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배관 변형 및 처짐 감시를 위한 광섬유 센서의 활용
Application of Fiber Optic Sensors for Monitoring Deflection and Deformation of a Pipeline 원문보기

비파괴검사학회지 = Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, v.36 no.6, 2016년, pp.460 - 465  

이진혁 (한국전력공사 전력연구원) ,  김대현 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

초록
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배관 구조물은 긴 길이를 가지며, 일정한 거리에 위치한 고정부에 설치되거나, 지중에 매설된다. 따라서 자중 또는 지반의 움직임으로 변형과 처짐이 발생하기 쉽다. 이러한 배관의 건전성 평가에는 형상 감시 기법이 매우 유용할 수 있다. 광섬유 브래그 격자 센서 (fiber Bragg grating, FBG)는 다중화의 장점이 있어 배관과 같이 긴 길이를 가지는 구조물의 여러 지점에서 변형률 측정에 매우 유용하다. 본 연구에서는 배관의 건전성 평가를 위하여 변형률 기반의 형상추정기법을 제안하였다. 제안된 기법의 유용성을 확인하기 위하여 실험을 통한 검증을 수행하였다. 실험 결과 제안된 FBG를 이용한 형상추정기법이 시험편의 변형에 따라 유사한 형상을 표현할 수 있음을 확인하였다. 또한, 형상추정기법을 통해 도출된 처짐량이 실제 배관에 가해진 처짐과 동일하게 계산됨을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Long pipe structures are usually installed in fixtures located with regular intervals or laid underground. Therefore, deflection and deformation could easily occur due to their weight or ground activity. A shape monitoring technique can be used effectively to evaluate the integrity of the pipe struc...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 배관 형상 감시를 위한 광섬유 센서의 적용과 변형률 기반 형상 추정 알고리즘 적용을 제안하였다. FBG 센서를 이용한 배관 형상 감시가 가능함을 확인하였으며 세부적으로 도출된 결과는 다음과 같다.
  • 본 연구에서는 지반 활동 또는 설치 환경으로 변형이 발생하기 쉬운 배관의 상태 감시를 위하여 광섬유 센서를 이용한 변형 및 처짐 측정을 수행하였다. 배관의 다지점에서 변형률을 효과적으로 측정할 수 있도록 FBG 센서를 적용하였고, 기하학적 관계를 이용한 변형률 기반의 형상 감시 알고리즘을 도출하고 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
광섬유 센서의 장점은? 광섬유 센서는 매우 작은 단면적으로 배관에 접합하여 보호재와 사이 층 또는 지중에도 설치가 가능하고 배관에 하중 등 영향을 주지 않아 매우 유용한 센서로 사용될 수 있다. 특히 광섬유 브래그 격자 (fiber Bragg grating, FBG) 센서는 온도, 변형률의 측정이 가능하고 하나의 광섬유 라인에 다수의 센서를 구성할 수 있어 긴 길이를 가지는 배관의 감시에 매우 적합하다[7,8].
브래그 격자 센서의 특징은? 광섬유 센서는 매우 작은 단면적으로 배관에 접합하여 보호재와 사이 층 또는 지중에도 설치가 가능하고 배관에 하중 등 영향을 주지 않아 매우 유용한 센서로 사용될 수 있다. 특히 광섬유 브래그 격자 (fiber Bragg grating, FBG) 센서는 온도, 변형률의 측정이 가능하고 하나의 광섬유 라인에 다수의 센서를 구성할 수 있어 긴 길이를 가지는 배관의 감시에 매우 적합하다[7,8]. 최근에는 FBG 센서를 이용하여 다지점 변형률 측정을 통한 구조물 형상 추정을 위한 연구가 내시경 분야[9]와 복합재료 분야[10]에서 활발히 진행되고 있다.
FBG 센서의 한계는? 최근에는 FBG 센서를 이용하여 다지점 변형률 측정을 통한 구조물 형상 추정을 위한 연구가 내시경 분야[9]와 복합재료 분야[10]에서 활발히 진행되고 있다. 선행연구에서 형상의 추정과 변형에 따른 형상 감시가 일정 부분 가능하나 정확한 처짐 등의 변형량 측정에 한계를 보인다. 또한 특정 구조물의 물성을 이용한 변형률-처짐 방정식을 기본으로 형상 감시 알고리즘을 도출하여 다양한 재료에 적용하는데 한계를 가지고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. H. A. Kishawy and H. A. Gabbar, "Review of pipeline integrity management practices," International Journal of Pressure Vessel and Piping, Vol. 87, No. 7 pp. 373-380 (2010) 

  2. R. Ahmad and T. Kundu, "Structural health monitoring of steel pipes under different boundary conditions and choice of signal processing techniques," Advances in Civil Engineering, Vol. 2012, ID 813281 (2012) 

  3. Z. Liu, and Y. Kleiner, "State-of-the art review of technologies for pipe structural health monitoring," IEEE Sensors Journal, Vol. 12, No. 6, pp. 1987-1992 (2012) 

  4. Y. W. Ma, J. Y. Kim, K B. Yoon and Y. D. Jo, "A study on accidents of buried pipeline crossing river," Journal of Korean Institute of GAS, Vol. 14, No. 6, pp. 51-56 (2010) 

  5. A. K. Panda, P. K. Sharan, R. K. Roy, G. V. S. Murthy and A. Mitra, "Generation and detection of guided waves in a defective pipe using rapidly quenched magnetostrictive ribbons," Smart Materials and Structures, Vol. 21, ID 045015 (2012) 

  6. S. Chen, Y. Sun, L. Wang, P. Chen, and D. Tan, "Development on dynamic pressure monitoring method and sensor for long pipeline leak detection," In 2008 7th International Pipeline Conference, pp. 457-459 (2008) 

  7. M. Majumder, T. K. Gangopadhyay, A. K. Chakraborty, K. Dasgupta, and D. K. Bhattacharya, "Fibre Bragg gratings in structural health monitoring - Present status and applications," Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 147, No 1, pp. 150-164. (2008) 

  8. H. Y. Kim, D. Kang, and D. H. Kim, "Reliability evaluation of fiber optic sensors exposed to cyclic thermal load," Journal of Korean Society for Nondestructive Testing, vol. 36, No. 3 pp. 225-230 (2016) 

  9. M. Abayazid, M. Kemp and S. Misra, "3D flexible needle steering in soft-tissue phantoms using fiber Bragg grating sensors," IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 5843-5849 (2013) 

  10. H. I. Kim, L. H. Kang and J. H. Han, "Shape estimation with distributed fiber Bragg grating sensors for rotating structures," Smart Materials and Structures, Vol. 20, No. 3, pp. 035011-035022 (2011) 

  11. J. H. Lee and D. H. Kim. "Cure monitoring of epoxy resin by using fiber Bragg grating sensor," Journal of Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 36, No. 3, pp. 211-216 (2016) 

  12. J. H. Lee, H. Y. Kim and D. H. Kim. "Three-dimensional shape estimation of beam structure using fiber Bragg grating sensors." Transactions of the KSME A, Vol. 39, No. 3, pp. 241-247 (2015) 

  13. B. A. Childers, D. K. Gifford, R. G. Duncan, M. T. Raum, M. E. Vercellino and M. E. Froggatt, "Fiber optic position and shape sensing device and method relating thereto," U.S. Patent, No. 7, 781,724 (2010) 

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