In recent years, the composite pressure vessels made by filament winding are rapidly expanding in their range of applications. With their high specific stiffness and strength, composite pressure vessels are substituting previous metallic vessels in most of industrial fields. In this study, in order to develop the structural health monitoring system for composite pressure vessels, the fiber Bragg grating (FBG) sensor was chosen to measure internal and external strains in real-time. Throughout the fabrications and the experiments of composite pressure vessels, the requirements of the FBG sensors and the sensor systems for the structural health monitoring of composite pressure vessels were investigated. As a result, it could be explained that there were two main obstacles in the application of FBG sensors to the composite pressure vessels, the mechanical failure of FBG sensors or optical fiber and the spectral distortion in reflected signals. To overcome these problems, the necessity of improvement in three aspects was pointed out, better sensors, better setups, and better systems. For the better sensors, the mechanical strength of an FBG sensor, the coating material and thickness, and the diameter of an FBG sensor were the main factors. For the better setups, the protection of ingress/egress sections, the proper moldings and jigs for the installation, the exact alignment of the sensors, and the experienced operator in optical fiber handling were essential. Lastly, the better system which can measure the strains regardless of the signal distortion problem was demanded. For the structural health monitoring of composite pressure vessels in cryogenic environments, the composite/aluminum ring specimen and the Type Ⅲ cryogenic propellant tank were fabricated with embedded FBG sensors and tested at cryogenic temperatures. In both cases, the sensor signals were severely distorted at cryogenic temperatures. Though the embedded FBG sensors still could measure the strain changes during refrigeration and pressurization, the commercial interrogation left large amount of measurement error due to the signal distortion. Thus a novel algorithm for the approximation of the mean strain was introduced for the stable real-time strain measurement from distorted signals. Finally, the newly developed small-diameter FBG sensor was tested under a nonuniform stress condition by a quasi-static indentation test. The spectral responses of normal and small diameter FBG sensors were analyzed, and the small-diameter FBG sensor showed less-distorted signal in consideration of signal processing. The reason of less distorted signal was explained using the finite element method simulating the indentation tests. Then the small-diameter FBG sensors were embedded with coated and uncoated normal-diameter FBG sensors to monitor the strains of a composite pressure vessel during refrigeration in a thermal chamber. The small-diameter FBG sensors and the acrylate coated normal-diameter FBG sensors embedded during filament winding process could measure strains in real time without spectral distortion. In this thesis, the structural health monitoring system using embedded FBG sensors was investigated in order to enable engineers to adopt the most adequate type of FBG sensors and monitoring techniques for the composite pressure vessels. The achieved results can also contribute to establish the better structural health monitoring system for the composite structures in harsh environments.
필라멘트 와인딩(filament winding) 공법으로 제작되는 복합재료 압력용기(composite pressure vessel)는 최근 들어 빠른 속도로 그 응용 분야를 넓혀가고 있다. 복합재료 압력용기의 높은 비강성, 비강도로 인해 대부분의 산업 분야에서 기존의 금속 용기를 대체하고 있는 추세이다. 본 연구에서는, 압력용기의 내, 외부 변형률을 실시간으로 측정할 수 있는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating, FBG) 센서를 채택하여 복합재료 압력용기의 구조 건전성 모니터링 시스템을 구축하고자 한다. 이를 위해 소방관용 공기 호흡기, 연료전지 자동차용 수소 저장 고압 용기 등 여러 가지 서로 다른 복합재료 압력용기에 FBG 센서를 삽입 적용하고, 이들의 구조 건전성을 실시간으로 모니터링하는 시스템을 구축였으며 삽입 적용된 센서의 기계적 파손과 신호의 왜곡을 가장 큰 문제점으로 지적하였다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 세 가지 개선 과제를 제시하였다. 첫째는 더 나은 센서로서, FBG 센서 자체의 강도 향상, 코팅 재료 및 두께의 조절, 직경이 가는 FBG 센서의 사용 등을 들었다. 둘째는 더 나은 셋업으로, 광섬유 출입점(ingress/egress)의 보강, FBG 장착에 적합한 몰드 및 지그의 설계, 센서의 정확한 정렬(alignment), 광섬유 핸들링에 경험을 가진 작업자 등을 예로 들었다. 셋째는 더 나은 시스템으로, FBG 센서 신호가 왜곡된 상황에서도 변형률의 측정이 가능케 하는 FBG 센서 시스템의 개선을 요구하였다. 복합재 압력용기의 극저온 하에서의 구조 건전성 모니터링을 위해 복합재료/알루미늄 링 시편 및 극저온 추진제 용기에 FBG 센서를 삽입 적용하고 열 변형률 및 극저온 가압시의 변형률을 측정하였다. 측정된 변형률 추이를 이용하여 복합재 층에서 일어난 층간분리 현상을 검출할 수 있었지만, 상온에서와는 달리 정상적인 변형률의 측정이 거의 불가능할 정도로 매우 심한 신호 왜곡 현상이 관찰되었다. 이러한 신호 왜곡 현상을 개선하기 위한 방안으로 왜곡 신호를 사용하여 변형률을 추정하기 위한 새로운 신호처리 알고리즘 및 직경이 가는 FBG 센서의 적용을 제안하였다. 신호왜곡을 고려한 변형률 측정 알고리즘을 위해 무게중심의 계산에서 착안한 '무게중심 알고리즘'을 사용하여 왜곡 신호의 적절한 중심 파장을 추정하였으며 이를 이론식의 계산 결과와 비교하였다. 개발된 알고리즘은 불균일한 변형률 구배가 주어지는 환경에서 기존의 변형률 계산식으로는 불가능한 평균 변형률의 측정을 가능케 하였다. 광섬유의 직경이 일반적인 광섬유에 비해 1/3 정도로 가는 FBG 센서를 사용하여 불균일한 응력 상태에서의 신호 응답 특성을 관찰하였다. 준정적 압입 시험을 통해 모사된 불균일한 응력 상태에서 가는 FBG 센서는 일반 FBG 센서에 비해 신호처리시 더 적은 오차를 만드는 보다 바람직한 형태의 신호 왜곡 특성을 보였다. 이러한 직경이 가는 FBG 센서의 실제 복합재료 압력용기의 적용 가능성을 시험하기 위해 복합재료 압력용기에 직경이 가는 FBG 센서를 일반 FBG 센서와 함께 삽입 적용하여 극저온 하에서의 열 변형률을 측정하였다. 폴리이미드로 코팅된 직경이 가는 FBG 센서와 함께 삽입된 아크릴레이트로 코팅된 일반 FBG 센서는 삽입 적용 후 -150℃까지 냉각하는 과정에서 신호의 왜곡 없이 내부 변형률의 안정적인 측정이 가능하였다. 본 연구는 FBG 센서를 사용한 복합재료 압력용기의 구조 건전성 모니터링에 대하여 다각도로 접근하였으며 이를 위한 센서 및 센서 시스템의 설계 조건을 제시하고, 신호 왜곡에 대비할 수 있는 방안들을 제안함으로써 복합재료 압력용기에 적합한 구조 건전성 모니터링 시스템의 구축을 가능케 하였다.
