KR20210124404A - 구조적 스트레인을 모니터링 하기 위한 감지 섬유 - Google Patents

구조적 스트레인을 모니터링 하기 위한 감지 섬유 Download PDF

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KR20210124404A
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Abstract

감지 섬유를 포함하는 구조적 스트레인 모니터링을 위한 예시적인 시스템, 장치 및 방법이 개시된다. 예시적인 시스템은 구조 본체 및 구조 본체를 통해 연장되고 감지 섬유의 변형에 따라 변하는 전기 저항을 나타내는 감지 섬유를 포함한다. 상기 시스템은 감지 섬유의 전기 저항을 모니터링하고, 전기 저항에 기초하여 구조 본체가 경험하는 구조적 스트레인을 결정하고, 구조적 스트레인의 표시를 출력하는 처리 유닛을 추가로 포함한다.

Description

구조적 스트레인을 모니터링 하기 위한 감지 섬유
본 발명은 구조 상태 모니터링에 관한 것으로, 특히 구조적 스트레인을 모니터링하기 위한 센서에 관한 것이다.
구조 상태 모니터링에는 대규모 기반 시설 자산에서 구조적 피로, 고장 및 골절의 지표 모니터링이 포함된다. 구조 상태 모니터링에는 가속도계, 스트레인 게이지, 변위 변환기 및 기타 센서와 같은 센서를 사용하여 구조 본체(예: 지지 기둥, 건물 지붕, 항공기 날개)에 대한 데이터를 수집할 수 있다. 이러한 데이터는 구조 본체의 변형 또는 손상 표시를 위하여 분석될 수 있다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 구조적 스트레인 모니터링을 위한 시스템이 제공된다. 이 시스템은 구조 본체와 구조 본체를 통해 연장되는 감지 섬유(sensing fiber)를 포함한다. 상기 감지 섬유는 감지 섬유의 변형에 따라 변하는 전기 저항을 나타낸다. 상기 시스템은 감지 섬유의 전기 저항을 모니터링하고, 전기 저항에 기초하여 구조 본체가 경험하는 구조적 스트레인을 결정하고, 구조적 스트레인의 표시를 출력하는 처리 유닛을 더 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 구조적 스트레인 모니터링을 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 구조 본체를 통해 연장되는 감지 섬유를 포함한다. 상기 감지 섬유는 감지 섬유의 변형에 따라 변하는 전기 저항을 나타낸다. 상기 장치는 감지 섬유의 전기 저항을 모니터링하고, 전기 저항에 기초하여 구조체가 경험하는 구조적 스트레인을 결정하고, 구조적 스트레인의 표시를 출력하는 처리 유닛을 더 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 구조적 스트레인 모니터링 방법이 제공된다. 이 방법은 구조 본체를 통해 연장되는 감지 섬유의 전기 저항을 모니터링하는 것을 포함한다. 상기 감지 섬유는 감지 섬유의 변형에 따라 변하는 전기 저항을 나타낸다. 상기 방법은 전기 저항에 기초하여 구조 본체가 경험하는 구조적 스트레인을 결정하고 구조적 스트레인의 표시를 출력하는 단계를 더 포함한다.
도 1은 감지 섬유를 포함하는 구조적 스트레인 모니터링을 위한 예시적인 시스템의 개략도이다.
도 2는 구조적 스트레인 모니터링을 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 3a는 구조적 스트레인이 서로 상이한 상황에서의 예시적인 구조 본체의 개략도이다.
도 3b는 감지 섬유의 변형과 감지 섬유에 의해 나타나는 전기 저항 사이의 관계를 나타내는 변형 저항 그래프이다.
도 4는 전기 전도성 메쉬로 둘러싸인 신축성 섬유 코어를 포함하는 감지 섬유를 포함하는 구조적 스트레인 모니터링을 위한 다른 예시적인 시스템의 개략도이다.
도 5는 감지 섬유를 갖는 예시적인 구조체의 단면의 개략도이다.
도 6a는 구조 본체의 표면에 고정된 여러 감지 섬유를 갖는 예시적인 구조 본체를 도시하는 도면이다.
도 6b는 복합 재료의 층과 복합 재료의 층 사이에 내장된 감지 섬유를 갖는 예시적인 구조 본체를 도시하는 도면이다.
도 7a는 내부에 감지 섬유가 내장된 항공기의 예시적인 날개를 도시하는 도면이다.
도 7b는 내부에 내장된 감지 섬유를 갖는 예시적인 지지 컬럼을 도시하는 도면이다.
구조 본체가 받게되는 구조적 스트레인은 구조 본체 내부 또는 구조 본체를 따라 특정 지점에 배치된 하나 이상의 포인트 센서(예: 스트레인 게이지)를 사용하여 모니터링할 수 있다. 상기 포인트 센서는 포인트 센서가 배치된 포인트 주변에서 발생하는 국부적 변형(예: 굽힘, 좌굴)을 모니터링한다. 상기 구조 본체의 더 넓은 영역에 걸쳐 더 큰 변형을 일으키는 변형을 모니터링하기 위해 여러 포인트 센서 그룹을 더 넓은 영역에 걸쳐 여러 다른 지점에 배치할 수 있다.
이러한 포인트 센서 그룹은 구조 본체의 넓은 영역에서 경험하는 광범위한 구조적 스트레인에 대한 제한된 정보를 제공할 수 있지만 이러한 센서에서 얻은 구조적 스트레인 정보의 완전성과 해상도는 포인트 센서의 물리적 범위에 의해 제한될 수 있다. 예를 들어, 포인트 센서 그룹은 포인트 센서 사이의 간격에서 직접 받게 되는 구조적 스트레인에 대한 정보를 놓칠 수 있다. 다른 예로, 구조체의 더 넓은 영역에 걸쳐 있는 더 큰 변형의 경우에도 포인트 센서 사이의 간격에 있는 구조체의 영역에는 더 큰 변형의 특성을 설명하는 중요한 구조적 스트레인 정보가 포함될 수 있으며, 이 정보를 놓칠 수 있다.
구조 본체에 내장된 포인트 센서 사용의 또다른 단점은 그러한 포인트 센서가 구조 본체 자체의 구조적 무결성을 손상시킬 수 있다는 것이다. 기존에 사용되는 포인트 센서의 크기가 크기 때문에 이러한 포인트 센서는 구조 본체 내에서 파손 지점 또는 연약 지점을 생성할 수 있다.
본 발명은 포인트 센서 그룹보다 구조 본체가 겪는 변형을 더 포괄적으로 모니터링하는 데 사용될 수 있는 감지 섬유를 제공한다. 본 명세서에 기술된 바와 같이, 구조 본체는 구조 본체의 섹션을 통해 연장되는 감지 섬유와 체결될 수 있다. 상기 감지 섬유는 감지 섬유의 변형에 따라 변하는 전기 저항을 나타낸다. 구조적 스트레인은 구조 본체가 변형될 때 감지 섬유를 가로지르는 전기 저항을 모니터링하여 결정된다.
감지 섬유는 길이를 따라 어디에서나 받게되는 스트레인에 반응하므로 구조 본체가 받게되는 구조적 스트레인은 센서 사이의 모니터링되지 않는 간격이 더 적거나 더 작아도 모니터링될 수 있다. 감지 섬유는 연속 센서이므로 길이를 따라 모니터링되지 않는 간격이 없다. 여러 감지 섬유(예를 들어, 메쉬)는 구조 본체 전체에(예를 들어, 층으로) 배치되어 구조 본체의 더 넓은(즉, "전역")에 대한 모니터링을 제공할 수 있다. 또한, 감지 섬유는 복합 재료에 사용되는 섬유의 크기와 유사한 정도로 충분히 작은 크기(즉, 얇음)일 수 있으며, 따라서 감지 섬유는 복합 재료에 내장시에 구조 본체의 구조적 무결성에 대한 영향을 줄이게 된다.
도 1은 구조적 스트레인 모니터링을 위한 예시적인 시스템(100)의 개략도이다. 상기 시스템(100)은 벽, 지지 기둥, 구조체 케이블, 선박의 선체, 차량의 몸체, 항공기의 날개, 풍력 터빈의 블레이드 또는 구조 스트레인을 받게 되는 다른 구조 본체와 같은 구조 본체(102)를 포함한다.
상기 시스템(100)은 상기 구조 본체(102)를 통해 연장되는 감지 섬유(110)를 더 포함한다. 즉, 상기 감지 섬유(110)는 구조 본체(102)의 적어도 일부를 통해 연장되며, 이는 모니터링된 섹션으로 지칭될 수 있다. 감지 섬유(110)는 구조 본체(102)에 내장될 수 있다(즉, 구조 본체(102)의 제조 동안 구조 본체(102)의 재료에 내장됨). 상기 구조 본체(102)는 감지 섬유(110)가 다른 구조 섬유와 나란히 내장되는 구조 섬유의 복합 재료로 제조될 수 있다. 감지 섬유(110)는 그것이 내장된 재료보다 더 연질(즉, 낮은 영률)일 수 있고, 따라서 주변에 구조적 영향이 거의 없이 주변 구조 환경의 수동적 리포터로서 작용할 수 있다. 상기 감지 섬유(110)는 중합체 기반 섬유 코어를 포함할 수 있고, 따라서 구조 본체(102)에 의해 경험되는 임의의 변형과 함께 변형하기에 충분히 가요성을 가질 수 있다.
상기 감지 섬유(110)는 구조 본체(102)의 관심 치수의 대부분(예를 들어, 전체 길이 또는 폭)에 걸쳐 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 구조 본체(102)가 항공기의 날개를 포함하는 경우, 상기 감지 섬유(110)는 날개의 베이스에서 날개의 끝까지 연장될 수 있으며, 따라서 날개의 길이를 따라 어디에서나 나타날 수 있는 구조적 스트레인을 모니터링할 수 있다.
상기 감지 섬유(110)는 감지 섬유(110)의 변형에 따라 변하는 전기 저항을 나타내기 위한 것이다. 상기 감지 섬유(110)는 전체 길이를 따라 전기 전도성이므로, 감지 섬유(110)는 그 길이를 따라 임의의 지점에서 발생하는 변형을 감지할 수 있다.
상기 구조 본체(102)가 스트레인을 받음에 따라, 구조 본체(102)가 변형되어 감지 섬유(110)가 변형되고, 감지 섬유(110)에 의해 나타나는 전기 저항이 변경된다. 상기 감지 섬유(110)의 변형은 감지 섬유(110)의 길이의 수축 또는 신장을 의미할 수 있다.
상기 감지 섬유(110)의 변형에 따라 전기 저항이 변하는 특성을 압전 저항 특성이라고 할 수 있다. 상기 감지 섬유(110)에 의해 나타나는 전기 저항의 변화는 저항 측정 장치에 의해 감지될 수 있는 신호를 생성하기에 충분히 클 수 있다. 예를 들어, 감지 섬유(110)의 약 10% 신장은 약 40%의 전기 저항의 변화를 초래할 수 있다.
아래의 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 전기 저항의 변화는 구조 본체(102)에서 감지 섬유(110)의 위치 및 구조 본체(102)가 겪는 변형의 유형에 따라 달라질 수 있다.
상기 시스템(100)은 처리 유닛(120)을 추가로 포함한다. 상기 처리 유닛은 감지 섬유(110)의 전기 저항을 모니터링하고, 전기 저항에 기초하여 구조 본체(102)가 받게되는 구조적 스트레인을 결정하고, 구조적 스트레인의 표시를 출력한다.
일부 실시예에서, 상기 처리 유닛(120)은 전기 저항을 모니터링하는 데이터 획득 유닛을 포함할 수 있고, 구조적 스트레인을 결정하고 구조적 스트레인의 표시를 출력하는 하나 이상의 컴퓨팅 장치(예를 들어, 원격 서버)를 추가로 포함할 수 있다. 따라서, 상기 처리 유닛(120)은 프로세서, 중앙 처리 유닛(CPU), 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, FPGA(f필드 프로그래머블 게이트 어레이: ield-programmable gate array) 등의 임의의 수량 및 조합을 포함할 수 있으며, 메모리( 휘발성 및 비휘발성 저장소) 및/또는 통신 인터페이스(예: 네트워크 인터페이스)를 사용하여 여기에 설명된 기능을 수행할 수 있다.
상기 처리 유닛(120)은 임의의 적절한 저항 측정 장치 및 감지 섬유(110)와 접촉하는 전기 리드 라인을 통해 감지 섬유(110)의 전기 저항을 모니터링할 수 있다. 상기 전기 저항은 이러한 저항 측정 장치에 의해 지속적으로 또는 주기적으로 모니터링될 수 있다. 전기 저항 판독값은 처리를 위해 또는 처리를 위해 원격 장치로 전송하기 전에 임시 저장을 위해 처리 유닛(120)에 일시적으로 저장될 수 있다.
상기 처리 유닛(120)은 감지 섬유(110)의 측정된 전기 저항과 감지 섬유(110)의 대응하는 변형 사이의 하나 이상의 알려진 관계에 기초하여 구조적 스트레인을 결정할 수 있다. 즉, 상기 감지 섬유(110)는 변형량이 어떻게 전기 저항의 변화량을 유발하는지 결정하기 위해 테스트되었을 수 있으며, 또는, 감지 섬유(110)는 전기 저항이 어떻게 변형에 따라 변하는지를 정의하는 특정 사양으로 제조되었을 수 있다. 따라서, 변형에 대한 전기 저항의 감도는 다양한 응용 분야에 맞게 조정될 수 있다. 이러한 관계는 수학적 함수(즉, 감지 섬유(110)의 전기 저항이 변형의 함수로 계산될 수 있는 수학적 함수), 룩업 테이블 또는 다른 방식으로 표현될 수 있다.
또한, 상기 처리 유닛(120)은 감지 섬유(110)의 변형과 구조 본체(102)의 대응하는 변형 사이의 하나 이상의 알려진 관계에 기초하여 구조적 스트레인을 결정할 수 있다. 즉, 구조 본체(102)는 변형량이 어떻게 감지 섬유(110)에서 변형량을 유발하는지를 결정하기 위해 테스트되었으며, 또는, 구조 본체(102)는 변형이 스트레인에 따라 어떻게 변화하는지를 정의하는 특정 사양으로 제조되었을 수 있다. 다시, 이러한 관계는 수학적 함수(즉, 구조 본체(102)가 받는 변형에 의한 수학적 함수는 감지 섬유(110)의 변형의 함수로 계산될 수 있음), 룩업 테이블 또는 기타 방법으로 표현될 수 있다.
따라서, 상기 감지 섬유(110)의 전기 저항의 변화는 감지 섬유(110)의 변형과 관련될 수 있고, 이는 결국 구조 본체(102)의 변형과 관련될 수 있다.
상기 감지 섬유(110)의 전기 저항과 감지 섬유(110)의 변형량 사이의 관계는 잘 이해될 수 있지만(즉, 실험실 수준에서 테스트됨), 상기 감지 섬유(110)의 변형량(또는 전기 저항의 변화) 및 구조 본체(102)가 받는 구조 스트레인 량 간의 관계는 특정 구조 본체(102)에 고유할 수 있거나, 또는 적어도 감지섬유(110)에 의해 모니터링될 각 구조 본체(102)에 대해 직접 계산하기에는 지나치게 번거로울 수 있다. 따라서, 일부 실시예에서, 상기 처리 유닛(120)은 감지 섬유(110)의 전기 저항에 기초하여 구조 본체(102)가 받는 구조적 스트레인을 결정하도록 학습된 기계 학습 모델을 적용함으로써 구조 본체(102)가 받게 되는 구조적 스트레인을 결정할 수 있다.
실제로, 상기 감지 섬유(110)를 갖는 구조 본체(102)는 구조적 스트레인 시험을 받게될 수 있으며, 이에 의해 구조 본체(102)는 공지된 변형(예를 들어, 상이한 강도 및/또는 상이한 방향으로)하에 놓이게 되며, 결과적으로 감지 섬유(110)의 전기 저항이 측정되게 된다. 따라서, 감지 섬유(110)의 전기 저항과 구조 본체(102)에 대한 스트레인 사이의 관계가 결정될 수 있다. 기계 학습 모델을 훈련하는 경우, 스트레인 데이터(구조 본체(102)에 가해지는 구조적 스트레인을 설명함) 및 저항 데이터(이러한 구조적 스트레인 하에서 측정된 감지 섬유(110)의 전기 저항을 설명함)는 머신 러닝 모델에 제공된다. 이에 의해, 기계 학습 모델은 상기 감지 섬유(110)의 전기 저항에 기초하여 구조 본체(102)의 구조적 스트레인을 예측하도록 훈련될 수 있다. 기계 학습 모델은 처리 유닛(120)에 저장될 수 있고 따라서 구조 본체(102)가 받게 되는 구조적 스트레인을 예측할 수 있다.
따라서, 상기 구조 본체(102)의 변형은 감지 섬유(110)의 변형에 반영될 수 있고 구조 본체(102)에 대한 변형으로 검출될 수 있다. 또한, 상기 감지 섬유(110)를 통한 전기 전도도가 손실된 경우, 전도도 손실은 구조체(102)의 파손, 균열 또는 파단의 표시로 해석될 수 있다.
도 2는 구조적 스트레인 모니터링을 위한 예시적인 방법(200)의 흐름도이다. 편의상, 상기 방법(200)은 도 1의 시스템(100)을 참조하여 설명되되, 도 1을 참조하여, 상기 방법(200)의 블록에 대한 추가 설명을 위해 도 1의 시스템(100)에 대한 설명이 참고된다. 그러나, 이것은 제한적이지 않으며, 상기 방법(200)은 다른 시스템과 함께 수행될 수 있다.
블록(202)에서, 상기 처리 유닛(120)은 감지 섬유(110)의 전기 저항을 모니터링한다. 위에서 논의된 바와 같이, 상기 감지 섬유(110)는 구조 본체(102)를 통해 연장되고 감지 섬유(110)의 변형에 따라 변하는 전기 저항을 나타낸다. 블록(204)에서, 상기 처리 유닛(120)은 전기 저항에 기초하여 구조 본체(102)가 받게 되는 구조적 스트레인을 결정한다. 블록(206)에서, 상기 처리 유닛(120)은 구조적 스트레인의 표시를 출력한다.
상기 방법(200)의 블록들 중 하나 이상은 실행될 때 컴퓨팅 장치(예를 들어, 도 1의 처리 유닛(120))의 프로세서가 상기 방법(200)의 하나 이상의 블록을 수행하도록 하는 비-일시적 기계 판독 가능한 저장 매체에 저장된 명령으로 수행된다. 따라서, 상기 처리 유닛(120)은 방법(200)의 하나 이상의 블록을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 3a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 감지 섬유(110)의 전기 저항의 변화는 구조 본체(102)에서 감지 섬유(110)의 위치 및 구조 본체(102)가 겪는 변형의 유형에 의존할 수 있다. 도 3a는 구조적 스트레인의 3가지 다른 상황에서 구조 본체(302)의 개략도를 도시한다. 구조 본체(302)는 도 1의 구조 본체(102)와 유사하며, 도 1의 감지 섬유(110)와 유사한 감지 섬유(310)(점선으로 도시됨)를 포함한다. 상기 구조 본체(302)는 구조 본체(302)를 길이 방향으로 전반부 및 후반부로 이등분하는 중립 평면 또는 중앙선(301)(점선으로 표시됨)을 포함한다. 상기 감지 섬유(310)는 구조 본체(302)의 전반부에 위치되고 구조 본체(302)의 길이를 따라 중앙선(301)과 실질적으로 평행하게 연장된다.
상황(A)에서, 상기 구조 본체(302)는 구조 본체(302)의 전반부의 길이의 압축을 야기하는(즉, 위로 편향되거나 구부러지는) 변형을 겪으며, 이에 의해 감지 섬유(310)의 길이의 압축이 야기된다. 상황(B)에서, 상기 구조 본체(302)는 스트레인이 없는 중립 상태에 있고, 상기 감지 섬유(310)는 중립 길이로 남겨져 있다. 상황(C)에서, 상기 구조 본체(302)는 구조 본체(302)의 전반부의 길이의 신장(또는 구조 본체(302)의 후반부의 압축)을 야기하는 변형을 겪게 되어(즉, 편향되거나 아래쪽으로 만곡됨), 이에 의해 감지 섬유(310)의 길이의 신장이 야기된다.
도 3b는 도 3a에서 설명된 각각의 상황 (A), (B) 및 (C)에서 상기 감지 섬유(310)의 전기 저항과 감지 섬유(310)의 변형 사이의 관계를 설명하는 변형-저항 곡선(350)을 나타내는 변형-저항 그래프이다. 상기 감지 섬유(310)가 나타내는 전기 저항은 감지 섬유(310)의 길이가 길어질수록(즉, 신장될수록) 증가하고, 감지 섬유(310)의 길이가 감소될수록(즉, 압축될수록) 감소한다.
상황(B)에 해당하는 지점(B)에서, 상기 구조 본체(302)는 변형되지 않고, 감지 섬유(310)는 중립 또는 초기 길이로 되고, 감지 섬유(310)는 중립 또는 초기 전기 저항을 나타낸다. 상황(A)에 해당하는 지점(A)에서, 상기 구조 본체(302)는 스트레인을 받게 되고, 상기 감지 섬유(310)는 압축된 길이의 상태에 있으며, 상기 감지 섬유(310)는 중립 또는 초기 전기 저항의 경우보다 낮은 압축된 전기 저항을 나타내게 된다. 상황(C)에 해당하는 지점(C)에서, 상기 구조 본체(302)는 반대 스트레인을 받고, 상기 감지 섬유(310)는 신장된 길이로 되어 있고, 상기 감지 섬유(310)는 중립 선 또는 초기 전기 저항보다 높은 신장된 전기 저항을 나타내게 된다.
상기 감지 섬유(310)의 길이가 압축되거나 신장될 때마다 감지 섬유(310)가 나타내는 전기 저항도 증가하며, 이러한 관계는 도 3b에 도시된 변형-저항 곡선(350)으로 설명된다. 상기 변형-저항 곡선(350)은 임의의 주어진 변형량에서 감지 섬유(310)의 전기 저항을 결정하는데 사용될 수 있는 감지 섬유(310)의 변형과 감지 섬유(310)의 전기 저항 사이의 알려진 관계를 나타낸다. 변형-저항 곡선(350)은 감지 섬유(310)의 전기 저항이 변형의 함수로 계산될 수 있는 수학적 함수로 표현될 수 있다. 상기 구조 본체(302)의 길이에 대해 설명하지만, 위에서 설명된 원리는 구조 본체(302)의 임의의 치수(즉, 길이, 폭, 깊이), 또는 실제로 변형될 때 감지 섬유(310)의 압축 또는 신장을 야기하는 구조 본체(302)를 통과하는 경로의 임의의 변형에 적용된다는 것을 이해해야 한다. 일부 실시예에서, 상기 감지 섬유(310)는 전술한 바와 같이 감지 섬유(310)의 저닉 저항에 기초하여 구조 본체(302)가 받게되는 구조적 스트레인을 결정하기 위해 기계 학습 모델의 훈련을 위해 상황 (A), (B) 및 (C)와 유사한 환경 하에서 테스트될 수 있다.
도시된 예에서, 전기 저항과 변형 사이의 관계는 비선형이다. 특히, 상기 감지 섬유(310)의 전기 저항은 감지 섬유(310)가 압축될 때보다는 감지 섬유(310)가 신장될 때의 변형에 더 민감하다. 그러나 이것은 예시일 뿐이며 전기 저항과 변형 간의 관계는 주어진 응용 분야에 맞게 조정될 수 있다.
도 4는 구조적 스트레인 모니터링의 다른 시스템(400)의 개략도이다. 상기 시스템(400)은 도 1의 시스템(100)과 유사하되, 유사한 구성요소는 "100" 번 계열이 번호가 아닌 "400" 번 계열의 번호로 표시되며, 구조 본체(402), 감지 섬유(410), 및 처리 유닛(420)을 포함한다. 이러한 구성요소에 대한 추가 설명을 위하여, 도 1의 시스템(100)에서 유사한 구성요소에 대한 설명이 참고될 수 있다.
상기 시스템(400)에서, 상기 감지 섬유(410)는 예를 들어 본원에 참조로 포함되는 PCT/IB2019/051634에 기재된 바와 같이 전기 전도성 메쉬(414)에 의해 둘러싸인 신축성 섬유 코어(412)를 포함한다. 상기 전기 전도성 메쉬(414)는 감지 섬유(410)를 가로질러 전기를 전도하기 위해 신축성 섬유 코어(412) 주위에 코팅된 복수의 높은 종횡비 나노물질(416)을 포함한다. 상기 감지 섬유(410)의 일부는 이러한 구성요소를 보다 명확하게 보기 위해 확대되어 있다. 이러한 감지 섬유(410)는 내장되는 구조 본체(402)에 대한 구조적 영향을 최소화하기 위해 특히 가늘게 되어 있다(예를 들어, 10㎛ 내지 1mm의 직경을 가짐).
신축성 섬유 코어(412)는 유연하고 탄성이 있어, 상기 감지 섬유(410)는 구조체(402)가 변형될 때 가역적으로 변형된다. 전기 전도성 메쉬(414)는 높은 종횡비의 나노물질(416)이 서로 떨어져 당겨질 때 저항이 증가하고 높은종횡비의 나노물질(416)이 서로 가까워질수록 저항이 감소한다. 따라서, 상기 감지 섬유(410)의 전기 저항은 감지 섬유(410)가 신장됨에 따라 감소하고, 감지 섬유(410)가 압축될수록 감소한다.
신축성 섬유 코어(412)는 유연하고, 구부릴 수 있고, 변형될 수 있다는 점에서 신축성이 있으며, 파손되지 않고 상당한 정도로 신장되거나 압축될 수 있다. 신축성 섬유 코어(412)는 예를 들어 폴리스티렌, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(n-부틸 메타크릴레이트), 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리비닐, 폴리올레핀, 아크릴 중합체, 나일론, 폴리우레탄 및 열가소성 폴리우레탄(TPU) 중 하나 또는 이들의 조합과 같은 중합체 재료를 포함할 수 있다. 신축성 섬유 코어(412)는 약 1mm 미만의 반경을 갖도록 제조될 수 있다.
높은 종횡비 나노물질(416)은 폭 또는 직경보다 길이가 실질적으로 더 긴 가느다란 나노물질 증착물을 포함할 수 있다. 전기 전도성 메시(414) 내에서 결합될 때, 높은 종횡비의 나노물질(416)은 함께 압축될 때(따라서 더 낮은 저항을 가질 때) 더 완전하게 전기적으로 연결되고, 신장될 때(따라서 더 높은 저항을 가질 때) 덜 완전하게 전기적으로 연결된다. 높은 종횡비 나노물질(416)은 적어도 약 50:1, 또는 보다 바람직하게는 약 500:1, 더욱 바람직하게 약 1000:1, 더욱 바람직하게는 10,000:1의 평균 길이-대-직경 종횡비를 가질 수 있다. 평균 길이 대 직경 종횡비가 약 1,000,000:1 이상인 높은 종횡비 나노물질(416)이 사용될 수 있다. 높은 종횡비 나노물질(416)은 약 50 나노미터 미만의 평균 직경을 가질 수 있다. 높은 종횡비 나노물질(416)은 전기 전도성을 가지므로 구리, 은, 금, 백금, 나노와이어 형태의 철, 탄소 나노튜브, 기타 높은 종횡비 나노입자, 및 기타 높은 종횡비 나노물질과 같은 금속 화합물 또는 원소를 포함할 수 있다.
상기 감지 섬유(410)는 전기적으로 절연성 물질로 코팅될 수 있다. 전기 절연 재료는 상기 감지 섬유(410)와 구조 본체(402)의 다른 구성요소의 간섭을 억제할 수 있다. 전기 절연 재료는 상기 감지 섬유(410)가 구조 본체(402)의 다른 감지 섬유(410)와 단락되는 것을 추가로 억제할 수 있으며, 그렇지 않으면 이러한 단락은 구조적 스트레인 모니터링을 방해할 수 있다. 전기 절연 재료는 또한 내화학성일 수 있다. 이러한 절연 재료는 폴리스티렌, 폴리(메틸 메타크릴레이트), 폴리(n-부틸 메타크릴레이트), 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리비닐, 폴리올레핀, 아크릴 중합체, 폴리우레탄 또는 열가소성 폴리우레탄(TPU)을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 감지 섬유(410)는 여러 다른 감지 섬유(410)와 함께 얀(yarn)으로 권취될 수 있고 유사하게 구조 본체(402) 상에 또는 구조 본체(402) 내에 배치될 수 있다. 상기 감지 섬유(410)의 얀은 단일 감지 섬유(410)보다 특히 변형이 가해질 때 더 견고하고 신뢰할 수 있다.
도 5는 상기 감지 섬유(510)를 갖는 예시적인 구조 본체(502)의 단면의 개략도이다. 이들 구성요소는 도 1의 구조 본체(102) 및 감지 섬유(110)와 유사할 수 있으며, 따라서 이러한 구성요소에 대한 추가 설명을 위해 도 1의 유사한 구성요소에 대한 설명이 참고될 수 있다.
그러나, 상기 구조 본체(502)에서, 상기 감지 섬유(510)는 구조 본체(502)의 섹션을 적어도 두 번 통과하는 구조 본체(502)를 통한 경로를 따른다. 도시된 바와 같이, 상기 감지 섬유(510)는 3개의 향상된 감지 섹션(506)을 각각 적어도 2회 통과한다. 즉, 상기 감지 섬유(510)는 이러한 향상된 감지 섹션(506)을 "중첩" 감지하기 위해 이러한 섹션(506)을 통해 두 번 이상 또는 역추적한다. 제조 동안, 상기 감지 섬유(510)는 구조 본체(502)에 내장될 때, 상기 감지 섬유(510)는 이러한 강화된 감지 섹션(506)을 적어도 두 번(즉, 앞뒤로) 통과하는 경로에 놓일 수 있다.
이러한 향상된 감지 섹션(506)의 구조 본체(502)에 변형이 있는 경우, 상기 감지 섬유(510)는 한 번만 통과하는 섹션에서 받게 되는 것보다 더 극단적인 변형을 겪을 것이며, 따라서 상기 감지 섬유(510)는 그렇지 않으면 한번만 통과하는 섹션에서 나타나는 것보다는 이러한 향상된 감지 섹션(506)에서 구조 본체(502)의 변형에 응답하여 더 큰 수준으로 전기 저항에 대하여 증가하거나 감소할 것이다. 따라서, 상기 감지 섬유(510)는 구조 본체(502)의 다른 곳의 변형보다 이러한 향상된 감지 섹션(506)의 변형에 더 민감하다.
적용예에서, 상기 감지 섬유(510)는 구조적 스트레인에 대한 특히 민감한 정보를 수신하는 것이 특히 유용할 중요한 섹션에서 전술한 바와 같이 구조 본체(502)에 배치될 수 있다. 따라서, 구조적 스트레인의 모니터링의 감도는 감지 섬유(510)가 특히 민감한 그러한 향상된 감지 섹션(506)을 설정함으로써 조정될 수 있다.
본 명세서에서 논의된 감지 섬유는 여러 방식으로 구조 본체에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 6a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 감지 섬유(610A)는 구조 본체(602A)의 표면에 고정(예를 들어, 접착)될 수 있다.
도 6b에 도시된 다른 예에서, 상기 구조 본체(602B)는 각각의 여러 감지 섬유(610B)가 내장된 복합 재료의 여러 층을 포함할 수 있다. 상기 감지 섬유(610B)는 복합 재료에 사용되는 섬유와 유사한 크기 및 유연성을 가질 수 있다. 감지 섬유(610B)를 배치하는 것은 복합 재료를 준비하기 위한 레이업 절차에 포함될 수 있다.
또다른 예로서, 도 7a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 감지 섬유(710A)는 항공기의 날개로 도시된 구조 본체(702A) 내에 배치될 수 있다.
또다른 예에서, 도 7b에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 감지 섬유(710B)는 지지 칼럼 또는 기둥으로 도시된 구조 본체(702B) 내에 내장될 수 있다.
따라서, 상기 감지 섬유는 구조적 상태 모니터링 애플리케이션을 위해 제공될 수 있다. 상기 감지 섬유는 구조 본체에 가해지는 구조적 스트레인에 의해 변형될 때 전기 저항이 변할 수 있으며, 이에 따라 구조적 스트레인의 측정값을 제공할 수 있다. 상기 감지 섬유는 내장된 복합 재료의 무결성에 부정적인 영향을 미치지 않는 낮은 모듈러스 재료로 만들어질 수 있으므로 대형 구조 본체의 지속적인 구조 모니터링을 제공하면서도 구조체 내에 안전하게 내장될 수 있다. 상기 감지 섬유는 또한 구조 본체의 표면을 가로질러 놓일 수 있고 표면에 부착되어 유사하게 재료의 변형을 모니터링할 수 있다.
위에 제공된 다양한 예의 특징 및 양태는 또한 본 개시내용의 범위 내에 속하는 추가적인 예에 결합될 수 있음을 인식해야 한다. 청구범위의 범위는 위의 예에 의해 제한되어서는 아니되며 전체 설명과 일치하는 가장 광범위한 해석이 주어져야 한다.
100: 시스템 102: 구조 본체
110: 감지 섬유 120: 처리 유닛

Claims (15)

  1. 구조 본체;
    상기 구조 본체를 관통하여 연장되며, 감지 섬유의 변형에 따라 변화하는 전기 저항을 나타내는 감지 섬유; 및
    처리 유닛으로서:
    감지 섬유의 전기 저항을 모니터링하고;
    전기 저항을 기반으로 상기 구조 본체가 받게되는 구조적 스트레인을 결정하고;
    상기 구조적 스트레인의 표시를 출력하는, 처리 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 처리 유닛은 상기 감지 섬유의 전기 저항을 기반으로 상기 구조 본체가 받게 되는 구조적 스트레인을 결정하도록 훈련된 머신 러닝 모델을 적용하여 상기 구조 본체가 받게되는 구조적 스트레인을 결정하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 감지 섬유는 상기 구조 본체 내부에 내장되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 감지 섬유는 상기 구조 본체의 모니터링된 섹션에 걸쳐 있고, 모니터링된 섹션은 상기 구조 본체의 관심 치수의 대부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 감지 섬유는 상기 구조 본체의 향상된 감지 섹션을 적어도 2번 통과하는 구조 본체를 통한 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구조 본체는 항공기의 날개를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 감지 섬유는 신축성 섬유 코어 및 전기 전도성 메쉬를 포함하고, 상기 전기 전도성 메쉬는 감지 섬유를 가로질러 전기를 전도하기 위해 신축성 섬유 코어 주위에 코팅된 복수의 고-종횡비 나노물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 구조 본체는 복합 재료의 층을 포함하고, 상기 감지 섬유는 복합 재료의 층 사이에 내장되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 구조 본체를 통해 연장되는 감지 섬유로서, 상기 감지 섬유의 변형에 따라 변화하는 전기 저항을 나타내는, 감지 섬유; 및
    처리 유닛으로서,
    감지 섬유의 전기 저항을 모니터링하고,
    전기 저항을 기반으로 상기 구조 본체가 받게되는 구조적 스트레인을 결정하고,
    상기 구조적 스트레인의 표시를 출력하는, 처리 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 처리 유닛은 상기 감지 섬유의 전기 저항에 기초하여 구조 본체가 받게 되는 구조적 스트레인을 결정하도록 훈련된 머신 러닝 모델을 적용하여 구조 본체가 받게되는 구조적 스트레인을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 감지 섬유는 신축성 섬유 코어 및 전기 전도성 메쉬를 포함하고, 상기 전기 전도성 메쉬는 감지 섬유를 가로질러 전기를 전도하기 위해 상기 신축성 섬유 코어의 주위에 코팅된 복수의 고-종횡비 나노물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 구조 본체를 통해 연장되는 감지 섬유의 전기 저항을 모니터링하는 모니터링 단계로서, 상기 감지 섬유는 상기 감지 섬유의 변형에 따라 변화하는 전기 저항을 나타내는, 모니터링 단계;
    전기 저항에 기초하여 상기 구조 본체가 받게되는 구조적 스트레인을 결정하는 단계; 및
    구조적 스트레인의 표시를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    구조적 스트레인을 결정하는 단계는 감지 섬유의 전기 저항에 기초하여 구조 본체가 받게 되는 구조적 스트레인을 결정하도록 훈련된 기계 학습 모델을 적용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    전기 저항을 모니터링하기 전에, 상기 구조 본체의 모니터링된 섹션을 통해 내장된 감지 섬유로써 구조 본체을 제조하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    모니터링된 섹션을 통해 내장된 감지 섬유로써 구조 본체를 제조하는 단계는 상기 감지 섬유를 구조 본체의 향상된 감지 섹션을 통해 2회 이상 통과시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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