[논문]광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 텐서그리티 구조물의 변형 계측

이승재

광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 텐서그리티 구조물의 변형 계측
Deformation Measuring of Tensegrity Structure by Optical Fiber Bragg Grating Sensor 원문보기

본 연구는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 텐서그리티 구조물의 실시간 모니터링 결과를 보고한다. 기존의 간접적인 계측방식에서 탈피하여 케이블에 직접적으로 센서를 부착하여 케이블의 변형율을 측정하였다. 우선, 텐서그리티 구조모형을 시험체를 제작하고, 시험체에 광섬유 브래그 격자 센서를 부착하여 외력을 가하였다. 그 결과 하중의 증가에 따라 광섬유 브래그 격자센서는 케이블의 변형을 정밀히 측정할 수 있었으며, 계측의 안정성 측면에서 탁월함을 알 수 있었다. 또한 텐서그리티 구조물과 같이 케이블로 구성된 구조물의 변형측정 및 상시모니터링에는 광섬유 브래그 격자 센서가 유용함을 확인하였다.

The object of this paper is to verify possible to monitor the deformation of cable in the tensegrity structure. Also, always monitoring system of tensegrity structure using Fiber Bragg Grating Sensor is described. We carry out experiments with measuring deformation of cable in the tensegrity structure based on loading conditions. In the result of experiment, the Fiber Bragg Grating Sensors shows accurate response to the loading conditions. Therefore, we can make sure the possibility of Fiber Bragg Grating Sensor in health monitoring of the cable structure like tensegrity structure.

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문제 정의

본 연구에서는 FBG센서를 이용한 케이블 구조물의 상시계측이 가능한지를 입증하기 위한 연구로서 변형을 연구대상으로 한다. 케이블에 하중이 작용하는 경우, 그 발생장력은 케이블의 변형율을 이용하여 초보적인 탄성이론에 의하여 쉽게 구할 수 있다.
본 연구에서는 대표적인 연성형 대공간구조물의 일종인 텐스그리티 구조물의 케이블을 대상으로, 광파이버 브래그 격자센서를 사용한 구조물 상시모니터링 방법을 제안한다.

제안 방법

온도에 민감한 FBG센서의 특징을 고려하여 온도센서를 장착하였다. FBG센서는 고유의 파장값을 가지는데 정확한 시험결과 도출, 파장 값의 침범 위험성을 고려하여 세 채널의 광원을 이용하였다. 각 채널당 센서를 나누어 연결하여 시험 데이터를 수집하였다.
FBG센서의 고정지점은와 같이 센서의 길이를 3cm로 규격화하여 고정하였고, FBG센서의 양 끝점을 에폭시수지로 고정 마감하여 부착 시공하였다.
가력 계획은와 같이 케이블 시험체의 중심점에 가력을 위하여 무게추 거치대를 설치하여가력을 하였다.
FBG센서는 고유의 파장값을 가지는데 정확한 시험결과 도출, 파장 값의 침범 위험성을 고려하여 세 채널의 광원을 이용하였다. 각 채널당 센서를 나누어 연결하여 시험 데이터를 수집하였다.
5cm 떨어진 지점에 9개 케이블에 부착하였고, 내원 부재에 6개의 센서를 부착하였다. 내원과 외원 사이의 삼각 케이블에 6개의 센서를 부착하여 총 22개의 변형률 계측을 위한FBG 센서를 부착하였다. 온도에 민감한 FBG센서의 특징을 고려하여 온도센서를 장착하였다.
S는 온도 센서이고 온도 센서의 결과로 온도의 영향을 거의 받지 않았음을 알 수 있다. 본 시험은 텐스그리티형 연성구조물을 대상으로 하고 이와 같은 구조물은 일반 구조물과 달리 케이블의 장력만으로 평형을 유지하는 구조시스템이다. 하지만, 내원에 부착된 FBG센서가 압축을 받는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 연성형 대공간구조물의 일종인 텐 서 그리 티 구조물 모형 시험체를 제작하여, 케이블에 I理G센서를 부착하여 하중재하 시험을 수행하였다. 시험을 수행한 결과 케이블의 외력에 대한 연속적이고 민감하며 정확한 계측이 가능했다.
내원과 외원 사이의 삼각 케이블에 6개의 센서를 부착하여 총 22개의 변형률 계측을 위한FBG 센서를 부착하였다. 온도에 민감한 FBG센서의 특징을 고려하여 온도센서를 장착하였다. FBG센서는 고유의 파장값을 가지는데 정확한 시험결과 도출, 파장 값의 침범 위험성을 고려하여 세 채널의 광원을 이용하였다.
케이블 부재와의 면밀한 부착을 위하여 내구성과 접착성이 뛰어난 에폭시 수지를 사용하였다. FBG센서의 고정지점은<그림 3>와 같이 센서의 길이를 3cm로 규격화하여 고정하였고, FBG센서의 양 끝점을 에폭시수지로 고정 마감하여 부착 시공하였다.
하였다. 하중재하방법은 IN, 2N, 3N, 4N, 5N, 9N, ION, 15N, 20N, 25N, 30N, 35N, 40N, 44N, 49N, 54N, 59N의 하중을 순차적으로 주어 실험 결과를 도출하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 케이블 돔 구조와 같은 텐 서 그리 티형 연성구조물을 대상으로 한다. 이와 같은 구조물은 일반 구조물과 달리 케이블의 장력만으로 평형을 유지하는 구조시스템이다.

성능/효과

수행하였다. 시험을 수행한 결과 케이블의 외력에 대한 연속적이고 민감하며 정확한 계측이 가능했다. 그러므로텐서그리티 구조물에 계측용 센서로 사용할 경우, 실시간의 장기적이고 안정적인 계측이 가능하다.

후속연구

각 FBG센서는 각자의 고유의 위치를 지닌다. 그러므로 각 센서로부터 취득된 브래그 파장의 변화 및 신호의 세기, 신호 검출 시간 등을 통해 대략적인 위험 위치와 장력을 판단 가능할 것이다 또한 케이블에 어떤 외력 작용 시에 그 외력에 대한 브래그 파장을 수신하여 장력을 계측할 수 있는 시스템이 형성 가능할 것이다.

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