히 구별할 수 있었다. 또한 충격이 발생한 해당 위치를 10 cm 이내의 오차로 구분할 수 있음도 알 수 있었다.
도 22는 상술한 바와 같이 구해진 충격 위치 및 정도를 출력하는 원리를 개념적으로 도시한 것이다. 도 16의 실험 조건과 유사한 도 6(C)와 동일한 도면을 사용하여 예시적으로 설명하면 다음과 같다.
도 22(A)에서, 상기 검출선부(111)가 원통형의 상기 검출대상(500)에 감겨지는 형태로 배치되며, 감겨진 상기 검출선부(111)의 일부들은 서로 평행하게 이격 배치되는 형태로 이루어진다. 도 22(A)에서 상기 검출선부(111)는 16번 감겨 있으며, 각 바퀴마다 1, 2, …, 16의 인덱스를 붙이고, 상기 검출선부(111)가 감겨진 방향을 따라 0??????ㅀ에서 360ㅀ까지 각도를 매긴다. 도 22(A)에서, 12번째 바퀴의 270ㅀ 위치에 충격이 가해진 것이 음영으로 표시되어 있다. (12번째, 270ㅀ) 위치가 충격 위치 중심으로서 여기에서 충격 정도가 가장 강하며, 이 위치에서 멀어질수록 충격 정도가 약해지는데, 11번째 바퀴 및 13번째 바퀴에 약하게 충격 정도가 나타나고 있다.
도 22(B)는 인덱스별로 상기 검출선부(111)의 각 바퀴를 펼쳐 2차원 평면 상에 배열한 것이다. 도 22(B)에서 X축은 각도, Y축은 인덱스, Z축은 충격 정도를 각각 나타낸다. 상기 검출선부(111)의 잔류 변형률은 충격 정도에 비례하므로, 상기 검출선부(111)의 각 인덱스번째 바퀴에서 측정된 잔류 변형률 값을 Z축에 표시하면, 도 22(B)에 보이는 바와 같이 (12번째, 270ㅀ)에서 최대 피크가 나타나고, (11번째, 270ㅀ) 및 (13번째, 270ㅀ)에 대칭되게 작은 피크들이 나타난다.
도 22(B)는 충격 위치 및 정도를 2차원 평면 상에 매핑시키는 원리를 설명하기 위해 3차원적으로 도시한 것으로, 충격 정도를 Z축 높이로 표시하는 대신 색깔 변화로 표시한다면 2차원 평면만으로도 충분히 표시가 가능하다. 도 22(C)는 바로 이와 같이, X축은 각도, Y축은 인덱스로 이루어지는 2차원 평면 상에 음영으로서 충격 정도를 표시한 도면이다. 도 22(B)에서 Z축 높이가 클수록 음영이 진하게 나타난다고 할 때, 도 22(C)만 보아도 가장 진한 음영이 나타나는 (12번째, 270ㅀ)가 충격 위치임을 쉽게 알 수 있으며, 또한 음영 정도로부터 충격 정도 또한 쉽게 알 수 있다.
이처럼, 도 22(B)와 같이 3차원 그래프로 나타내거나 또는 도 22(C)와 같이 2차원 평면 상에 음영으로 나타난 출력 결과로부터, 충격 위치 및 정도를 쉽게 판별할 수 있다. 즉 감지 광섬유의 좌표값을 미리 지정하여 매핑시킨 2차원 평면 상에, (도 22의 원리에 보인 바와 같이) 측정된 잔류 변형률 값을 3차원 높이 또는 음영으로 표시하면, 충격 손상의 일반적인 잔류 변형 패턴과 비교하여 충격 위치 및 정도를 용이하게 산정할 수 있는 것이다. 일반적으로 충격 손상의 잔류 변형 패턴은 충격 중심을 기준으로 대칭적으로 분포하며, 충격 손상 영역은 이 대칭적으로 나타나는 영역의 크기로 판별이 가능하다.
도 23 및 도 24는 바로 상술한 바와 같은 과정을 통하여 도 16의 실험 결과를 2차원 평면 상에 나타낸 것이다. 도 23은 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 위치 및 정도(10, 20 J의 인가)를, 도 24는 단일 모드 광섬유 복합재 연소관의 충격 위치 및 정도(10, 20, 30, 40 J의 인가)를 각각 나타내고 있다. 단일 모드 광섬유를 적용한 복합재 연소관에서 얻어진 충격 후의 BOCDA 센서 신호와 기준 신호의 차이를 구한 후 복합재 연소관 길이 방향을 x 축으로 하고, 복합재 연소관의 둘레를 y 축으로 하여 광섬유 길이 방향의 신호 정보를 표시하면, 10, 20 J만 인가한 후 측정한 경우에 도 23과 같이 해당 위치에 신호가 검출되어 충격 위치 및 충격 에너지 레벨 정도를 시각적으로 확인할 수 있었다. 또한 도 24와 같이 10, 20, 30, 40 J을 인가한 후의 충격 정보도 해당 위치에 잘 표시되고 있음을 볼 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 복합재료 충격 손상 검출 장치
110: 검출수단 111: 검출선부
111a: 코팅층 112: 전달선부
113: 연결선부 115: 단위선
120: 분석수단
500: 검출대상
500a: 제1층 500b: 제2층

Claims (16)

  1. 모재 및 강화재가 혼합된 복합재료 재질의 검출대상의 충격 손상 위치 및 정도를 검출하는 장치로서,
    광섬유 재질로 이루어져 상기 검출대상 상에 분포 배치되는 검출선부, 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출선부 및 외부 간 신호 전달이 이루어지도록 분포된 상기 검출선부들 중 최외곽에 위치한 상기 검출선부들에 연결되는 전달선부를 포함하여 이루어지는 검출수단;
    상기 전달선부를 통해 상기 검출수단과 연결되며, 상기 검출선부의 잔류 변형률을 측정하여 상기 검출대상 상의 충격 손상 위치 및 정도를 산출하는 분석수단;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 검출수단은,
    상기 검출선부가 서로 독립적인 복수 개로 이루어질 경우,
    광섬유 재질로 이루어져 상기 검출선부들을 서로 연결하는 적어도 하나의 연결선부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 복합재료 충격 손상 검출 장치는,
    브릴루앙 주파수 천이(Brillouin frequency shift) 값이 광섬유의 변형률에 비례하는 원리를 이용하여,
    충격 손상 발생 이전 측정된 상기 검출선부의 브릴루앙 주파수 천이 값을 기준값으로 하고, 충격 손상 발생 이후 측정된 상기 검출선부의 브릴루앙 주파수 천이 값이 변화된 위치 및 정도를 상기 기준값과 비교하여,
    충격 손상 발생 이후 상기 검출선부에 잔류하는 변형률을 산출함으로써 상기 검출대상 상의 충격 손상 위치 및 정도를 산출하는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 검출수단은,
    상기 검출선부, 상기 전달선부 또는 상기 검출선부, 상기 전달선부, 상기 연결선부가 적어도 하나의 연결된 선을 형성하도록 이루어지되,
    상기 검출선부, 상기 전달선부 또는 상기 검출선부, 상기 전달선부, 상기 연결선부로 이루어지는 하나의 연결된 선을 단위선이라 할 때, 상기 검출수단은 적어도 하나의 단위선을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 검출수단은,
    하나의 상기 단위선에 대하여,
    상기 단위선은, 상기 검출선부가 1개일 때, 상기 전달선부 - 상기 검출선부 - 상기 전달선부 순으로 순차적으로 연결되어 형성되며,
    상기 단위선은, 상기 검출선부가 N(N은 2 이상의 자연수)개일 때, 상기 연결선부는 서로 인접한 2개의 상기 검출선부의 끝단들을 연결하도록 N-1개 구비되고, 상기 전달선부는 최외곽에 위치한 한 쌍의 상기 검출선부에 대하여 상기 연결선부가 연결되지 않은 끝단에 각각 연결되도록 2개 구비되어, 상기 전달선부 - 상기 검출선부 - 상기 연결선부 - … - 상기 검출선부 - 상기 전달선부 순으로 순차적으로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 검출수단은,
    하나의 상기 단위선에 대하여,
    상기 검출선부가 N(N은 2 이상의 자연수)개일 때, 상기 단위선에 포함되는 복수 개의 상기 검출선부들이 서로 동일 방향으로 연장되며, 서로 평행하게 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 검출수단은,
    상기 검출선부의 연장 방향이, 상기 검출선부가 부착된 상기 검출대상을 형성하는 강화재의 연장 방향과 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 검출수단은,
    상기 검출선부들의 이격 간격이 등간격으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  9. 제 4항에 있어서, 상기 검출수단은,
    하나의 상기 단위선에 대하여,
    상기 검출선부가 1개일 때, 상기 검출대상은 기둥 형상이며, 상기 검출선부는 상기 검출대상에 감겨지는 형태로 배치되되, 감겨진 상기 검출선부의 일부들은 서로 평행하게 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 검출선부는,
    상기 검출대상의 표면에 부착되거나 또는 내부에 매설되는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 검출선부는,
    상기 검출대상의 표면에 부착되는 경우,
    접착제에 의하여 부착되는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 검출선부는,
    상기 검출대상의 내부에 매설되는 경우,
    상기 검출대상은 모재 및 강화재로 이루어지는 층이 복수 개 적층되어 이루어지되, 상기 검출선부는 상기 검출대상을 이루는 복수 개의 층들 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 검출수단은,
    상기 검출선부가 광섬유만으로 이루어지거나 또는 광섬유 표면에 코팅층이 더 형성되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 코팅층은,
    금속재 또는 수지재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 장치.
  15. 모재 및 강화재가 혼합된 복합재료 재질의 검출대상의 충격 손상 위치 및 정도를 검출하도록, 브릴루앙 주파수 천이(Brillouin frequency shift) 값이 광섬유의 변형률에 비례하는 원리를 이용하여, 광섬유 재질로 이루어져 상기 검출대상 표면 또는 내부에 분포 배치되는 복수 개의 검출선부를 사용하는 복합재료 충격 손상 검출 방법으로서,
    상기 검출선부의 상기 검출대상 상의 위치 및 상기 검출선부의 브릴루앙 주파수 천이 값이 미리 측정되는 기준결정단계;
    상기 검출대상 상에 충격 손상이 발생되는 충격손상단계;
    상기 검출선부의 브릴루앙 주파수 천이 값이 측정되는 변형측정단계;
    상기 기준결정단계에서 미리 획득된 위치별로, 상기 기준결정단계에서 미리 획득된 브릴루앙 주파수 천이 기준값 및 상기 변형측정단계에서 측정된 브릴루앙 주파수 천이 측정값이 비교되어, 충격 손상 발생 이후 상기 검출선부에 잔류하는 변형률이 산출됨으로써 상기 검출대상 상의 충격 손상 위치 및 정도가 산출되는 충격검출단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 방법.
  16. 제 15항에 의한 복합재료 충격 손상 검출 방법에 의해 검출된 검출 결과의 출력 방법에 있어서,
    상기 검출선부의 지점들이 2차원 XY평면 상의 지점들에 매핑되는 단계;
    상기 검출선부의 각 지점에서 측정된 잔류 변형률이 매핑된 2차원 XY평면 상의 각 지점에서 Z높이 값 또는 음영 값으로 표시되는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분포된 광섬유를 이용한 복합재료 충격 손상 검출 결과의 출력 방법.
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