WO2020111834A2 - 구조물 내부 모니터링 장치 및 방법 - Google Patents

구조물 내부 모니터링 장치 및 방법 Download PDF

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WO2020111834A2
WO2020111834A2 PCT/KR2019/016622 KR2019016622W WO2020111834A2 WO 2020111834 A2 WO2020111834 A2 WO 2020111834A2 KR 2019016622 W KR2019016622 W KR 2019016622W WO 2020111834 A2 WO2020111834 A2 WO 2020111834A2
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monitoring device
color change
light
internal
sensor unit
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김선국
임헤린
이한승
이윤수
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성균관대학교산학협력단
한양대학교 에리카산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for monitoring a structure inside.
  • Structures such as buildings, bridges, and dams using concrete and reinforcing bars experience long-term aging, earthquakes, typhoons, erosion of seawater and water, and steel bars are corroded by moisture penetration through concrete, which is serious for the safety of concrete structures. get affected.
  • Korean Patent Publication No. 10-2003-0030326 One of the prior arts for diagnosing the durability of a concrete structure is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2003-0030326.
  • the prior art diagnoses the degree of deformation of the structure that appears when a load is applied to the structure by attaching a strain gauge to the outer wall of the structure.
  • these methods have limitations in evaluating the durability of reinforcing bars or internal concrete materials embedded in concrete structures.
  • the present application is to solve the problems of the prior art described above, and an object of the present invention is to provide an apparatus and method for monitoring the inside of a structure that can effectively monitor the inside of the concrete structure.
  • the present application is to solve the problems of the prior art described above, and easily diagnose the damage or aging degree inside the concrete structure, to prevent the collapse of concrete structures such as building bridges, dams, etc. at an economical cost in advance and establish measures It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for monitoring internal structures.
  • the first aspect of the present application is a device for monitoring the inside of a structure, disposed inside the structure, and the refractive index of the core and cladding of the optical fiber
  • a color change member when exposed to a preset material causes a color change, and is arranged as a flexible member so that at least a portion of light emitted from the optical fiber member is absorbed or transmitted
  • An optical sensor unit that senses information on light transmitted through the color change member from the lateral light-emitting optical fiber member;
  • a porous protective film disposed to surround at least a portion of the outer periphery of the optical sensor unit to protect the color change member.
  • the porous protective film may be to pass the predetermined material from the outside, but is not limited thereto.
  • the preset material may be a material related to a concrete aging factor, but is not limited thereto.
  • the preset material may include one selected from the group consisting of chlorine ion, nitrate ion, acidity, carbon dioxide, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the color change member is disposed to surround at least a portion of the outer periphery of the optical fiber member
  • the optical sensor unit is disposed to surround at least a portion of the outer periphery of the color change member
  • the porous protective film It may be arranged to surround at least a portion of the outer periphery of the optical sensor member, but is not limited thereto.
  • the optical sensor unit may be a flexible phototransistor, but is not limited thereto.
  • the information received through the light sensor unit may be received, but may further include a determination unit that performs a determination related to a preset material based on the information, but is not limited thereto.
  • the determining unit may be disposed on the outer periphery of the porous protective film, but is not limited thereto.
  • a wireless transmission unit connected to the determination unit and transmitting the data of the determination unit to the outside may be further included, but is not limited thereto.
  • the structure may be a structure including a cementitious material, but is not limited thereto.
  • the structure may be a concrete structure, but is not limited thereto.
  • the color change member may be provided to identify at least one of chlorine ion concentration, nitrate ion concentration, acidity, and carbon dioxide concentration through a change in the amount of light transmitted through the color change member.
  • chlorine ion concentration nitrate ion concentration
  • acidity acidity
  • carbon dioxide concentration a change in the amount of light transmitted through the color change member.
  • the color change member may have any one form of a membrane, paper, and gel, but is not limited thereto.
  • a method for monitoring a structure inside using a structure monitoring device comprising: emitting a part of input light through an optical fiber member; Absorbing or transmitting at least a portion of light emitted from the optical fiber member through a color changing member; And detecting information on light transmitted through the color change member through an optical sensor unit.
  • the present invention provides a method for monitoring a structure inside using a structure monitoring device according to the first aspect.
  • the method may further include the step of receiving information obtained through the optical sensor unit and performing a determination related to a preset material based on the information through the determination unit, but is not limited thereto. .
  • the method may further include transmitting data of the determination unit to the outside through a wireless transmission unit connected to the determination unit, but is not limited thereto.
  • the third aspect of the present application includes a structure internal monitoring device according to the first aspect; And a user terminal receiving information obtained through the optical sensor unit of the internal structure monitoring device and performing a determination related to a preset material based on the information.
  • the color change for the color change member is induced as it is exposed to a preset material, and light transmitted from the color change member that caused the color change (ie, light emitted laterally from the optical fiber member)
  • the internal state of the structure can be monitored based on the change information of the light measured through the light sensor unit.
  • the porous protective film on the outermost side of the internal monitoring device for the structure, it is possible to protect the internal monitoring device for the structure from external physical and chemical impacts, and selectively passes only a predetermined material from the outside. I can do it.
  • color change which is a change in physical properties, can be represented by substituting a measurable quantitative change.
  • the material may selectively pass through the porous protective film and may be movable in the opposite direction depending on external conditions.
  • the internal monitoring system of the structure can respond to the reversible changes inherent in concrete and can be analyzed more accurately.
  • one or more durability indicators inside the concrete can be measured for each depth.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a monitoring device inside a structure according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 2 is a view showing the reaction characteristics for a predetermined material of the internal structure monitoring device according to an embodiment of the present application.
  • 3A and 3B are diagrams illustrating characteristics of a flexible phototransistor applied to an internal structure monitoring device according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of a structure internal monitoring system according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 5 is a flow chart for explaining a process of internal monitoring of a structure using the internal structure monitoring device according to an embodiment of the present application.
  • FIG. 6 is an operation flowchart for a method for monitoring a structure inside according to an embodiment of the present application.
  • the term “combination of these” included in the expression of the marki form means one or more mixtures or combinations selected from the group consisting of the components described in the expression of the marki form, the component. It means to include one or more selected from the group consisting of.
  • the first aspect of the present application in the device for monitoring the interior of the structure, is disposed inside the structure, the difference between the refractive index of the core (core) and cladding (cladding) of the optical fiber or the initial incident angle of the input light
  • An optical fiber member in which a part is side-emitting A color change member when exposed to a preset material causes a color change, and is arranged as a flexible member so that at least a portion of light emitted from the optical fiber member is absorbed or transmitted;
  • An optical sensor unit that senses information on light transmitted through the color change member from the lateral light-emitting optical fiber member;
  • a porous protective film disposed to surround at least a portion of the outer periphery of the optical sensor unit to protect the color change member.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of the internal structure monitoring device 10 according to an embodiment of the present application.
  • a structure internal monitoring device 10 is a device for monitoring the interior of a structure, an optical fiber member 1, a color changing member 2, an optical sensor unit 3, and It may include a porous protective film (4).
  • the internal structure monitoring device 10 may monitor the durability of the internal structure in a non-destructive manner.
  • the structure internal monitoring device 10 may be disposed inside the structure.
  • the structure may be a structure including a cementitious material.
  • the cementitious material may be a concrete material.
  • the structure may be a concrete structure.
  • the structure may be a reinforced concrete structure.
  • the structure of the present application is not limited thereto, and may mean a structure including various materials.
  • the optical fiber member 1 may be a member in which part of the input light is emitted in the lateral direction, but is not limited thereto. That is, the optical fiber member 1 may be a side-emitting optical fiber.
  • the input light and the output light at the end are almost 1 as total reflection is induced by the difference in refractive index between the core and cladding and the initial angle of incidence: There is a characteristic that is preserved at a ratio of 1.
  • the optical fiber member 1 applied to the internal structure monitoring device 10 is a side-emitting optical that emits a predetermined amount of input light regardless of the incident angle of the input light (side-emitting optical) fiber).
  • the optical fiber member 1 may be a lateral emitting optical fiber that emits a predetermined amount of light irrespective of the difference in the refractive index of the core and the cladding and the initial incident angle.
  • the optical fiber member 1 may be an optical fiber having a structure in which light inputted at one end is output to the other end.
  • the optical fiber member 1 may be an optical fiber having a structure in which light inputted at one end is reflected by a reflector provided at the other end and output to the other end.
  • optical fiber member 1 may be, for example, a cylindrical shape, and is not limited thereto, and may be implemented in various shapes such as a square pillar shape.
  • the color change member 2 may be a member that causes color changing when exposed (or contacted) to a predetermined material, but is not limited thereto.
  • the color change member 2 may be disposed such that at least a portion of light emitted from the optical fiber member 1 is absorbed or transmitted.
  • the color change member 2 may be disposed to surround at least a portion of the outer circumference (outer circumference) of the optical fiber member 1, but is not limited thereto.
  • the color change member 2 may absorb or transmit at least a part of light emitted from the optical fiber member 1 as it surrounds only a part of the outer periphery of the optical fiber member 1.
  • the color change member 2 is capable of absorbing or transmitting at least a portion of light emitted from the optical fiber member 1 as it is disposed to entirely surround the outer periphery of the optical fiber member 1. .
  • the color change member 2 may be a flexible (flexible) member.
  • the color change member 2 is a flexible member, and may include any one of a membrane, a paper, and a gel.
  • the color change member 2 is coated with at least one area of the flexible type member with an indicator (color change causing material corresponding to the preset material) that causes color change when exposed to a preset material (or Coating).
  • the preset material is a material related to a concrete aging factor (in other words, a concrete aging factor). Reacting material), and the aging factor may refer to deterioration factors generated by corrosion or cracks in the concrete.
  • the color change member 2 may be provided to identify at least one of chlorine ion concentration, nitrate ion concentration, acidity (pH), and carbon dioxide concentration through a change in the amount of light transmitted through the color change member 2. Can be.
  • an indicator color change-inducing substance that causes color change when exposed to a preset material is coated on one area of the color change member 2, and one area coated with the indicator is a preset material (eg For example, when exposed to deterioration factor-related substances (such as chlorine ions, nitrate ions, acidity, or nanoparticles), the color of an area coated with an indicator may change.
  • the color change member 2 may absorb or transmit at least a part of light emitted from the optical fiber member 1 in the lateral direction, wherein the color of a region of the color change member 2 coated with an indicator As this change occurs, a difference may occur in the amount of light transmitted from the color change member 2 due to an area where color conversion is performed. For example, the amount of light transmitted from the color conversion member 2 before color conversion is made and the amount of light transmitted from the color conversion member 2 after color conversion is made may be different.
  • FIG. 2 is a view showing the reaction characteristics for a predetermined material of the internal structure monitoring device according to an embodiment of the present application.
  • the structure internal monitoring device 10 is information about the light transmitted from the color conversion member 2 through the optical sensor unit 3 to be described later (for example, the amount of light) Etc.), and changes in information about light transmitted through color conversion of the color conversion member 2 through a determination unit (not shown) to be described later (for example, a change in the amount of light, etc.) By judging, it is possible to diagnose the internal condition of the structure.
  • the detailed description is as follows.
  • the light sensor unit 3 may sense (or measure, sense) information about light transmitted through the color change member 2, but is not limited thereto.
  • the optical sensor unit 3 may detect the amount of light transmitted through the color change member 2 as information about light.
  • information about light may include information about a wavelength and a color of transmitted light.
  • the present invention is not limited thereto, and information on light may include various information capable of determining whether to convert the color of the color conversion member 2 as well as the amount, wavelength, and color of transmitted light.
  • the information about the light may mean the amount of light.
  • the light sensor unit 3 may be arranged to surround at least a portion of the outer periphery of the color change member 2, but is not limited thereto.
  • the optical sensor unit 3 may be a flexible phototransistor, but is not limited thereto.
  • the optical sensor unit 3 is to measure the information (for example, the amount of light, wavelength, color, etc.) of light transmitted from the color change member 2 more accurately and accurately, the color It may be a flexible phototransistor having a degree of flexibility to directly wrap around at least a portion of the outer periphery of the change member 2.
  • the flexible phototransistor, the optical sensor unit 3 is capable of inducing a higher light reactivity because it can be precisely adjusted unlike a conventional photodiode, and is sensitive to less light due to high light reactivity. Can react.
  • the flexible phototransistor as the optical sensor unit 3 can provide a stable output for light of various wavelengths, and enables more accurate measurement of the amount of light transmitted through the color change member 2. .
  • 3A and 3B are diagrams illustrating characteristics of a flexible phototransistor applied to an internal structure monitoring device according to an embodiment of the present application.
  • the wavelength of the light source can be selected according to the band gap of the selected semiconductor material, which includes visible light, IR, and UV.
  • the optical sensor unit 3 since the optical sensor unit 3 is structured on a flexible substrate, it exhibits high flexibility, and the characteristic is confirmed by changing the bending radius (r). As a result, high stability was confirmed. In addition, even in an environment in which strain is continuously applied, the optical sensor unit 3 reacts stably to light.
  • the optical fiber member 1 may be provided to contact each other.
  • the optical fiber member 1, the color change member 2 and the optical sensor unit 3 may be made to have flexibility.
  • the light sensor unit 3 may perform detection of light transmitted through the color change member 2 at a preset period or in real time.
  • the preset period may be set in units of time, day, week, month, etc., but is not limited thereto.
  • the porous protective film 4 is disposed to surround at least a part of the outer periphery of the optical sensor unit 3 member, thereby protecting the color change member, but is not limited thereto.
  • the porous protective layer 4 may be to pass the predetermined material from the outside, but is not limited thereto.
  • the preset material may be the same as the material causing the color change in the color change member 2 described above, but is not limited thereto.
  • the preset material may mean a material related to a concrete aging factor (in other words, a material reacting to a concrete aging factor), and the aging factor is generated by corrosion or cracks in the concrete. It may mean a deterioration factor.
  • the preset material may include one selected from the group consisting of chlorine ion, nitrate ion, acidity, carbon dioxide, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the internal structure monitoring device 10 can be protected from external physical and chemical impacts, and from the outside Only a predetermined material can be selectively passed.
  • the movement direction of the predetermined material may ensure reversibility in both directions.
  • the pore size of the porous protective film 4 may be several nm to several tens of ⁇ m, but is not limited thereto. Accordingly, the porous protective film 4 passes a material selected from the group consisting of chlorine ions, nitrate ions, acidity, carbon dioxide, and combinations thereof, and other materials containing 1, 2 divalent cations and anions pass. You can not.
  • the force causing the material to pass includes the type of functional group and the size of the pores that exist outside the porous protective film 4.
  • the determination unit (not shown) may be disposed on the outer periphery of the porous protective layer 4, but is not limited thereto.
  • the determination unit (not shown) is based on a change in the measured value (sensing value) of the light sensor unit 3 as the color of the color conversion member 2 changes, as a determination related to a preset material Judgment (or identification) of chlorine ion concentration, nitrate ion concentration, carbon dioxide concentration and acidity (pH) can be performed.
  • the amount of light sensed through the optical sensor unit 3 in the first time when the color change of the color change member 2 is not made is a, and the color change member 2 is set in advance. It is assumed that the amount of light sensed through the optical sensor unit 3 in the second time when the color change is made by being exposed to the material is sensed as c greater than b than a.
  • the determination unit for example, through an analysis that performs comparison or matching with data previously stored in the storage unit (not shown), the acidity (pH at the first time point when the amount of light is detected as a) ) Is determined to be pH 13, that is, an alkaline state (or estimated), and the acidity at the second time when the amount of light is sensed as c may be determined to be pH 7, that is, a neutral state.
  • the determination unit sees that the amount of light c detected at the second time point is detected as a larger value than the amount of light a detected at the first time point, through which the acidity is at pH 13 to pH 7 It can be determined that it has changed to, from this it can be determined that corrosion is progressing inside the concrete inside the structure monitoring device 10 of the present application over time.
  • acidity is one of the indicators of durability in concrete.
  • the acidity inside the concrete in the normal state (that is, there is no abnormality such as corrosion or cracking) is a very strong alkaline state with a pH of 13 or higher, and the pH can be an important measure for determining the safety of corrosion inside the concrete.
  • the pH of the concrete may gradually drop and be neutralized.
  • serious corrosion of the concrete occurs, which may cause collapse of buildings, bridges, and dams in which the concrete is used, leading to serious safety problems.
  • the present application proposes an internal monitoring device 10 for a structure that can check and monitor the aging of concrete in advance, such as corrosion or cracking of concrete.
  • the structure internal monitoring device 10 changes the amount of light passing through the color change member 2 according to the color change of the color change member 2 (that is, a change in the sensing value of the light sensor unit) ) To determine the change in acidity (or chlorine ion concentration, nitrate ion concentration, carbon dioxide concentration, etc.) to detect or diagnose aging such as corrosion or cracking of concrete structures.
  • the determination unit (not shown) may be provided in the form of a circuit or a module that stores information obtained through the optical sensor unit 3 and performs analysis and determination based on the stored information. have.
  • the determination unit sets the characteristics representing the durability of the structure (architecture) as a durability index, and sets the optical sensor unit 3 as a criterion for evaluating the durability of the structure as a criterion for evaluating the durability of the structure. Based on the sensed information, the durability diagnosis evaluation of the structure can be performed in real time. In addition, the determination unit (not shown) may generate (or establish) a model for maintenance and management of the structure using information sensed through the optical sensor unit 3. In addition, the determination unit (not shown) may form the determined information (or analyzed information) after performing the determination related to the preset substance. Through this, the present application can provide a more effective and advanced structure for the diagnostic evaluation.
  • the internal structure monitoring device 10 may include a storage unit (not shown).
  • the storage unit (not shown) includes reference data for performing judgment related to a preset material, that is, information about light transmitted from the color change member 2 according to the color change of the color change member 2 (for example, For example, the amount of light, wavelength, color, etc.) may be stored as reference data.
  • the determination related to the preset material may mean a determination as to whether a material generated due to aging such as corrosion or cracks in the concrete occurs in the structure in which the internal monitoring device 10 is disposed.
  • the storage unit (not shown) is the reference data for performing this determination, that is, the amount of light (or wavelength, color, etc.) detected through the optical sensor unit 3 according to the color change of the color change member 2. ) May be stored in advance, such as acidity information, chlorine ion concentration information, nitrate ion concentration information, and carbon dioxide concentration reference information.
  • the determination unit performs a determination related to a preset substance based on information sensed through the optical sensor unit 3, but is not limited thereto.
  • the structure internal monitoring device 10 may transmit information sensed through the optical sensor unit 3 to an external user terminal (not shown) through a wireless transmission unit (not shown) to be described later, In this case, the determination related to the preset material based on the information detected through the optical sensor unit 3 may be performed at the user terminal.
  • a wireless transmission unit (not shown) that is connected to the determination unit (not shown) and transmits data of the determination unit (not shown) to the outside may be further included, but is not limited thereto. It is not.
  • the wireless transmission unit may be connected to the determination unit (not shown) to transmit (or transmit) data from the determination unit (not shown) to the outside through wireless communication.
  • the outside may mean a user terminal that receives data transmitted from a wireless transmission unit (not shown).
  • the user terminal is a PCS (Personal Communication System), GSM (Global System for Mobile communication), PDC (Personal Digital Cellular), PHS (Personal Handyphone System), PDA (Personal Digital Assistant), IMT (International Mobile Telecommunication) -2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(WCode Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) terminal, Smartphone, SmartPad, Tablet PC, Laptop, Wearable device , Desktop PCs, and the like, and may include, but are not limited to.
  • wireless communication may be radio frequency (RF) communication, near field communication (NFC) communication, Bluetooth communication, beacon communication, and the like, but is not limited thereto.
  • RF radio frequency
  • NFC near field communication
  • Bluetooth communication Bluetooth communication
  • beacon communication and the like, but is not limited thereto.
  • the wireless transmission unit (not shown) may be disposed adjacent to the determination unit (not shown).
  • the wireless transmission unit (not shown) may be arranged to neighbor outside the determination unit (not shown).
  • the wireless transmission unit (not shown) may be arranged to neighbor in the longitudinal direction or the circumferential direction of the optical fiber member 1, but is not limited thereto.
  • the internal structure monitoring device 10 may include a power supply (not shown).
  • the internal monitoring device 10 may be operated by power supplied from the power supply (not shown).
  • the power supply unit (not shown) may be, for example, a battery (rechargeable battery, non-rechargeable battery), and the like, but is not limited thereto, and various power supply means may be applied.
  • the power supply unit (not shown) may be wirelessly charged through, for example, a wireless power transmission method.
  • the internal monitoring device 10 may operate by receiving power from the outside through a wired connection.
  • the present application experiences an environment such as long-term aging, earthquake, typhoon, seawater, and water erosion, while the inside of the concrete is corroded or cracked by moisture penetration through the concrete, resulting in durability of the structure. Since there was a problem of deterioration, the concrete aging state (or degree of aging) due to corrosion or cracks in the concrete was diagnosed through analysis of deterioration factors such as chlorine ions based on the change in the amount of light or changes in acidity due to neutralization. And to monitor.
  • the present application is based on the light through the optical fiber member 1 through the change in the amount of light transmitted from the color change member 2 due to the color change of the color change member 2 (ie, the color change) Due to the color change of the member 2, a change occurs in the amount of light passing through the color change member 2, and the amount of changed light is sensed through the light sensor unit 3).
  • Determining factors such as chlorine ions, which are indicators, or changes in acidity due to neutralization, are provided.
  • a structure-internal monitoring device 10 capable of determining and diagnosing (or measuring) the durability of a concrete in a non-destructive manner.
  • the concrete aging index may include not only acidity (pH), but also chlorine ion concentration, nitrate ion concentration, carbon dioxide concentration, and the like.
  • the structure internal monitoring device 10 transmits information about the light inside the structure (especially concrete) detected through the light sensor unit 3 to the external user terminal through wireless communication. , It can provide the user to easily monitor the inside of the structure from the outside, and to provide accurate observation.
  • the internal structure monitoring device 10 according to one embodiment of the present application is provided to enable the diagnosis of the concrete interior from the outside to be stably operated through external transmission of information sensed through the optical sensor unit 3 can do.
  • the internal structure monitoring device 10 according to one embodiment of the present application is placed inside a concrete (or buried, buried), and then enables monitoring from the outside through wireless communication, thereby non-destructive without adopting an artificial destruction method. In an alternative manner, the durability of the concrete can be continuously diagnosed or monitored.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the configuration of the internal structure monitoring system 400 according to an embodiment of the present application.
  • the structure internal monitoring system 400 may include a structure internal monitoring device 100 and a user terminal 200.
  • the internal structure monitoring device 100 may correspond to the internal structure monitoring device 10 described above, and the user terminal 200 may correspond to the user terminal (not shown) described above. Therefore, even if omitted below, the contents previously described with respect to the internal structure monitoring device 10 and the user terminal (not shown) are equally applicable to the internal structure monitoring system 100 and the user terminal 200.
  • the internal structure monitoring device 100 may be disposed inside the structure.
  • the internal structure monitoring device 100 may include an optical fiber member 1, a color changing member 2, an optical sensor unit 3, a porous protective film 4, and a wireless transmission unit (not shown).
  • the optical fiber member 1 may emit part of the input light in the lateral direction.
  • the light sensor unit 3 may sense information regarding light passing through the color change member 2.
  • the wireless transmission unit (not shown) may transmit information acquired (or sensed) through the optical sensor unit 3 to the external user terminal 200 through the wireless communication 300. At this time, since the description of the wireless communication 300 has been described in detail above, it will be omitted below.
  • the user terminal 200 may receive information obtained through the optical sensor unit 3 of the internal monitoring device 100 of the structure through the wireless transmission unit (not shown), based on the received information It is possible to perform judgments related to a predetermined substance.
  • the determination performed in the user terminal 200 may mean the same determination as the determination performed by the determination unit (not shown). That is, the contents described above with respect to the determination unit (not shown) can be applied to the user terminal 200 in the same way, and the overlapping description will be omitted below.
  • the user performs durability diagnosis on the inside of the structure in which the structure internal monitoring device 100 is disposed, based on information received through the structure internal monitoring device 100 from the outside through the user terminal 200. can do.
  • FIG. 5 is a flow chart for explaining a process of internal monitoring of a structure using the internal structure monitoring device according to an embodiment of the present application.
  • the internal structure monitoring process shown in FIG. 5 may be performed by the internal structure monitoring system 400 described above. Therefore, even if omitted, the contents described for the internal structure monitoring system 400 may be applied to the description of the internal structure monitoring process.
  • the structure internal monitoring device 100 may be disposed (or buried, buried) inside the structure to be monitored (S11).
  • the light sensor unit 3 of the internal monitoring device 100 of the structure may sense information regarding light passing through the color change member 2 (S12). That is, in step S12, the optical sensor unit 3 of the internal structure monitoring device 100 passes through the color change member 2 when the internal structure monitoring device 10 is first placed (or installed) inside the structure. The amount of light can be detected as initial signal information.
  • Information sensed through the optical sensor unit 3 ie, initial signal information
  • the user can check the initial signal information about the inside of the structure from the outside (ie, the initial sensing value detected through the optical sensor unit), and the user terminal 200 displays the checked initial signal information. It can be set to the initial value of the optical sensor unit (3).
  • the user terminal 200 may receive a measurement value (that is, a sensing value) sensed in real time or at a preset period through the optical sensor unit 3 through the wireless transmission unit (not shown) ( S13).
  • a measurement value that is, a sensing value
  • the user terminal 200 may monitor a change in the measurement value (or signal value) of the optical sensor unit 3 received through the wireless transmission unit (not shown) (S14). At this time, the user terminal 200 may perform a determination related to a predetermined substance by analyzing a change in the measured value measured through the optical sensor unit 3 and the like. In other words, the user terminal 200 determines whether the color change member 2 has been exposed to a preset material, the degree of aging, such as corrosion or cracks in the structure, based on the analysis of the amount of change in the measured value. I can judge.
  • the user terminal 200 may predict the aging in the concrete in which the structure internal monitoring device 100 is disposed based on the result analyzed in step S14 (S15).
  • the prediction information related to aging may be used to establish (or generate) a maintenance diagnosis plan for the concrete in which the internal monitoring device 100 is disposed.
  • the repair of the concrete in which the internal monitoring device 100 for the structure is disposed may be performed based on the repair diagnosis plan generated based on the information predicted in step S15 (S16 ). Thereafter, for example, when the internal monitoring device 100 of the structure disposed in the repaired concrete is relocated into the concrete in another location, the process of steps S12 to S16 may be repeatedly performed.
  • a method for monitoring a structure inside using a structure monitoring device comprising: emitting a part of input light through an optical fiber member; Absorbing or transmitting at least a portion of light emitted from the optical fiber member through a color changing member; And detecting information on light transmitted through the color change member through an optical sensor unit.
  • the present invention provides a method for monitoring a structure inside using a structure monitoring device according to the first aspect.
  • FIG. 6 is an operation flowchart for a method for monitoring a structure inside according to an embodiment of the present application.
  • the method for monitoring the structure inside the structure illustrated in FIG. 6 may be performed by the structure monitoring device 10 described above. Therefore, even if it is omitted below, the contents described with respect to the structure internal monitoring device 10 can be applied to the description of the structure internal monitoring method.
  • a part of the input light may emit light through the optical fiber member 1 (S21 ).
  • the method for internal monitoring of a structure receives information obtained through the optical sensor unit 3 through a determination unit (not shown), and based on the information in advance.
  • the method may further include performing a judgment related to the set substance.
  • the method for internal monitoring of a structure further includes transmitting data of the determination unit to the outside through a wireless transmission unit (not illustrated) connected to the determination unit (not shown). can do.
  • steps S21 to S23 may be further divided into additional steps or combined into fewer steps, depending on the implementation herein. Also, some steps may be omitted if necessary, and the order between the steps may be changed.
  • the internal structure monitoring method may be implemented in a form of program instructions that can be executed through various computer means and may be recorded in a computer-readable medium.
  • the computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in computer software.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floptical disks. Includes hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • program instructions include high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc., as well as machine language codes produced by a compiler.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention, and vice versa.
  • the above-described internal monitoring method of the structure may also be implemented in the form of a computer program or application executed by a computer stored in a recording medium.
  • the third aspect of the present application includes an internal structure monitoring device 100 according to the first aspect; And a user terminal 200 that receives information obtained through the optical sensor unit 3 of the internal structure monitoring device and performs a determination related to a predetermined substance based on the information. do.

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Abstract

본원은 구조물의 내부를 모니터링하는 장치에 있어서, 상기 구조물의 내부에 배치되고, 광섬유의 코어(core)와 클래딩(cladding)의 굴절률의 차이 또는 초기 입사각도와 무관하게 입력된 빛의 일부가 측방향 발광(side-emitting)되는 광섬유 부재; 미리 설정된 물질에 노출되면 색 변화가 유발되고, 상기 광섬유 부재로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부가 흡수 또는 투과되도록 플렉서블한 형태의 부재로 배치되는 색 변화 부재; 상기 측방향 발광되는 광섬유 부재로부터 상기 색 변화 부재를 투과한 빛에 관한 정보를 감지하는 광 센서부; 및 상기 광 센서부의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되어, 상기 색 변화 부재를 보호하는 다공성 보호막;을 포함하는, 구조물 내부 모니터링 장치에 관한 것이다.

Description

구조물 내부 모니터링 장치 및 방법
본원은 구조물 내부 모니터링 장치 및 방법에 관한 것이다.
콘크리트 및 철근을 사용하는 건물, 교량, 댐 등의 구조물은 장기 노후, 지진, 태풍, 해수 및 물의 침식 등의 환경을 경험하게 되면 콘크리트를 통한 수분 침투에 의하여 철근들이 부식되어 콘크리트 구조물의 안전에 심각한 영향을 받는다.
이러한 관점에서 사용 중인 철근의 부식 정도나 콘크리트 재질의 수분 침투 정도를 진단할 수 있는 기술은 필수적이라 할 수 있다.
콘크리트 구조물의 내구성을 진단하기 위한 종래 기술 중 하나는 한국공개특허공보 제 10-2003-0030326 호에 개시되어 있다. 상기 종래 기술은 구조물의 외벽에 변형률 게이지를 부착하여 구조물에 하중이 인가되어 나타나는 구조물의 변형 정도를 진단한다. 그런데, 이러한 방법은 콘크리트 구조물 내부에 묻혀있는 철근이나 내부 콘크리트 재질의 내구성을 평가하는 데에 한계가 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 콘크리트 구조물 내부를 효과적으로 모니터링할 수 있는 구조물 내부 모니터링 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 콘크리트 구조물 내부의 손상이나 노후 정도를 손쉽게 진단하여, 경제적인 비용으로 건물 교량, 댐 등의 콘크리트 구조물의 붕괴를 사전에 방지하고 대책을 수립할 수 있도록 하는 구조물 내부 모니터링 장치 및 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면은, 구조물의 내부를 모니터링하는 장치에 있어서, 상기 구조물의 내부에 배치되고, 광섬유의 코어(core)와 클래딩(cladding)의 굴절률의 차이 또는 초기 입사각도와 무관하게 입력된 빛의 일부가 측방향 발광(side-emitting)되는 광섬유 부재; 미리 설정된 물질에 노출되면 색 변화가 유발되고, 상기 광섬유 부재로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부가 흡수 또는 투과되도록 플렉서블한 형태의 부재로 배치되는 색 변화 부재; 상기 측방향 발광되는 광섬유 부재로부터 상기 색 변화 부재를 투과한 빛에 관한 정보를 감지하는 광 센서부; 및 상기 광 센서부의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되어, 상기 색 변화 부재를 보호하는 다공성 보호막;을 포함하는, 구조물 내부 모니터링 장치를 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 보호막은 외부로부터 상기 미리 설정된 물질을 통과시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 미리 설정된 물질은 콘크리트 노후화 인자에 관한 물질인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 미리 설정된 물질은 염소이온, 질산이온, 산도, 이산화탄소 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 색 변화 부재는 상기 광섬유 부재의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고, 상기 광 센서부는 상기 색 변화 부재의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고, 상기 다공성 보호막은 상기 광 센서부 부재의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광 센서부는 플렉서블 포토트랜지스터인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광 센서부를 통해 획득된 정보를 전달받아 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 판단부를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 판단부는 상기 다공성 보호막의 외주 상에 배치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 판단부와 연결되어 상기 판단부의 데이터를 외부로 전송하는 무선 전송부를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 구조물은 시멘트질 재료를 포함하는 구조물인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 구조물은 콘크리트 구조물인 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 색 변화 부재는, 상기 색 변화 부재를 투과한 빛의 양의 변화를 통해 염소이온 농도, 질산이온 농도, 산도 및 이산화탄소 농도 중 적어도 하나가 식별되도록 구비되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 색 변화 부재는 막(membrane), 종이(paper) 및 겔(gel) 중 어느 하나의 형태를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 구조물 내부 모니터링 장치를 이용한 구조물 내부 모니터링 방법에 있어서, 입력된 빛의 일부를 광섬유 부재를 통해 발광하는 단계; 상기 광섬유 부재로부터 발광된 빛의 적어도 일부를 색 변화 부재를 통해 흡수 또는 투과시키는 단계; 및 상기 색 변화 부재를 투과한 빛에 관한 정보를 광 센서부를 통해 감지하는 단계;를 포함하는, 제 1 측면에 따른 구조물 내부 모니터링 장치를 이용한 구조물 내부 모니터링 방법을 제공한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광 센서부를 통해 획득된 정보를 전달받아 판단부를 통해 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 판단부와 연결된 무선 전송부를 통해 상기 판단부의 데이터를 외부로 전송하는 단계를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 구조물 내부 모니터링 장치; 및 상기 구조물 내부 모니터링 장치의 광 센서부를 통해 획득된 정보를 전달받아 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 사용자 단말을 포함하는, 구조물 내부 모니터링 시스템을 제공한다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 미리 설정된 물질에 노출됨에 따라 색 변화 부재에 대한 색 변화가 유발되고, 색 변화가 유발된 색 변화 부재로부터 투과된 빛(즉, 광섬유 부재로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부가 색 변화 부재를 투과한 빛)에 관한 정보를 광 센서부를 통해 측정함으로써, 광 센서부를 통해 측정된 빛의 변화 정보에 기반하여 구조물의 내부 상태를 모니터링할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 구조물 내부 모니터링 장치의 가장 바깥쪽에 다공성 보호막을 배치함으로써 외부의 물리적, 화학적 충격에서 상기 구조물 내부 모니터링 장치를 보호할 수 있으며, 외부로부터 미리 설정된 물질만을 선택적으로 통과시킬 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 광 센서부를 통해 획득된 정보 또는 판단부의 데이터를 무선 전송부를 통해 외부의 사용자 단말로 전송함으로써, 콘크리트 구조물 내부의 손상이나 노후 정도를 외부에서 손쉽게 진단 및 모니터링할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 색 변화 부재의 색 변화로 인한 빛의 양의 변화를 이용해 콘크리트 내부의 부식 또는 균열 등의 노후화를 진단 및 모니터링할 수 있으며, 이를 통해 경제적인 비용으로 건물 교량, 댐 등의 콘크리트 구조물의 붕괴를 사전에 방지하고 대책을 수립할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 물성 변화인 색 변화를 계측 가능한 정량 변화로 치환하여 나타낼 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 단순히 색 변화 막을 교환함으로써 1 개 이상의 열화인자를 측정 및 정량 변화할 수 있으며, 이를 통해 다기능 구조물 내부 모니터링 시스템을 구현할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 다공성 보호막을 통해 선택적으로 물질이 통과함과 동시에 외부 조건에 따라 그 반대 방향으로도 이동 가능할 수 있다. 구조물 내부 모니터링 시스템이 콘크리트 고유의 가역적 변화에 대응할 수 있으며 보다 정확하게 분석할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 콘크리트 내부의 1 개 이상의 내구성 지표를 깊이별로 측정할 수 있다.
다만, 본원에서 얻을 수 있는 효과는 상기된 바와 같은 효과들로 한정되지 않으며, 또 다른 효과들이 존재할 수 있다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치의 미리 설정된 물질에 대한 반응 특성을 나타낸 도면이다.
도 3 의 (a) 및 (b)는 본원의 일 실시예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치에 적용되는 플렉서블 포토트랜지스터의 특성을 나타낸 도면이다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치를 이용한 구조물의 내부 모니터링의 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 방법에 대한 동작 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B" 의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B" 를 의미한다.
이하, 본원의 구조물 내부 모니터링 장치 및 방법에 대하여 구현예 및 실시예와 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.
본원의 제 1 측면은, 구조물의 내부를 모니터링하는 장치에 있어서, 상기 구조물의 내부에 배치되고, 광섬유의 코어(core)와 클래딩(cladding)의 굴절률의 차이 또는 초기 입사각도와 무관하게 입력된 빛의 일부가 측방향 발광(side-emitting)되는 광섬유 부재; 미리 설정된 물질에 노출되면 색 변화가 유발되고, 상기 광섬유 부재로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부가 흡수 또는 투과되도록 플렉서블한 형태의 부재로 배치되는 색 변화 부재; 상기 측방향 발광되는 광섬유 부재로부터 상기 색 변화 부재를 투과한 빛에 관한 정보를 감지하는 광 센서부; 및 상기 광 센서부의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되어, 상기 색 변화 부재를 보호하는 다공성 보호막;을 포함하는, 구조물 내부 모니터링 장치를 제공한다.
도 1 은 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1 을 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 구조물의 내부를 모니터링하는 장치로서, 광섬유 부재(1), 색 변화 부재(2), 광 센서부(3) 및 다공성 보호막(4)을 포함할 수 있다.
구조물 내부 모니터링 장치(10)는 비파괴 방식으로 구조물 내부의 내구성을 모니터링할 수 있다. 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 구조물의 내부에 배치될 수 있다. 여기서, 구조물은 시멘트질 재료를 포함하는 구조물일 수 있다. 예시적으로, 시멘트질 재료는 콘크리트 재료일 수 있다. 이러한 경우, 구조물은 콘크리트 구조물일 수 있다. 예를 들면, 구조물은 철근콘크리트 구조물일 수 있다. 다만, 본원의 구조물은 이에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 재료를 포함하는 구조물을 의미할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광섬유 부재(1)는 입력된 빛의 일부가 측방향으로 발광되는 부재일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 광섬유 부재(1)는 측방향 발광(side-emitting) 광섬유일 수 있다.
일반적인 광섬유(optical fiber)는 코어(core)와 클래딩(cladding)의 굴절률의 차이와 초기 입사각도에 의해 전반사가 유발됨에 따라 입력(input)된 빛과 말단의 출력(output)된 빛이 거의 1 : 1 의 비율로 보존되는 특성이 있다.
반면, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)에 적용되는 광섬유 부재(1)는 입력된 빛의 입사각과 무관하게 입력된 빛을 소정량 방출시키는 측방향 발광 광섬유(side-emitting optical fiber)일 수 있다. 달리 말해, 상기 광섬유 부재(1)는 코어와 클래딩의 굴절률의 차이와 초기 입사각도와 무관하게 소정량의 빛을 방출시키는 측방향 발광 광섬유일 수 있다.
또한, 상기 광섬유 부재(1)는 일단으로 입력된 빛이 타단으로 출력되는 구조를 갖는 광섬유일 수 있다. 다른 일예로, 상기 광섬유 부재(1)는 일단으로 입력된 빛이 타단에 구비된 반사경에 의해 반사되어 다시 상기 일단으로 출력되는 구조를 갖는 광섬유일 수 있다.
또한, 상기 광섬유 부재(1)는 예를 들어, 원기둥 형상일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니고 사각 기둥 형상 등 다양한 형상으로 구현될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 색 변화 부재(2)는 미리 설정된 물질에 노출(또는 접촉)되면 색 변화(color changing)가 유발되는 부재일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 색 변화 부재(2)는 상기 광섬유 부재(1)로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부가 흡수 또는 투과되도록 배치될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 색 변화 부재(2)는 광섬유 부재(1)의 외주(외측 둘레) 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적인 일예로, 상기 색 변화 부재(2)는 상기 광섬유 부재(1)의 외주 중 일부만 둘러싸도록 배치됨에 따라 상기 광섬유 부재(1)로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부를 흡수 또는 투과시킬 수 있다. 또 다른 일예로, 상기 색 변화 부재(2)는 상기 광섬유 부재(1)의 외주를 전체적으로 감싸도록 배치됨에 따라 상기 광섬유 부재(1)로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부를 흡수 또는 투과시킬 수 있다.
또한, 상기 색 변화 부재(2)는 플렉서블(flexible)한 형태의 부재일 수 있다. 예를 들어, 상기 색 변화 부재(2)는 플렉서블한 형태의 부재로서 막(membrane, 멤브레인), 종이(paper) 및 겔(gel) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예시적으로 상기 색 변화 부재(2)는 미리 설정된 물질에 노출되었을 때 색 변화가 유발되는 지시약(미리 설정된 물질에 대응하는 색 변화 유발 물질)이 플렉서블한 형태의 부재의 적어도 일 영역에 코팅(또는 도포)되어 있는 형태로 구비될 수 있다.
상기 색 변화 부재(2)는 미리 설정된 물질에 노출(또는 접촉)되면 색 변화(color changing)가 유발될 수 있는데, 여기서, 미리 설정된 물질은 콘크리트 노후화 인자에 관한 물질(달리 말해, 콘크리트 노후화 인자에 반응하는 물질)을 의미할 수 있으며, 노후화 인자는 콘크리트 내부의 부식 또는 균열에 의해 발생되는 열화인자를 의미할 수 있다.
또한, 상기 색 변화 부재(2)는 색 변화 부재(2)를 투과한 빛의 양의 변화를 통해 염소이온 농도, 질산이온 농도, 산도(pH), 및 이산화탄소 농도 중 적어도 하나가 식별되도록 구비될 수 있다.
예를 들어, 미리 설정된 물질에 노출되면 색 변화가 유발되는 지시약(색 변화 유발 물질)이 상기 색 변화 부재(2)의 일 영역에 코팅되어 있고, 지시약으로 코팅된 일 영역이 미리 설정된 물질(예를 들면, 염소이온, 질산이온, 산도, 등의 열화인자 관련 물질들이나 나노입자들)에 노출된 경우, 지시약으로 코팅된 일 영역의 색은 변화될 수 있다. 여기서, 상기 색 변화 부재(2)는 상기 광섬유 부재(1)로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부를 흡수하거나 투과시킬 수 있는데, 이때 지시약으로 코팅된 상기 색 변화 부재(2)의 일 영역의 색이 변화됨에 따라 색 변환이 이루어진 일 영역으로 인해 상기 색 변화 부재(2)로부터 투과된 빛의 양 등에 차이가 발생할 수 있다. 예를 들어, 색 변환이 이루어지기 전에 상기 색 변환 부재(2)로부터 투과된 빛의 양과 색 변환이 이루어진 후에 상기 색 변환 부재(2)로부터 투과된 빛의 양은 다를 수 있다.
도 2 는 본원의 일 실시예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치의 미리 설정된 물질에 대한 반응 특성을 나타낸 도면이다.
도 2 를 참조하면, 산도(pH)에 따라 색 변화가 유발되는 막을 사용하였을 때 외부 환경 중 산도(pH) 변화에 따라 보여지는 광 전류를 나타낸 것이다. 위의 차이를 통해 물성 변화 중 하나인 색 변화를 전기적 시그널로 얻어낼 수 있으며, 더 나아가 정량화 할 수 있다.
이에 따라, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 후술할 광 센서부(3)를 통해 상기 색 변환 부재(2)로부터 투과된 빛에 관한 정보(예를 들어, 빛의 양 등)을 측정할 수 있으며, 후술할 판단부(미도시)를 통해 상기 색 변환 부재(2)의 색 변환으로 인해 투과되는 빛에 관한 정보의 변화(예를 들어, 빛의 양의 변화 등)를 판단함으로써 구조물의 내부 상태를 진단할 수 있다. 구체적인 설명은 다음과 같다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광 센서부(3)는 상기 색 변화 부재(2)를 투과한 빛에 관한 정보를 감지(또는 측정, 센싱)할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 일예로, 상기 광 센서부(3)는 빛에 관한 정보로서 상기 색 변화 부재(2)를 투과한 빛의 양을 감지할 수 있다. 다른 일예로, 빛에 관한 정보에는 투과한 빛의 파장, 색상에 대한 정보가 포함될 수 있다. 다만, 이에만 한정되는 것은 아니고, 빛에 관한 정보에는 투과된 빛의 양, 파장 및 색상뿐만 아니라 상기 색 변환 부재(2)의 색 변환 여부를 판단할 수 있는 다양한 정보가 포함될 수 있다. 바람직하게는, 빛에 관한 정보는 빛의 양을 의미할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광 센서부(3)는 상기 색 변화 부재(2)의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광 센서부(3)는 플렉서블 포토트랜지스터(flexible phototransistor)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
즉, 상기 광 센서부(3)는 상기 색 변화 부재(2)로부터 투과된 빛에 관한 정보(예를 들어, 빛의 양, 파장, 색상 등)를 보다 정확하고 정밀하게 측정하기 위해, 상기 색 변화 부재(2)의 외주 중 적어도 일부를 직접 둘러서 감쌀 수 있는 정도의 유연성을 갖는 플렉서블 포토트랜지스터일 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광 센서부(3)인 플렉서블 포토트랜지스터는 기존의 포토다이오드와 달리 정교한 조절이 가능하여 보다 높은 광 반응성을 유도할 수 있으며, 높은 광 반응성으로 인해 적은 빛에도 민감하게 반응할 수 있다.
또한, 상기 광 센서부(3)인 플렉서블 포토트랜지스터는 다양한 파장대의 빛에 대하여 안정적인 출력을 제공할 수 있으며, 상기 색 변화 부재(2)를 투과한 빛의 양에 대하여 보다 정확한 측정을 가능하게 한다.
도 3 의 (a) 및 (b)는 본원의 일 실시예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치에 적용되는 플렉서블 포토트랜지스터의 특성을 나타낸 도면이다.
도 3 의 (a) 및 (b)를 참조하면, 광 센서부(3)의 405 nm 파장 하의 광반응과 유연성을 확인할 수 있다. 선택한 반도체 물질의 밴드갭에 따라 광원의 파장을 선택할 수 있으며 이는 가시광선과 IR, UV 를 포함한다. 이때 상기 광 센서부(3)가 유연기판 상에 구조화되기 때문에 높은 유연성을 보이는 데 이를 벤딩 레디어스(r)를 바꾸어 가며 특성을 확인하였다. 그 결과 높은 안정성을 확인할 수 있었다. 또한 지속적으로 스트레인이 가해지는 환경에서도 상기 광 센서부(3)는 광에 대해 안정적으로 반응하였다.
본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)에서 상기 광 센서부(3)가 상기 색 변화 부재(2)로부터 투과되는 빛을 보다 확실하고 안정적으로 감지하기 위해, 광섬유 부재(1), 색 변화 부재(2) 및 광 센서부(3) 간에는 서로 접촉되도록 구비될 수 있다. 여기서, 광섬유 부재(1), 색 변화 부재(2) 및 광 센서부(3)는 유연성을 갖도록 이루어질 수 있다.
또한, 상기 광 센서부(3)는 상기 색 변화 부재(2)를 투과한 빛에 대한 감지를 미리 설정된 주기로 수행하거나 실시간으로 수행할 수 있다. 이때, 미리 설정된 주기는 시간, 일, 주, 월 등의 단위로 설정될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 보호막(4)은 상기 광 센서부(3) 부재의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되어, 상기 색 변화 부재를 보호할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 보호막(4)은 외부로부터 상기 미리 설정된 물질을 통과시키는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 미리 설정된 물질은 앞서 설명한 상기 색 변화 부재(2)에서 색 변화를 유발시키는 물질과 동일할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 미리 설정된 물질은 콘크리트 노후화 인자에 관한 물질(달리 말해, 콘크리트 노후화 인자에 반응하는 물질)을 의미할 수 있으며, 노후화 인자는 콘크리트 내부의 부식 또는 균열에 의해 발생되는 열화인자를 의미할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 미리 설정된 물질은 염소이온, 질산이온, 산도, 이산화탄소 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)의 가장 바깥쪽에 상기 다공성 보호막(4)을 배치함으로써 외부의 물리적, 화학적 충격에서 상기 구조물 내부 모니터링 장치(10)를 보호할 수 있으며, 외부로부터 미리 설정된 물질만을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 또한, 상기 구조물 내부 모니터링 장치(10) 외부의 환경에 따라서 상기 미리 설정된 물질의 이동방향은 양방향으로 가역성을 보장할 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 다공성 보호막(4)의 기공 크기는 수 nm 내지 수십 ㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이에 따라, 상기 다공성 보호막(4)은 염소이온, 질산이온, 산도, 이산화탄소 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 물질은 통과시키고, 그 외의 1, 2 가 양이온과 음이온을 포함하는 물질은 통과시키지 않을 수 있다. 물질 통과를 유발하는 힘은 상기 다공성 보호막(4) 외부에 존재하는 작용기의 종류와 기공의 크기를 포함한다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 광 센서부(3)를 통해 획득된 정보를 전달받아 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 판단부(미도시)를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 판단부(미도시)는 상기 다공성 보호막(4)의 외주 상에 배치되는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 판단부(미도시)는 상기 색 변환 부재(2)의 색이 변화함에 따른 상기 광 센서부(3)의 측정값(센싱값) 변화에 기초하여, 미리 설정된 물질과 관련된 판단으로서 염소이온 농도, 질산이온 농도, 이산화탄소 농도 및 산도(pH)등의 판단(또는 식별)을 수행할 수 있다.
예를 들어, 상기 색 변화 부재(2)의 색 변화가 이루어지지 않은 제 1 시간에 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 빛의 양이 a 이고, 상기 색 변화 부재(2)가 미리 설정된 물질에 노출되어 색 변화가 이루어진 제 2 시간에 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 빛의 양이 a 보다 b 만큼 큰 c 로 감지되었다고 가정한다. 이때, 상기 판단부(미도시)는 일예로 저장부(미도시)에 기 저장된 데이터와의 비교 또는 매칭을 수행하는 분석을 통해, 빛의 양이 a 로 감지된 제 1 시점에서의 산도(pH)는 pH 13, 즉 알칼리성 상태인 것으로 판단(또는 추정)하고, 빛의 양이 c 로 감지된 제 2 시간에서의 산도는 pH 7, 즉 중성 상태인 것으로 판단할 수 있다. 또한, 상기 판단부(미도시)는 제 2 시점에서 감지된 빛의 양 c 가 제 1 시점에서 감지된 빛의 양 a 에 비해 큰 값으로 감지된 것으로 보아, 이를 통해 산도가 pH 13 에서 pH 7 로 변했음을 판단할 수 있으며, 이로부터 시간이 흐름에 따라 본원의 구조물 내부 모니터링 장치(10)가 배치된 콘크리트 내부에 부식이 진행되고 있음을 판단할 수 있다.
다시 말해, 산도는 콘크리트 내부의 내구성 지표 중 하나라 할 수 있다. 일반적인 상태(즉, 부식이나 균열 등의 이상이 없는 상태)의 콘크리트 내부의 산도는 pH 13 이상으로 매우 강한 알칼리성 상태이며, pH 는 콘크리트 내부 부식의 안전성을 판단하는데 중요한 척도라 할 수 있다. 이러한 일반적인 콘크리트에 대하여 시간이 흐름에 따라 외부로부터 수분이 침투되고 콘크리트 내에 부식 등이 발생하는 경우, 해당 콘크리트의 pH 는 점차 떨어져 중성화될 수 있다. 이처럼 콘크리트 내부의 산도가 중성화되는 경우에는 콘크리트의 심각한 부식이 발생하게 되어 이는 해당 콘크리트가 이용된 건물이나 교량, 댐 등의 붕괴를 야기하여 심각한 안전 문제로 이어질 수 있다. 이에 따라, 본원은 콘크리트의 부식이나 균열 등과 같은 콘크리트의 노후화를 미리 점검하고 모니터링할 수 있도록 하는 구조물 내부 모니터링 장치(10)를 제안한다. 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 상기 색 변화 부재(2)의 색 변화에 따른 색 변화 부재(2)를 투과하는 빛의 양의 변화(즉, 광 센서부의 센싱값 변화)를 통해 산도(또는 염소이온 농도, 질산이온 농도, 이산화탄소 농도 등)의 변화를 판단함으로써 콘크리트 구조물의 부식, 균열 등과 같은 노후화를 감지 또는 진단할 수 있다.
또한, 판단부(미도시)는 상기 광 센서부(3)를 통해 획득된 정보를 저장하고, 저장된 정보를 기반으로 분석 및 판단을 수행하는 회로(circuit) 또는 모듈(module) 형태로 구비될 수 있다.
상기 판단부(미도시)는 구조물(건축물)의 내구성을 대표하는 특성들을 내구성 지표로 설정하고, 이러한 내구성 지표를 평가하는 기준을 구조물의 내구성 진단 평가의 기준으로 하여 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 정보에 기초하여 구조물의 내구성 진단 평가를 실시간으로 수행할 수 있다. 또한, 상기 판단부(미도시)는 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 정보를 이용하여 구조물의 유지 및 관리를 위한 모델을 생성(또는 정립)할 수 있다. 또한, 상기 판단부(미도시)는 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행한 이후, 판단된 정보(또는 분석된 정보)를 정형화할 수 있다. 이를 통해 본원은 보다 효과적이고 선진적인 구조물의 진단 평가가 이루어지도록 제공할 수 있다.
한편, 상기 판단부(미도시)가 이러한 분석 및 판단을 수행할 수 있도록, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 저장부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 저장부(미도시)에는 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하기 위한 기준 데이터, 즉 상기 색 변화 부재(2)의 색 변화에 따른 색 변화 부재(2)로부터 투과되는 빛에 관한 정보(예를 들어, 빛의 양, 파장, 색상 등)가 기준 데이터로서 저장되어 있을 수 있다.
다시 말해, 미리 설정된 물질과 관련된 판단이라 함은 콘크리트 내부의 부식 또는 균열과 같은 노후화로 인해 발생하는 물질이 상기 구조물 내부 모니터링 장치(10)가 배치된 구조물 내에 발생하는지와 같은 판단을 의미할 수 있다. 상기 저장부(미도시)는 이러한 판단을 수행하기 위한 기준 데이터, 즉 상기 색 변화 부재(2)의 색 변화에 따라 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 빛의 양(또는 파장, 색상 등)이 변화되었을 때의 산도 정보, 염소이온 농도 정보, 질산이온 농도 정보, 이산화탄소 농도 등에 관한 기준 정보가 미리 저장되어 있을 수 있다.
한편, 앞선 설명에서는 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 정보에 기반한 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 상기 판단부(미도시)에서 수행하는 것으로 예시하였으나, 이에만 한정되는 것은 아니다. 다른 일예로, 상기 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 정보를 후술할 무선 전송부(미도시)를 통해 외부의 사용자 단말(미도시)로 전송할 수 있으며, 이러한 경우, 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 정보에 기반한 미리 설정된 물질과 관련된 판단은 사용자 단말에서 수행될 수 있다.
본원의 일 구현예에 따르면, 상기 판단부(미도시)와 연결되어 상기 판단부(미도시)의 데이터를 외부로 전송하는 무선 전송부(미도시)를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 무선 전송부(미도시)는 상기 판단부(미도시)와 연결되어 상기 판단부(미도시)의 데이터를 무선 통신을 통해 외부로 전송(또는 송신)할 수 있다.
여기서, 외부는 무선 전송부(미도시)로부터 전송되는 데이터를 수신하는 사용자 단말을 의미할 수 있다. 예를 들어, 사용자 단말은 PCS(Personal Communication System), GSM(Global System for Mobile communication), PDC(Personal Digital Cellular), PHS(Personal Handyphone System), PDA(Personal Digital Assistant), IMT(International Mobile Telecommunication)-2000, CDMA(Code Division Multiple Access)-2000, W-CDMA(WCode Division Multiple Access), Wibro(Wireless Broadband Internet) 단말, 스마트폰(Smartphone), 스마트패드(SmartPad), 태블릿 PC, 노트북, 웨어러블 디바이스, 데스크탑 PC 등과 같은 모든 종류의 유무선 통신 장치를 포함할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 예를 들어, 무선 통신은 RF(Radio Frequency) 통신, NFC(Near Field Communication) 통신, 블루투스(Bluetooth) 통신, 비콘(Beacon) 통신 등일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 무선 전송부(미도시)는 상기 판단부(미도시)와 이웃하여 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 무선 전송부(미도시)는 상기 판단부(미도시)의 외측으로 이웃하도록 배치될 수 있다. 다른 예로, 상기 무선 전송부(미도시)는 상기 광섬유 부재(1)의 길이 방향 또는 둘레 방향으로 이웃하도록 배치될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 전원 공급부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 상기 전원 공급부(미도시)로부터 공급되는 전원에 의하여 동작이 수행될 수 있다. 상기 전원 공급부(미도시)는 예를 들어, 배터리(재충전이 가능한 배터리, 재충전이 가능하지 않은 배터리) 등일 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니고 다양한 전원 공급 수단이 적용될 수 있다. 상기 전원 공급부(미도시)는 예를 들어, 무선전력전송 방식을 통해 무선 충전될 수 있다. 또한, 상기 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 유선 연결을 통해 외부로부터 전원을 공급받아 동작할 수 있다.
이러한 본원은, 종래에 콘크리트를 사용하는 구조물의 경우 장기 노후, 지진, 태풍, 해수 및 물의 침식 등의 환경을 경험하게 되면서 콘크리트를 통한 수분 침투에 의하여 콘크리트 내부가 부식되거나 균열이 발생하여 구조물의 내구성이 저하되는 문제가 있었기에, 광량의 변화에 기반한 염소이온과 같은 열화인자나 중성화로 인한 산도의 변화 등의 분석을 통해 이러한 콘크리트 내부의 부식이나 균열 등으로 인한 콘크리트 노후화 상태(또는 노후화 정도)를 진단 및 모니터링하고자 한다.
이에 본원은 상기 광섬유 부재(1)를 통한 광을 기반으로 하여 상기 색 변화 부재(2)의 색 변화로 인한 색 변화 부재(2)로부터 투과되는 빛의 양의 변화를 통해(즉, 상기 색 변화 부재(2)의 색 변화로 인해 색 변화 부재(2)를 투과하는 빛의 양에 변화가 발생하게 되고, 이렇게 변화된 빛의 양을 상기 광 센서부(3)를 통해 감지하여), 콘크리트 노후화의 지표인 염소이온과 같은 열화인자나 중성화로 인한 산도 변화 등을 판단, 달리 말해 콘크리트 내부의 내구성을 비파괴 방식으로 판단하고 진단(또는 측정)할 수 있는 구조물 내부 모니터링 장치(10)를 제공한다. 이때, 콘크리트 노후화 지표(달리 말해, 콘크리트 내부의 내구성 지표)로는 산도(pH)뿐만 아니라 염소이온 농도, 질산이온 농도, 이산화탄소 농도 등이 포함될 수 있으며, 이에만 한정되는 것은 아니다.
본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 구조물(특히 콘크리트) 내부에 대한 빛에 관한 정보를 무선 통신을 통해 외부의 사용자 단말로 전송함으로써, 사용자로 하여금 외부에서 구조물 내부를 용이하게 모니터링할 수 있게 제공하고, 정확한 관측이 이루어지도록 제공할 수 있다. 또한, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 정보의 외부 전송을 통해, 외부에서 콘크리트 내부에 대한 진단이 안정적으로 운영될 수 있도록 제공할 수 있다. 또한, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(10)는 콘크리트 내부에 배치(또는 매설, 매장)한 후 무선 통신을 통해 외부에서의 모니터링을 가능하게 함으로써, 인위적인 파괴방식을 채택하지 않고서 비파괴적인 방식으로 콘크리트 내부에 대하여 지속적으로 내구성을 진단 또는 모니터링할 수 있게 제공할 수 있다.
도 4 는 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 시스템(400)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4 를 참조하면, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 시스템(400)은 구조물 내부 모니터링 장치(100) 및 사용자 단말(200)을 포함할 수 있다.
상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)는 앞서 설명한 구조물 내부 모니터링 장치(10)에 대응되고, 상기 사용자 단말(200)은 앞서 설명한 사용자 단말(미도시)에 대응될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 앞서 구조물 내부 모니터링 장치(10) 및 사용자 단말(미도시)에 대하여 설명된 내용은 구조물 내부 모니터링 시스템(100) 및 사용자 단말(200)에 대해서도 동일하게 적용 가능하다.
간단히 살펴보면, 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)는 구조물의 내부에 배치될 수 있다. 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)는 광섬유 부재(1), 색 변화 부재(2), 광 센서부(3), 다공성 보호막(4) 및 무선 전송부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 광섬유 부재(1)는 입력된 빛의 일부를 측방향으로 발광할 수 있다. 상기 색 변화 부재(2)는 미리 설정된 물질에 노출되면 색 변화가 유발되고, 상기 광섬유 부재(1)로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부를 흡수 또는 투과시킬 수 있다. 상기 광 센서부(3)는 상기 색 변화 부재(2)를 투과한 빛에 관한 정보를 감지할 수 있다. 상기 무선 전송부(미도시)는 상기 광 센서부(3)를 통해 획득(또는 감지)된 정보를 무선 통신(300)을 통해 외부의 사용자 단말(200)로 전송할 수 있다. 이때, 상기 무선 통신(300)에 대한 설명은 앞서 자세히 설명했으므로, 이하 생략하기로 한다.
상기 사용자 단말(200)은 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)의 상기 광 센서부(3)를 통해 획득된 정보를 상기 무선 전송부(미도시)를 통해 전달받을 수 있으며, 전달받은 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행할 수 있다. 이때, 상기 사용자 단말(200)에서 수행되는 판단은 앞서 상기 판단부(미도시)에 의하여 수행되는 판단과 동일한 판단을 의미할 수 있다. 즉, 앞서 판단부(미도시)에 대하여 설명된 내용은 사용자 단말(200)에 대하여 동일하게 적용될 수 있는바, 이하 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이를 통해 사용자는 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)를 통해 전달받은 정보에 기초하여 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)가 배치된 구조물의 내부에 대한 내구성 진단을 상기 사용자 단말(200)을 통해 외부에서 수행할 수 있다.
도 5 는 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 장치를 이용한 구조물의 내부 모니터링의 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5 에 도시된 구조물 내부 모니터링 과정은 앞서 설명된 구조물 내부 모니터링 시스템(400)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 구조물 내부 모니터링 시스템(400)에 대하여 설명된 내용은 구조물 내부 모니터링 과정에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5 를 참조하면, 먼저, 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)가 모니터링을 수행할 구조물의 내부에 배치(또는 매설, 매장)될 수 있다 (S11).
이어서, 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)의 상기 광 센서부(3)가 상기 색 변화 부재(2)를 투과하는 빛에 관한 정보를 감지할 수 있다 (S12). 즉, 단계 S12 에서 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)의 광 센서부(3)는 상기 구조물 내부 모니터링 장치(10)가 구조물 내부에 처음 배치(또는 설치)되었을 때 상기 색 변화 부재(2)를 투과한 빛의 양을 초기 시그널 정보로서 감지할 수 있다. 상기 광 센서부(3)를 통해 감지된 정보(즉, 초기 시그널 정보)는 무선 전송부(미도시)를 통해 외부의 사용자 단말(200)로 전송될 수 있다. 상기 사용자 단말(200)을 통해 사용자는 외부에서 구조물 내부에 대한 초기 시그널 정보(즉, 광 센서부를 통해 감지된 초기 센싱값)를 확인할 수 있으며, 상기 사용자 단말(200)에서는 확인된 초기 시그널 정보를 상기 광 센서부(3)의 초기값으로 설정할 수 있다.
다음으로, 상기 사용자 단말(200)이 상기 광 센서부(3)를 통해 실시간 또는 미리 설정된 주기로 감지되는 측정값(즉, 센싱값)을 상기 무선 전송부(미도시)를 통해 수신할 수 있다 (S13).
이어서, 상기 사용자 단말(200)은 상기 무선 전송부(미도시)를 통해 수신되는 상기 광 센서부(3)의 측정값(또는 시그널 값)의 변화를 모니터링할 수 있다 (S14). 이때, 상기 사용자 단말(200)은 상기 광 센서부(3)를 통해 측정된 측정값의 변화량 등을 분석함으로써 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행할 수 있다. 달리 말해, 상기 사용자 단말(200)은 측정값의 변화량 등의 분석에 기반하여 상기 색 변화 부재(2)가 미리 설정된 물질에 노출되었는지 여부, 구조물 내부에 부식이나 균열 등과 같은 노후화의 진행 정도 등을 판단할 수 있다.
이어서, 상기 사용자 단말(200)은 단계 S14 에서 분석된 결과에 기초하여 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)가 배치된 콘크리트 내 노후화를 예측할 수 있다 (S15). 노후화 관련된 예측 정보는 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)가 배치된 콘크리트에 대한 보수 진단 계획을 수립(또는 생성)하는데 이용될 수 있다.
이어서, 단계 S15 에서 예측된 정보에 기반하여 생성된 보수 진단 계획에 기초하여 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)가 배치된 콘크리트에 대한 보수가 수행될 수 있다 (S16). 이후, 예를 들어, 보수가 수행된 콘크리트에 배치된 상기 구조물 내부 모니터링 장치(100)를 다른 위치의 콘크리트 내로 재배치한 경우, 단계 S12 내지 단계 S16 의 과정이 반복적으로 수행될 수 있다.
본원의 제 2 측면은, 제 1 측면에 따른 구조물 내부 모니터링 장치를 이용한 구조물 내부 모니터링 방법에 있어서, 입력된 빛의 일부를 광섬유 부재를 통해 발광하는 단계; 상기 광섬유 부재로부터 발광된 빛의 적어도 일부를 색 변화 부재를 통해 흡수 또는 투과시키는 단계; 및 상기 색 변화 부재를 투과한 빛에 관한 정보를 광 센서부를 통해 감지하는 단계;를 포함하는, 제 1 측면에 따른 구조물 내부 모니터링 장치를 이용한 구조물 내부 모니터링 방법을 제공한다.
이하에서는 상기에 자세히 설명된 내용을 기반으로, 본원의 동작 흐름을 간단히 살펴보기로 한다.
도 6 은 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 방법에 대한 동작 흐름도이다.
도 6 에 도시된 구조물 내부 모니터링 방법은 앞서 설명된 구조물 내부 모니터링 장치(10)에 의하여 수행될 수 있다. 따라서, 이하 생략된 내용이라고 하더라도 상기 구조물 내부 모니터링 장치(10)에 대하여 설명된 내용은 구조물 내부 모니터링 방법에 대한 설명에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 6 을 참조하면, 먼저, 입력된 빛의 일부를 광섬유 부재(1)를 통해 발광할 수 있다 (S21).
이어서, 광섬유 부재(1)로부터 발광된 빛의 적어도 일부를 색 변화 부재(2)를 통해 흡수 또는 투과시킬 수 있다 (S22).
이어서, 색 변화 부재를 투과한 빛에 관한 정보를 광 센서부(3)를 통해 감지할 수 있다 (S23).
또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 방법은 판단부(미도시)를 통해, 광 센서부(3)를 통해 획득된 정보를 전달받아 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지는 않았으나, 본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 방법은 판단부(미도시)와 연결된 무선 전송부(미도시)를 통해 판단부의 데이터를 외부로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 설명에서, 단계 S21 내지 S23 은 본원의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다.
본원의 일 구현예에 따른 구조물 내부 모니터링 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD 와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 전술한 구조물 내부 모니터링 방법은 기록 매체에 저장되는 컴퓨터에 의해 실행되는 컴퓨터 프로그램 또는 애플리케이션의 형태로도 구현될 수 있다.
본원의 제 3 측면은, 제 1 측면에 따른 구조물 내부 모니터링 장치(100); 및 상기 구조물 내부 모니터링 장치의 광 센서부(3)를 통해 획득된 정보를 전달받아 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 사용자 단말(200)을 포함하는, 구조물 내부 모니터링 시스템을 제공한다.
본원의 제 3 측면에 따른 구조물 내부 모니터링 시스템에 대하여, 본원의 제 1 측면에서 도 4 를 참조하여 설명한 구조물 내부 모니터링 시스템(400)과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 본원의 제 1 측면에 기재된 내용은 본원의 제 3 측면에 동일하게 적용될 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 광섬유 부재
2: 색 변화 부재
3: 광 센서부
4: 다공성 보호막
10, 100: 구조물 내부 모니터링 장치
200: 사용자 단말
300: 무선 통신
400: 구조물 내부 모니터링 시스템

Claims (17)

  1. 구조물의 내부를 모니터링하는 장치에 있어서,
    상기 구조물의 내부에 배치되고, 광섬유의 코어(core)와 클래딩(cladding)의 굴절률의 차이 또는 초기 입사각도와 무관하게 입력된 빛의 일부가 측방향 발광(side-emitting)되는 광섬유 부재;
    미리 설정된 물질에 노출되면 색 변화가 유발되고, 상기 광섬유 부재로부터 측방향 발광된 빛의 적어도 일부가 흡수 또는 투과되도록 플렉서블한 형태의 부재로 배치되는 색 변화 부재;
    상기 측방향 발광되는 광섬유 부재로부터 상기 색 변화 부재를 투과한 빛에 관한 정보를 감지하는 광 센서부; 및
    상기 광 센서부의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되어, 상기 색 변화 부재를 보호하는 다공성 보호막;
    을 포함하는, 구조물 내부 모니터링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 보호막은 외부로부터 상기 미리 설정된 물질을 통과시키는 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 물질은 콘크리트 노후화 인자에 관한 물질인 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 물질은 염소이온, 질산이온, 산도, 이산화탄소 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것을 포함하는, 구조물 내부 모니터링 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 색 변화 부재는 상기 광섬유 부재의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고,
    상기 광 센서부는 상기 색 변화 부재의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고,
    상기 다공성 보호막은 상기 광 센서부 부재의 외주 중 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되는 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 센서부는 플렉서블 포토트랜지스터인 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 센서부를 통해 획득된 정보를 전달받아 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 판단부를 추가 포함하는, 구조물 내부 모니터링 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 판단부는 상기 다공성 보호막의 외주 상에 배치되는 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 판단부와 연결되어 상기 판단부의 데이터를 외부로 전송하는 무선 전송부를 추가 포함하는, 구조물 내부 모니터링 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조물은 시멘트질 재료를 포함하는 구조물인 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 구조물은 콘크리트 구조물인 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 색 변화 부재는, 상기 색 변화 부재를 투과한 빛의 양의 변화를 통해 염소이온 농도, 질산이온 농도, 산도 및 이산화탄소 농도 중 적어도 하나가 식별되도록 구비되는 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 색 변화 부재는 막(membrane), 종이(paper) 및 겔(gel) 중 어느 하나의 형태를 가지는 것인, 구조물 내부 모니터링 장치.
  14. 제 1 항에 따른 구조물 내부 모니터링 장치를 이용한 구조물 내부 모니터링 방법에 있어서,
    입력된 빛의 일부를 광섬유 부재를 통해 발광하는 단계;
    상기 광섬유 부재로부터 발광된 빛의 적어도 일부를 색 변화 부재를 통해 흡수 또는 투과시키는 단계; 및
    상기 색 변화 부재를 투과한 빛에 관한 정보를 광 센서부를 통해 감지하는 단계;
    를 포함하는, 제 1 항에 따른 구조물 내부 모니터링 장치를 이용한 구조물 내부 모니터링 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 광 센서부를 통해 획득된 정보를 전달받아 판단부를 통해 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 단계를 추가 포함하는, 구조물 내부 모니터링 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 판단부와 연결된 무선 전송부를 통해 상기 판단부의 데이터를 외부로 전송하는 단계를 추가 포함하는, 구조물 내부 모니터링 방법.
  17. 제 1 항에 따른 구조물 내부 모니터링 장치; 및
    상기 구조물 내부 모니터링 장치의 광 센서부를 통해 획득된 정보를 전달받아 상기 정보를 기반으로 미리 설정된 물질과 관련된 판단을 수행하는 사용자 단말을 포함하는, 구조물 내부 모니터링 시스템.
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