대형사고 예측가능한 '영리한 센서' 개발
대형사고 예측가능한 '영리한 센서' 개발
  • 강지희
  • 승인 2019.11.15 18:10
  • 조회수 2210
  • 댓글 0
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스마트 광섬유 BOCDA 센서 시스템. 출처: KRISS

한국표준과학연구원(KRISS)의 연구진이 구조물의 안전성을 정확하고 간편하게 측정해 대형 사고를 방지하는 센서 기술을 개발했습니다. KRISS 안전측정센터 권일범 책임연구원팀은 구조물에서 변형이 집중되는 위치를 찾아 측정하는 '스마트 광섬유 센서'를 개발했습니다. 사고 위험에 노출돼 있는 불안정한 구조물을 지속적으로 점검‧관리할 수 있는 안전체계가 갖춰질 것으로 전망됩니다. 해당 연구 논문은 <Laser Physics>와 <Applied Science>에 게재됐습니다. 또한 국내·외 특허출원을 마쳤다고 합니다.

 

구조물의 안전성 측정 왜 어려울까?

이런 비극은 이제 그만. 출처: pixabay
이런 비극은 이제 그만. 출처: pixabay

구조물로는 고층 빌딩, 교량과 같은 기반시설부터 산업현장에 설치하는 중대형 설비까지 다양하게 존재합니다. 모든 구조물은 노후되면서 균열과 파손이 발생하고 안전성이 떨어집니다. 이러한 문제를 초기에 감지하지 못하고 방치할 경우 대형 안전사고로 이어질 가성이 높습니다.

 

특히 구조물에 과다하게 가해지는 하중은 안전성 저하의 주범으로 손꼽힙니다. 게다가 하중이 특정 지점으로 몰리면 구조 내부에서 하중에 대항해 생기는 응력과 변형이 커집니다. 이는 결국 구조물에 계속 무리를 줘 노후화를 가속시키죠. 과적 화물차의 통행량이 많은 교량에서 흔히 볼 수 있는 현상입니다. 

 

하지만 기존 방식인 분포형 광섬유 센서로는 정확한 변형 발생 지점을 찾는 것이 매우 어려웠습니다. 기존의 광섬유 센서는 복잡한 주파수 제어가 필수적이었습니다. 뿐만 아니라 많게는 수십 km의 광섬유를 부가적으로 사용하다보니 부피가 커지고 온도와 같은 외부 영향에 취약했죠. 광섬유는 온도가 변하면 굴절률에 영향을 줘 전혀 다른 곳을 변형 지점으로 측정할 수 있기 때문입니다.

 

주파수 조작 X, 위상변조 시간차 선택방식 도입

그라운드 앵커 시스템 및 베어링 플레이트의 광섬유 부착 위치. 출처: KRISS

KRISS 권일범 책임연구원팀은 부가적인 광섬유 없이 안정성을 확보한 스마트 광섬유 BOCDA 센서를 개발했습니다. BOCDA(브릴루앙 광학 상관 영역 해석, Brillouin Optical Corelation Domain Analysis)란 광섬유의 고유한 주파수를 임의의 지점에서 찾아내는 센서 작동법을 말합니다. BOCDA는 광섬유 양 끝단에서 펌핑광과 탐촉광을 입사시키고 두 빛의 위상이 일치하는 지점을 측정합니다.

 

연구팀의 센서는 불안요소를 근본적으로 제거하는 데 성공했습니다. 연구팀의 센서는 주파수 조작이 아닌 위상변조 시간차 선택방식을 도입했는데요. 최소한의 감지 광섬유만으로도 1km까지 정확한 하중 지점을 찾았습니다.

 

스마트 광섬유 센서는 랜덤 코드의 위상을 변조하고 두 코드 간 시간차를 제어했습니다. 이에 따라 5cm마다 각기 다른 디지털 번호를 부여하죠. 센서가 알려주는 번호만으로 정확한 위치 파악이 가능진 겁니다.

KRISS 안전측정센터 권일범 책임연구원팀이 그라운드 앵커 하중 측정실험을 수행하고 있다. 출처: KRISS

특정 지점만 골라서도 측정 가능

 

연구팀은 이번 기술을 교량 모형의 강철 구조물과 그라운드 앵커(ground anchor)에 적용해 테스트를 완료했습니다. 센서를 교량에 설치하면 지속적으로 변형이 증가하는 지점을 발견해 결함 발생 전에 조치를 취할 수 있습니다. 참로 그라운드 앵커는 지반 강화 구조물의 일종입니다. 지반에 마치 못을 박듯 설치해 언덕 등에서 지반이 붕괴함을 방지할 수 있죠. 그라운드 앵커의 경우 구조물 해체 없이 단순 센서 설치만으로 점검이 가능합니다. 덕분에 앵커 파손으로 도로 옆 비탈면에서 산사태가 발생하는 것을 예방할 수 있습니다.

 

이번 기술은 구조물의 전체적인 스캔은 물론, 원하는 특정 지점만을 선택해 측정할 수 있어 보다 체계적인 모니터링이 가능합니다. 스마트 광섬유 센서는 교량, 댐, 터널, 전기 및 가스 등의 사회 인프라부터 화학 및 원자력 플랜트, 철도, 항공기, 우주 발사체까지 다양한 구조물의 안전성 모니터링을 위한 측정기술로 폭넓게 활용될 것으로 기대됩니다. 

KRISS 안전측정센터 권일범 책임연구원. 출처: KRISS

권일범 책임연구원은 "한국건설기술연구원(KICT) 콘크리트 신경망센서 연구팀과의 협력으로 개발된 이번 기술은 인프라 시설물의 모니터링에 활용될 것"이라며 "사람이 통증 부위를 스스로 감지하여 느끼는 것처럼 구조물도 이번 기술을 적용하면 하중 지점을 자동으로 탐지하는 '스마트 구조물'이 될 수 있다"고 말했습니다.

 

##참고자료##

 


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