KR100379746B1 - Structure Deformation Measurement Device And Structure Deformation Measurement Method - Google Patents

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KR100379746B1
KR100379746B1 KR10-2000-0077495A KR20000077495A KR100379746B1 KR 100379746 B1 KR100379746 B1 KR 100379746B1 KR 20000077495 A KR20000077495 A KR 20000077495A KR 100379746 B1 KR100379746 B1 KR 100379746B1
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이병하
정영주
이영균
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광주과학기술원
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Abstract

본 발명은 단순 및 복합 구조물 등의 변형을 측정 감시하기 위해 브래그 격자가 새겨진 광섬유를 센서로 사용하는 구조물 변형측정 장치 및 구조물 변형 측정방법에 관한 것으로서, 브래그 격자가 새겨진 광섬유 일부분을 측정 구조물에 부착한 후 다파장의 빛을 전송하면 측정 구조물의 변형을 감지하면서 동시에 브래그 파장대역의 빛을 반송하게 되고, 반송되는 브래그 파장대역의 빛이 파장추종기에 전송되면서 상기 측정 구조물의 변형정도를 실시간으로 측정 감시한다.The present invention relates to a structure deformation measuring apparatus and a structure deformation measuring method using a Bragg grating engraved optical fiber as a sensor for measuring and monitoring the deformation of simple and composite structures, and attaching a portion of the fiber engraved Bragg grating to the measurement structure After transmitting multi-wavelength light, it detects the deformation of the measuring structure and simultaneously transmits the light of Bragg wavelength band, and the light of the transmitted Bragg wavelength band is transmitted to the wavelength follower to measure and monitor the deformation degree of the measuring structure in real time. do.

Description

구조물 변형 측정 장치 및 구조물 변형 측정방법{Structure Deformation Measurement Device And Structure Deformation Measurement Method}Structure Deformation Measurement Device And Structure Deformation Measurement Method

본 발명은 생산현장에서 사용되고 있는 구조물의 변형정도를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물의 변형정도를 빠르고, 정확하게 측정 및 감시할 수 있는 구조물 변형측정 장치 및 구조물 변형 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device for measuring the deformation degree of the structure used in the production site, and more particularly, to a structure deformation measurement device and structure deformation measurement method that can quickly and accurately measure and monitor the deformation degree of the structure It is about.

근래 들어 생산가공 현장에서의 생산시간을 단축하여 생산경비를 절감하혀는 노력들이 학계 및 업계에서 활발하게 논의되고 있다.Recently, efforts to reduce production costs by shortening the production time at the production processing site are actively discussed in academia and industry.

이에 따라, 현장에서의 생산시간을 절감하기 위해서는 가공속도 및 구동속도의 고속화가 필수적이고, 이를 위해 생산기계와 같은 기계구조물의 경량화 노력이 이루어져 왔다.Accordingly, in order to reduce the production time in the field, it is necessary to increase the processing speed and the driving speed, and for this, efforts have been made to reduce the weight of mechanical structures such as production machines.

여기서, 상기와 같은 기계 구조물의 경량화는 외부의 하중에 따른 구조물 변형, 급가감속시 관성에 의한 변형, 온도 상승에 따른 열에 의한 변형 등의 문제에 직면하게 되었다.Here, the weight reduction of the mechanical structure is confronted with problems such as deformation of the structure due to external load, deformation due to inertia during rapid acceleration and deceleration, deformation due to heat due to temperature rise, and the like.

따라서, 기계구조물의 변형을 측정 및 감시하기 위해서 다양한 변형예측 시스템 및 변형측정 장치들이 개발되었는데, 스트레인 게이지를 사용하는 변형측정장치와, 레이져 간섭계를 이용한 변형예측시스템, 분광분석기(Optical SpectrumAnalyzer)를 이용한 광파장 검출시스템 등이 있다.Therefore, various strain prediction systems and strain measuring devices have been developed to measure and monitor the deformation of mechanical structures, such as strain measuring devices using strain gauges, strain prediction systems using laser interferometers, and optical spectruma analyzers. Optical wavelength detection system;

한편, 이러한 상기 변형예측 시스템 또는 변형측정 장치는 복잡한 구조를 하고 있기 때문에, 변형을 측정하기 위해 복잡한 기계구조물에 설치가 어렵고, 설치에 장시간이 소요되는 문제점이 있다.On the other hand, since the deformation prediction system or the strain measuring device has a complicated structure, it is difficult to install the complex mechanical structure to measure the deformation, and there is a problem that the installation takes a long time.

또한, 상기 변형예측 시스템 및 변형측정 장치는 현장에의 적용시 생산현장의 전자 및 자기 신호에 민감하기 때문에, 정확하고도 정밀한 변형측정 및 감시가 용이하지 못한 문제점이 있다.In addition, since the deformation prediction system and the strain measuring device are sensitive to the electronic and magnetic signals of the production site when applied to the field, accurate deformation measurement and monitoring are not easy.

아울러, 상기 변형예측 시스템 및 변형측정 장치는 외부하중에 의한 구조물의 변형이나 진동은 감지하지 못하는 문제점이 있다.In addition, the deformation prediction system and the deformation measuring device may not detect deformation or vibration of the structure due to external load.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 제 1목적은 구조물의 변형정도를 실시간으로 측정 및 감시할 수 있는 구조물 변형측정 장치 및 구조물 변형 측정방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and a first object of the present invention is to provide a structure deformation measuring apparatus and a structure deformation measuring method capable of measuring and monitoring the deformation degree of a structure in real time. .

그리고, 본 발명의 제 2목적은 구조물의 변형정도를 정밀하게 측정할 수 있는 구조물 변형측정 장치 및 구조물 변형 측정방법을 제공하는 것이다.A second object of the present invention is to provide a structure deformation measuring apparatus and a structure deformation measuring method capable of precisely measuring the deformation degree of a structure.

이러한 본 발명의 목적들은 다파장의 빛을 출사하는 광원;The object of the present invention is a light source for emitting a multi-wavelength light;

상기 광원에 일측이 연결되어 상기 빛을 전송하는 제 1광섬유;A first optical fiber having one side connected to the light source to transmit the light;

상기 제 1광섬유의 타측에 연결되어 상기 빛을 전송받는 교차연결수단;Cross-connecting means connected to the other side of the first optical fiber to receive the light;

상기 교차연결수단에 연결되어 상기 빛을 전송하는 제 2광섬유;A second optical fiber connected to the cross connection means for transmitting the light;

상기 제 2광섬유 타측 소정부위에 일정간격별로 다수의 브래그 격자가 형성되어 측정구조물에 부착되어 브래그 파장대역의 빛을 반송함으로써 변형정도를 감지하는 센서격자;A sensor grid for forming a plurality of Bragg gratings at predetermined intervals on the other side of the second optical fiber, attached to a measurement structure, and conveying light in the Bragg wavelength band to detect a degree of deformation;

상기 교차연결수단에 일측이 연결되어 상기 브래그 파장대역의 빛을 전송하는 제 3광섬유;A third optical fiber having one side connected to the cross connecting means for transmitting light in the Bragg wavelength band;

상기 제 3광섬유 타측 소정부위에 일정정간격별로 다수의 브래그 격자가 형성되어 상기 브래그 파장대역의 빛을 감지하는 필터격자와, 상기 브래그파장대역의 빛으로부터의 전류를 감지하는 광감지수단과, 상기 필터격자에 길이방향으로 인장력을 가하는 제 1압전소자와, 상기 필터격자의 길이방향에 수직하게 진동을 가하는 제 2압전소자와, 상기 필터격자 상에 부착되어 변위를 측정하는 변위센서로 이루어진 파장추종기;A plurality of Bragg gratings are formed at predetermined intervals on the other side of the third optical fiber to filter light in the Bragg wavelength band, and light sensing means for sensing current from the light in the Bragg wavelength band. Wavelength tracking consisting of a first piezoelectric element for applying a tensile force in the longitudinal direction to the filter grid, a second piezoelectric element for vibrating perpendicular to the longitudinal direction of the filter grid, and a displacement sensor attached to the filter grid to measure displacement. group;

상기 파장추종기와 연결되어 상기 필터격자의 진동을 여과하는 고주파 여과기;A high frequency filter connected to the wavelength follower to filter vibration of the filter grid;

상기 고주파 여과기와 연결되어 상기 필터격자 진동의 위상차를 일정하게 유지하는 이득 제어기;A gain controller connected to the high frequency filter to maintain a constant phase difference of the filter grid vibration;

상기 이득 제어기와 연결되어 진동주파수를 계산하는 진동주파수 계산기; 및A vibration frequency calculator connected to the gain controller to calculate a vibration frequency; And

상기 진동 주파수를 기초로 하여 변형률을 계산하는 컴퓨터;로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 변형측정 장치에 의하여 달성된다.Comprising a computer for calculating the strain on the basis of the vibration frequency; is achieved by a structure deformation measuring apparatus consisting of.

여기서, 상기 광원은 발광 다이오드인 것이 바람직하다.Here, the light source is preferably a light emitting diode.

아울러, 상기 센서격자는 상기 측정 구조물에 에폭시 수지로 접착되는 것이 바람직하다.In addition, the sensor grid is preferably bonded to the measuring structure with an epoxy resin.

그리고, 상기 교차연결수단은 옵티컬 써큘레이터인 것이 바람직하다.In addition, the cross connection means is preferably an optical circulator.

또한, 상기 광감지수단은 포토다이오드인 것이 바람직하다.In addition, the light sensing means is preferably a photodiode.

아울러, 상기와 같은 본 발명의 목적들은 상기 광원에서 출사되는 다파장의 빛이 옵티컬 써큘레이터를 통해 측정 구조물에 부착되어진 센서격자로 전송되는 제 1전송단계;In addition, the above object of the present invention includes a first transmission step of transmitting the light of the multi-wavelength emitted from the light source to the sensor grid attached to the measurement structure through the optical circulator;

상기 빛을 전송받은 센서격자가 브래그 파장대역의 빛을 반송함으로써, 측정구조물의 변형을 감지하는 변형 감지단계;A deformation detection step of sensing the deformation of the measurement structure by the sensor grid receiving the light carrying light in the Bragg wavelength band;

반송되는 상기 브래그 파장대역의 빛이 다시 상기 옵티컬 써큘레이터를 통해 필터격자로 전송되는 제 2진행단계;A second progress step of transmitting the light of the Bragg wavelength band which is conveyed back to the filter lattice through the optical circulator;

상기 센서격자와 상기 필터격자가 동일한 브래그 파장변화를 겪도록 제 1압전소자가 상기 필터격자에 길이방향으로 인장력을 가하는 동일파장 형성단계;Forming the same wavelength by the first piezoelectric element applying a tensile force in the longitudinal direction to the filter lattice such that the sensor lattice and the filter lattice undergo the same Bragg wavelength change;

상기 필터격자가 공진하도록 제 2압전소자가 상기 필터격자 길이방향에 수직하게 진동을 가하는 현 공진단계;A current resonance step of causing the second piezoelectric element to vibrate perpendicularly to the longitudinal direction of the filter grid such that the filter grid resonates;

변위센서가 공진하는 상기 필터격자의 변위를 측정하고, 고주파 여과기가 상기 필터격자의 진동을 여과하는 진동여과단계;A vibration filtration step of measuring displacement of the filter lattice in which a displacement sensor resonates, and filtering a vibration of the filter lattice by a high frequency filter;

상기 필터격자의 진폭과 위상을 일정하게 유지하도록 이득 제어기가 상기 제 2압전소자를 제어하는 압전소자 제어단계;A piezoelectric element control step of controlling, by the gain controller, the second piezoelectric element so as to keep the amplitude and phase of the filter grid constant;

진동주파수 계산기가 상기 필터격자의 진동주파수를 계산하고, 컴퓨터가 상기 진동주파수를 기초로 하여 변형률을 계산 측정하는 변형률 계산단계;로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 변형 측정방법에 의하여 달성된다.The vibration frequency calculator calculates the vibration frequency of the filter lattice, and the computer calculates and measures the strain based on the vibration frequency; is achieved by the structure deformation measuring method comprising a.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and the preferred embodiments associated with the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 구조물 변형 측정 장치의 구성도,1 is a block diagram of a structure deformation measuring apparatus according to the present invention,

도 2는 본 발명에 따른 파장추종기의 구성도,2 is a configuration diagram of a wavelength follower according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 구조물 변형 측정방법의 순서도이다.3 is a flowchart of a method for measuring structure deformation according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 따른 부호의 설명 ><Description of the code according to the main part of the drawing>

10: 광원 20a: 제 1광섬유10: light source 20a: first optical fiber

20b: 제 2광섬유 20c: 제 3광섬유20b: second optical fiber 20c: third optical fiber

30: 옵티컬 써큘레이터 40: 측정 구조물30: optical circulator 40: measuring structure

50: 센서격자 60: 파장추종기50: sensor lattice 60: wavelength follower

60a: 필터격자 60b: 포토 다이오드60a: filter grid 60b: photodiode

60c: 제 1압전소자 60d: 제 2압전소자60c: first piezoelectric element 60d: second piezoelectric element

60e: 변위센서 70: 고주파 여과기60e: displacement sensor 70: high frequency filter

80: 이득 제어기 90: 진동주파수 계산기80: gain controller 90: vibration frequency calculator

95: 컴퓨터 100: 구조물 변형 측정장치95: computer 100: structure deformation measuring device

S100: 제 1전송단계 S200: 변형 감지단계S100: first transmission step S200: deformation detection step

S300: 제 2진행단계 S400: 동일파장 형성단계S300: second progress step S400: forming the same wavelength

S500: 현 공진단계 S600: 진동여과단계S500: current resonance step S600: vibration filtration step

S700: 압전소자제어단계 S800: 변형률 계산단계S700: piezoelectric element control step S800: strain calculation step

본 발명에 따른 구조물 변형 측정 장치 및 구조물 변형 측정방법의 구성에 대한 상세한 설명에 앞서, 본 발명에서 일관되게 사용되는 광섬유 브래그 격자 센서란 " 한가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 길이에 따라 새긴 후, 주변 온도나 인장정도에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서 " 로서 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖기 때문에, 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다.Prior to the detailed description of the structure of the structure deformation measuring apparatus and the structure deformation measuring method according to the present invention, the optical fiber Bragg grating sensor is used consistently in the present invention " This is a sensor using the characteristic that the wavelength of light reflected from each grating varies depending on the ambient temperature and the degree of tension. It reflects only the wavelengths satisfying the Bragg condition and transmits other wavelengths as it is. When is changed or tension is applied to the grating, the refractive index or length of the optical fiber is changed, thereby changing the wavelength of the reflected light.

따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다.Therefore, by measuring the wavelength of the light reflected from the optical fiber Bragg grating, it is possible to detect the temperature, tension, pressure, bending.

이러한 상기 브래그격자 센서의 가장 큰 응용으로 교량, 댐, 건축물 등의 제작 시에 콘크리트 안 등에 광섬유 격자 어레이를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도 등을 감지하는 구조물의 안전상태 진단과, 항공기나 헬리콥터 등의 날개 상태 진단 등에도 응용되고 있다.The largest application of the Bragg grating sensor is to install an optical fiber grid array in the concrete in the production of bridges, dams, buildings, etc., and to diagnose the safety state of the structure to detect the tensile distribution and bending degree in the structure, and the aircraft It is also applied to the diagnosis of wing conditions, such as helicopters.

다음으로는 본 발명에 따른 구조물 변형 측정 장치 및 구조물 변형 측정방법의 구성에 대한 상세한 설명을 하기로 한다.Next, a detailed description will be given of the structure of the structure deformation measuring apparatus and the structure deformation measuring method according to the present invention.

도 1은 본 발명에 따른 구조물 변형 측정 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 파장추종기의 구성도이다.1 is a block diagram of a structure deformation measuring apparatus according to the present invention, Figure 2 is a block diagram of a wavelength follower according to the present invention.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 구조물 변형 측정 장치(100)는 크게 다파장의 빛을 출사하는 광원(10)과, 상기 광원(10)으로부터의 빛을 전송받아 측정구조물(40)의 변형정도를 감지하여 브래그 파장대역의 빛을 반송하는 센서격자(50) 그리고, 상기 브래그 파장대역의 빛을 전송받아 변형률을 측정하는 파장추종기(60) 및 상기 파장추종기(60)에 연결된 고주파 여과기(70), 상기 고주파 여과기(70)에 연결된 이득 제어기(80), 상기 이득 제어기(80)에 연결된 진동주파수 계산기(90) 및 컴퓨터(95)로 구성되어 있다.As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the structure deformation measuring apparatus 100 receives a light source 10 that emits light having a large wavelength and the measurement structure 40 receives light from the light source 10. Sensor grid 50 for conveying light in the Bragg wavelength band by detecting the degree of deformation of the waveguide and connected to the wavelength follower 60 and the wavelength follower 60 for measuring the strain by receiving the light in the Bragg wavelength band It consists of a high frequency filter 70, a gain controller 80 connected to the high frequency filter 70, a vibration frequency calculator 90 connected to the gain controller 80 and a computer 95.

여기서, 상기 광원(10)은 일종의 발광 다이오드로서 출사되는 다파장의 빛은 제 1광섬유(20a)를 통해 상기 교차연결수단으로 전송되는데, 상기 교차연결수단은 전송되는 빛의 이동방향을 조절하기 위한 일종의 옵티컬 써큘레이터(30)이다.Here, the light source 10 is a kind of light emitting diode is emitted as a multi-wavelength light is transmitted to the cross-connecting means through the first optical fiber 20a, the cross-connecting means for adjusting the movement direction of the transmitted light It is a kind of optical circulator 30.

그리고, 상기 옵티컬 써큘레이터(30)로 전송되는 빛은 제 2광섬유(20b)를 통해 상기 센서격자(50)로 전송되는데, 상기 센서격자(50)는 측정 구조물(40)의 변형정도를 감지하기 위해 상기 측정 구조물(40)에 에폭시 수지로 접착되는 것으로 다수의 브래그 격자가 일정간격별로 새겨져 센서로서 작동되는 상기 제 2광섬유(20b)의 소정부분이다.Then, the light transmitted to the optical circulator 30 is transmitted to the sensor grid 50 through the second optical fiber 20b, the sensor grid 50 to detect the degree of deformation of the measurement structure 40 In order to adhere to the measuring structure 40 with an epoxy resin, a plurality of Bragg gratings are carved at predetermined intervals, and are a predetermined portion of the second optical fiber 20b operated as a sensor.

여기서, 상기 센서격자(50)에 다파장의 빛이 전송과 동시에 상기 센서격자 (50)가 상기 측정 구조물(40)의 변형정도를 감지하면 브래그 파장대역의 빛이 상기 옵티컬 써큘레이터(30) 방향으로 반송되는데, 상기 브래그 파장대역의 빛은 상기옵티컬 써큘레이터(30)에서 상기 파장추종기(60) 방향으로 전송된다.Here, when the light of the multi-wavelength is transmitted to the sensor grid 50 and the sensor grid 50 detects the degree of deformation of the measurement structure 40, the light of the Bragg wavelength band is directed to the optical circulator 30 The light of the Bragg wavelength band is transmitted from the optical circulator 30 toward the wavelength follower 60.

이때, 상기 옵티컬 써큘레이터(30)를 통한 상기 브래그 파장 대역의 빛은 소정길이의 제 3광섬유(20c)를 통해 상기 파장추종기(60)로 전송되는데, 상기 제 3광섬유(20c) 일측의 소정부위는 일정한 간격을 두고 다수의 브래그 격자들이 형성되어 상기 파장추종기(60) 내에 구비되는 필터격자(60a)를 이룬다.At this time, the light of the Bragg wavelength band through the optical circulator 30 is transmitted to the wavelength follower 60 through the third optical fiber 20c of a predetermined length, the predetermined on one side of the third optical fiber 20c. The portion is formed with a plurality of Bragg gratings at regular intervals to form a filter grid (60a) provided in the wavelength follower (60).

아울러, 상기 파장추종기(60)는 상기 필터격자(60a)와, 상기 브래그 파장대역의 빛을 감지하여 그 세기에 비례한 전류를 발생하는 광감지수단과, 상기 필터격자(60a)에 길이방향으로 인장력을 가하여 인장시키는 제 1압전소자(60c)와, 상기 필터격자(60a)의 길이방향에 수직하게 진동을 가하는 제 2압전소자(60d)와, 상기 필터격자(60a)상에 부착되어 상기 필터격자(60a)의 변위를 측정하는 변위센서(60e)로 이루어진다.In addition, the wavelength follower 60 is the filter grating 60a, light sensing means for detecting light in the Bragg wavelength band and generating a current proportional to its intensity, and the filter grating 60a in the longitudinal direction. A first piezoelectric element 60c for tensioning by applying a tensile force, a second piezoelectric element 60d for vibrating perpendicular to the longitudinal direction of the filter lattice 60a, and attached to the filter lattice 60a. It consists of a displacement sensor 60e for measuring the displacement of the filter grid 60a.

여기서, 상기 광감지수단은 일종의 포토 다이오드(60b)이며, 상기 필터격자 (60a)로 전송되는 빛의 세기를 감지하여 빛의 세기에 비례하는 전류를 발생하기 위한 것으로서, 상기 센서격자(50)와 동일한 브래그 파장변화가 상기 필터격자(60a)에서도 이루어지면 상기 포토 다이오드(60b)에서 감지되는 빛의 세기가 최소가 되어 발생하는 전류치도 최소가 된다.Here, the light sensing means is a kind of photodiode (60b), for detecting the intensity of the light transmitted to the filter grid (60a) to generate a current proportional to the intensity of the light, and the sensor grid (50) If the same Bragg wavelength change is made in the filter grid 60a, the current value generated by minimizing the intensity of light detected by the photodiode 60b is also minimized.

이를 위하여 상기 제 1압전소자(60c)는 상기 필터격자(60a)에 물리적인 인장력을 가해 상기 센서격자(50)가 겪는 동일한 브래그 파장의 변화를 유도함으로써, 상기 필터격자(60a)에서도 상기 센서격자(50)에서와 같은 변형률 변화를 겪도록 할 수 있다.To this end, the first piezoelectric element 60c applies a physical tensile force to the filter grid 60a to induce a change in the same Bragg wavelength experienced by the sensor grid 50, so that the sensor grid also in the filter grid 60a. It can be subjected to the same strain change as in (50).

이는 브래그 파장변화가 변형률의 변화와 비례한다는 브래그 파장변화 추종원리에 근거한 것으로서, 상기 센서격자(50)와 상기 필터격자(60a)가 동일파장변화를 겪게 되면 상기 포토 다이오드(60b)에서의 전류의 세기가 최소가 되는 것으로 상기 필터격자(60a)의 동일파장변화의 경험여부를 알 수 있다.This is based on the Bragg wavelength change tracking principle that the Bragg wavelength change is proportional to the change of the strain. When the sensor grid 50 and the filter grid 60a undergo the same wavelength change, the current of the current in the photodiode 60b is changed. By minimizing the intensity, it can be seen whether the same wavelength change of the filter grid 60a is experienced.

그리고, 상기 필터격자(60a)는 상기 제 2압전소자(60d)가 가하는 진동을 받아 일정한 진동 주파수로 공진하는데, 이러한 상기 필터격자(60a)의 공진주파수와 절대변형률과의 관계를 나타내는 하기의 수학식 1에 의해 상기 측정 구조물(40)의 절대변형률을 측정할 수 있다.In addition, the filter grid 60a receives the vibration applied by the second piezoelectric element 60d and resonates at a constant vibration frequency. The following mathematical equation representing the relationship between the resonance frequency of the filter grid 60a and the absolute strain is shown. The absolute strain of the measurement structure 40 can be measured by Equation 1.

여기서, f 는 상기 필터격자(60a)의 공진주파수이고, E 는 영률, ε는 절대변형률, L0는 현의 길이 그리고, ρ는 상기 필터격자(60a)의 밀도를 나타낸다.Where f is the resonance frequency of the filter grid 60a, E is the Young's modulus, ε is the absolute strain, L 0 is the length of the chord, and ρ is the density of the filter grid 60a.

한편, 상기 고주파 여과기(70)는 상기 파장추종기(60)와 연결되어 상기 필터격자(60a)의 진동을 여과하여 순수한 필터격자(60a)만의 진동을 식별하여 가려낸다On the other hand, the high frequency filter 70 is connected to the wavelength follower 60 to filter the vibration of the filter grid (60a) to identify and filter out only the vibration of the pure filter grid (60a).

또한, 상기 이득 제어기(80)는 상기 고주파 여과기(70)와 연결되어 상기 필터격자(60a)가 상기 제 1압전소자(60c)에 의해 가해지는 진동의 위상차를 일정하게 유지하도록 한다.In addition, the gain controller 80 is connected to the high frequency filter 70 so that the filter grid 60a keeps the phase difference of the vibration applied by the first piezoelectric element 60c constant.

아울러, 상기 진동주파수 계산기(90)는 상기 이득 제어기(80)와 연결되어 상기 필터격자(60a)의 진동주파수를 계산하며, 컴퓨터(95)가 상기 진동주파수를 기초로 하여 변형률을 계산 측정하면서 실시간으로 상기 측정 구조물(40)의 변형정도를 모니터링할 수 있다.In addition, the vibration frequency calculator 90 is connected to the gain controller 80 to calculate the vibration frequency of the filter grating 60a, and the computer 95 calculates and measures the strain based on the vibration frequency in real time. The degree of deformation of the measurement structure 40 can be monitored.

도 3은 본 발명에 따른 구조물 변형 측정방법의 순서도이다.3 is a flowchart of a method for measuring structure deformation according to the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 측정방법은 크게 7단계로 구성되어 측정 구조물의 변형정도를 측정할 수 있는데, 다음과 같다.As shown in Figure 3, the measuring method is largely composed of seven steps to measure the degree of deformation of the measurement structure, as follows.

우선 첫번째 단계인 제 1전송단계(S100)에서는 광원(10)에서 출사되는 다파장의 빛이 옵티컬 써큘레이터(30)를 통해 측정 구조물(40)에 부착되어진 센서격자 (50)로 전송되는데, 상기 다파장의 빛은 상기 광원(10)과 상기 옵티컬 써큘레이터 (30)를 연결하는 제 1광섬유(20a)에 의해 전송되고, 상기 옵티컬 써큘레이터(30)에 전송되는 상기 빛은 제 2광섬유(20b)를 통해 상기 제 2광섬유(20b) 일측 소정부위에 브래그 격자가 형성된 상기 센서격자(50)에 전송된다.First, in the first transmission step (S100), the light of the multi-wavelength emitted from the light source 10 is transmitted to the sensor grid 50 attached to the measurement structure 40 through the optical circulator 30. The light having multiple wavelengths is transmitted by the first optical fiber 20a connecting the light source 10 and the optical circulator 30, and the light transmitted to the optical circulator 30 is the second optical fiber 20b. ) Is transmitted to the sensor grid 50 in which a Bragg grating is formed at one side of the second optical fiber 20b.

다음으로 두번째 단계인 변형 감지단계(S200)에서는 상기 빛을 전송받은 센서격자(50)가 브래그 파장대역의 빛을 반송함으로써, 측정 구조물(40)의 변형을 감지하는데, 상기 측정 구조물(40)의 인장이나 굽힘과 같은 변형 정도가 곧바로 상기 센서격자(50)의 브래그 파장대역의 변화로 이어지기 때문에 상기 측정 구조물(40)의 변형정도에 즉각적인 반응을 할 수 있다.In the second step, the deformation detection step (S200), the sensor grid 50 receiving the light conveys light in the Bragg wavelength band, thereby detecting the deformation of the measurement structure 40. Since the degree of deformation, such as tension or bending, directly leads to a change in the Bragg wavelength band of the sensor grid 50, an immediate response to the degree of deformation of the measurement structure 40 can be made.

세번째 단계인 제 2진행단계(S300)에서는 반송되는 상기 브래그 파장대역의 빛이 다시 상기 옵티컬 써큘레이터(30)를 통해 필터격자(60a)로 전송되는데, 상기 옵티컬 써큘레이터(30)에 연결되는 제 3광섬유(20c)를 통해 상기 브래그 파장대역의 빛이 전송되어 상기 제 3광섬유(20c) 일측 소정부위에 다수의 브래그 격자가 형성되는 필터격자(60a)에 도달한다.In the third step S300, the light of the Bragg wavelength band is transmitted back to the filter grid 60a through the optical circulator 30, and is connected to the optical circulator 30. Light in the Bragg wavelength band is transmitted through the three optical fibers 20c to reach the filter grid 60a in which a plurality of Bragg gratings are formed at one side of the third optical fiber 20c.

네번째 단계인 동일파장 형성단계(S400)에서는 상기 센서격자(50)와 상기 필터격자(60a)가 동일한 브래그 파장변화를 겪도록 제 1압전소자(60c)가 상기 필터격자(60a)에 길이방향으로 인장력을 가한다.In the fourth step of forming the same wavelength (S400), the first piezoelectric element 60c extends longitudinally to the filter grid 60a such that the sensor grid 50 and the filter grid 60a undergo the same Bragg wavelength change. Apply tensile force.

이는 인장 강도의 변화에 따라 상기 필터격자(60a)에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용하여 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 브래그 파장원리를 이용한 것으로서, 상기 센서격자(50)가 상기 측정 구조물(40)의 변형 정도에 따라 겪게 되는 브래그 파장 변화를 상기 필터격자(60a)에서도 동일하게 발현되도록 하기 위한 것이다.This uses the Bragg wavelength principle that reflects only wavelengths satisfying the Bragg condition by using the characteristic that the wavelength of light reflected from the filter grid 60a changes according to the change in tensile strength, and transmits other wavelengths as it is. It is for the same to be expressed in the filter grid (60a) Bragg wavelength change that the sensor grid 50 undergoes according to the degree of deformation of the measurement structure (40).

다섯번째 단계인 현 공진단계(S500)에서는 상기 필터격자(60a)가 공진하도록 제 2압전소자(60d)가 상기 필터격자(60a) 길이방향에 수직하게 진동을 가한다. 이는 상기 동일파장 형성단계(S400)에서 상기 센서격자(50)와 동일한 브래그 파장변화를 겪는 상기 필터격자(60a)의 진동주파수를 측정하여 진동주파수와 절대변형률과의 관계식인 상기 수학식 1, 즉에 의해 상기 측정구조물(40)의 절대변형률을 측정하기 위함이다.In the fifth resonant step S500, the second piezoelectric element 60d vibrates perpendicularly to the length of the filter lattice 60a so that the filter lattice 60a resonates. This is measured by the vibration frequency of the filter grating 60a undergoing the same Bragg wavelength change as the sensor grating 50 in the same wavelength forming step (S400) by using Equation 1, that is, the relationship between the vibration frequency and the absolute strain. This is to measure the absolute strain of the measurement structure 40 by.

여기서, f 는 상기 필터격자(60a)의 공진주파수이고, E 는 영률, ε는 절대변형률, L0는 현의 길이 그리고, ρ는 상기 필터격자(60a)의 밀도를 나타낸다.Where f is the resonance frequency of the filter grid 60a, E is the Young's modulus, ε is the absolute strain, L 0 is the length of the chord, and ρ is the density of the filter grid 60a.

여섯번째 단계인 진동여과단계(S600)는 변위센서(60e)가 공진하는 상기 필터격자(60a)의 변위를 측정하고, 고주파 여과기(70)가 상기 필터격자(60a)의 진동을여과하여 순수한 상기 필터격자(60a)의 진동만을 얻을 수 있다.The sixth step, the vibration filtration step (S600) measures the displacement of the filter grid 60a in which the displacement sensor 60e resonates, and the high frequency filter 70 filters the vibration of the filter grid 60a so that the pure Only vibration of the filter grid 60a can be obtained.

일곱번째 단계인 압전소자 제어단계(S700)에서는 상기 필터격자(60a)의 진폭과 위상을 일정하게 유지하도록 이득 제어기(80)가 상기 제 2압전소자(60d)를 제어한다.In the seventh step, the piezoelectric element control step S700, the gain controller 80 controls the second piezoelectric element 60d to maintain the amplitude and phase of the filter grid 60a constant.

마지막으로 여덟번째 단계인 변형률 계산단계(S800)에서는 진동주파수 계산기(90)가 상기 필터격자(60a)의 진동주파수를 계산하고, 컴퓨터(95)가 상기 진동주파수를 기초로 하여 변형률을 계산하여 실시간으로 상기 측정 구조물(40)의 변형정도를 측정 및 모니터링할 수 있다.Finally, in the eighth step, the strain calculation step (S800), the vibration frequency calculator 90 calculates the vibration frequency of the filter grid 60a, and the computer 95 calculates the strain based on the vibration frequency in real time. In order to measure and monitor the deformation of the measurement structure 40.

여기서, 상기 측정 구조물(40) 각 요소의 변형정도는 하기의 수학식 2에 의하여 계산되는데, 다음과 같다.Here, the degree of deformation of each element of the measuring structure 40 is calculated by the following Equation 2, as follows.

여기서, u, v 는 각 요소의 변위, θ 는 요소 끝단의 변형 각, l 는 각 요소의 길이, h 는 각 요소의 두께, εH, εL는 요소 각 양면의 변형률이다. 이는 전달행렬방법(Transfer Matrix Method, TMM)을 기초로 하는 분산 변형률을 통한 변형계산이론으로 측정점 수의 제한과 열변형, 정적 하중에 의한 변형, 관성력에 의한 변형을 모두 고려할 수 있다.Where u and v are displacements of each element, θ is the deformation angle of the end of the element, l is the length of each element, h is the thickness of each element, and ε H and ε L are the strains on both sides of the element. This is the theory of deformation calculation through distributed strain based on the Transfer Matrix Method (TMM), which can take into account the limitation of the number of measurement points, thermal deformation, deformation by static load, and deformation by inertia.

이상에서와 같은 본 발명에서, 상기 광원(10)은 상기 발광다이오드 외에 레이져 다이오드(LD), 유기EL소자, 무기EL소자, 다파장 램프 등과 같은 발광소자에서 임의로 택일하여 사용할 수 있다. 그리고, 상기 광감지수단은 상기 포토 다이오드 (60b) 외에 눈사태 포토 다이오드(Avalanch Photo Diode, APD) 등과 같은 수광소자 중에서 임의로 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 빛의 전송방향을 조절하는 상기 교차연결수단으로 상기 옵티컬 써큘레이터(30) 외에 옵티컬 커플러도 사용할 수 있다.In the present invention as described above, the light source 10 may be arbitrarily selected from a light emitting device such as a laser diode (LD), an organic EL device, an inorganic EL device, a multi-wavelength lamp in addition to the light emitting diode. In addition to the photodiode 60b, the light sensing means may be arbitrarily selected from a light receiving element such as an avalanche photo diode (APD). In addition, an optical coupler may be used in addition to the optical circulator 30 as the cross connecting means for adjusting the transmission direction of light.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 구조물 변형 측정 장치 및 구조물 변형 측정방법에 의하면, 주변의 전자 및 자기 신호에 비교적 영향을 덜 받는 광섬유를 센서로 하기 때문에, 오차가 극히 적은 정밀하고도 정확한 구조물 변형정도 측정을 할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 센서로 이용되는 광섬유는 구조물의 변형 정도에 민감하게 반응하기 때문에, 실시간으로 구조물의 변형정도를 측정 및 모니터링 할 수 있는 효과가 있다. 또한, 센서로 이용되는 광섬유를 구조물 내부로 삽입하여 변형을 감지할 수 있기 때문에, 구조물 형태에 구애됨이 없이 다방면의 분산측정이 가능한 효과가 있다.As described above, according to the structure deformation measuring apparatus and the structure deformation measuring method according to the present invention, since the optical fiber which is relatively less affected by the surrounding electronic and magnetic signals as a sensor, an accurate and accurate structure with extremely low error It is effective to measure the degree of deformation. In addition, since the optical fiber used as the sensor responds sensitively to the degree of deformation of the structure, there is an effect of measuring and monitoring the degree of deformation of the structure in real time. In addition, since the deformation of the optical fiber used as a sensor can be inserted into the structure, the dispersion measurement can be performed in various directions without being concerned with the shape of the structure.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, various other modifications and variations may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, it is intended that the appended claims cover such modifications and variations as fall within the true scope of the invention.

Claims (7)

다파장의 빛을 출사하는 광원(10);A light source 10 for emitting light of multiple wavelengths; 상기 광원(10)에 일측이 연결되어 상기 빛을 전송하는 제 1광섬유(20a);A first optical fiber 20a connected to one side of the light source 10 to transmit the light; 상기 제 1광섬유(20a)의 타측에 연결되어 상기 빛을 전송받는 교차연결수단;Cross-connecting means connected to the other side of the first optical fiber 20a to receive the light; 상기 교차연결수단에 연결되어 상기 빛을 전송하는 제 2광섬유(20b);A second optical fiber 20b connected to the cross connection means for transmitting the light; 상기 제 2광섬유(20b) 타측 소정부위에 일정간격별로 다수의 브래그 격자가 형성되어 측정구조물(40)에 부착되어 브래그 파장대역의 빛을 반송함으로써 변형정도를 감지하는 센서격자(50);A plurality of Bragg gratings formed at predetermined intervals on the other predetermined portion of the second optical fiber 20b and attached to the measurement structure 40 to detect the degree of deformation by conveying light in the Bragg wavelength band; 상기 교차연결수단에 일측이 연결되어 상기 브래그 파장대역의 빛을 전송하는 제 3광섬유(20c);A third optical fiber 20c connected to one side of the cross connection means to transmit light in the Bragg wavelength band; 상기 제 3광섬유(20c) 타측 소정부위에 일정정간격별로 다수의 브래그 격자가 형성되어 상기 브래그 파장대역의 빛을 감지하는 필터격자(60a)와, 상기 브래그파장대역의 빛을 전송받아 전류를 발생하는 광감지수단과, 상기 필터격자(60a)에 길이방향으로 인장력을 가하는 제 1압전소자(60c)와, 상기 필터격자(60a)의 길이방향에 수직하게 진동을 가하는 제 2압전소자(60d)와, 상기 필터격자(60a)상에 부착되어 변위를 측정하는 변위센서(60e)로 이루어진 파장추종기(60);A plurality of Bragg gratings are formed at predetermined intervals on the other side of the third optical fiber 20c to generate a current by receiving the filter grid 60a for detecting light in the Bragg wavelength band and the light of the Bragg wavelength band. An optical sensing means, a first piezoelectric element 60c for applying a tensile force in the longitudinal direction to the filter grid 60a, and a second piezoelectric element 60d for vibrating perpendicular to the longitudinal direction of the filter grid 60a. And a wavelength follower 60 attached to the filter grid 60a and configured with a displacement sensor 60e for measuring displacement. 상기 파장추종기(60)와 연결되어 상기 필터격자(60a)의 진동을 여과하는 고주파 여과기(70);A high frequency filter (70) connected to the wavelength follower (60) to filter vibrations of the filter grid (60a); 상기 고주파 여과기(70)와 연결되어 상기 필터격자(60a) 진동의 위상차를 일정하게 유지하는 이득 제어기(80);A gain controller (80) connected to the high frequency filter (70) to maintain a constant phase difference of vibration of the filter grid (60a); 상기 이득 제어기(80)와 연결되어 진동주파수를 계산하는 진동주파수 계산기 (90); 및A vibration frequency calculator (90) connected to the gain controller (80) to calculate a vibration frequency; And 상기 진동 주파수를 기초로 하여 변형률을 계산하는 컴퓨터(95);로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 변형측정 장치.And a computer (95) for calculating strain based on the vibration frequency. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광원(10)은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 구조물 변형측정 장치.The light source 10 is a structure deformation measuring apparatus, characterized in that the light emitting diode. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 센서격자(50)는 상기 측정 구조물(40)에 에폭시 수지로 접착되는 것을 특징으로 하는 구조물 변형측정 장치.The sensor grid (50) is structure deformation measuring device, characterized in that the adhesive structure is bonded to the epoxy resin. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 교차연결수단은 옵티컬 써큘레이터(30)인 것을 특징으로 하는 구조물 변형측정장치.The cross connection means is a structural deformation measuring apparatus, characterized in that the optical circulator (30). 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 광감지수단은 포토 다이오드(60b)인 것을 특징으로 하는 구조물 변형측정 장치The optical sensing means is a structure deformation measuring apparatus, characterized in that the photodiode (60b) 광원(10)에서 출사되는 다파장의 빛이 옵티컬 써큘레이터(30)를 통해 측정 구조물(40)에 부착되어진 센서격자(50)로 전송되는 제 1전송단계(S100);A first transmission step (S100) in which light of multiple wavelengths emitted from the light source 10 is transmitted to the sensor grid 50 attached to the measurement structure 40 through the optical circulator 30; 상기 빛을 전송받은 센서격자(50)가 브래그 파장대역의 빛을 반송함으로써, 측정 구조물(40)의 변형을 감지하는 변형 감지단계(S200);A deformation detection step (S200) of detecting the deformation of the measurement structure 40 by transmitting the light of the sensor grid 50 receiving the Bragg wavelength band; 반송되는 상기 브래그 파장대역의 빛이 다시 상기 옵티컬 써큘레이터(30)를 통해 필터격자(60a)로 전송되는 제 2진행단계(S300);A second progress step (S300) of transmitting the light of the Bragg wavelength band to be transmitted to the filter grid (60a) through the optical circulator (30); 상기 센서격자(50)와 상기 필터격자(60a)가 동일한 브래그 파장변화를 겪도록 제 1압전소자(60c)가 상기 필터격자(60a)에 길이방향으로 인장력을 가하는 동일파장 형성단계(S400);Forming the same wavelength (S400) in which the first piezoelectric element (60c) applies a tensile force in the longitudinal direction to the filter grid (60a) so that the sensor grid (50) and the filter grid (60a) undergo the same Bragg wavelength change; 상기 필터격자(60a)가 공진하도록 제 2압전소자(60d)가 상기 필터격자(60a) 길이방향에 수직하게 진동을 가하는 현 공진단계(S500);A current resonance step (S500) of causing the second piezoelectric element (60d) to vibrate perpendicularly to the length direction of the filter grid (60a) so that the filter grid (60a) resonates; 변위센서(60e)가 공진하는 상기 필터격자(60a)의 변위를 측정하고, 고주파 여과기(70)가 상기 필터격자(60a)의 진동을 여과하는 진동여과단계(S600);A vibration filtration step (S600) of measuring displacement of the filter grid (60a) in which the displacement sensor (60e) resonates, and filtering the vibration of the filter grid (60a) by a high frequency filter (70); 상기 필터격자(60a)의 진폭과 위상을 일정하게 유지하도록 이득 제어기(80)가 상기 제 2압전소자(60d)를 제어하는 압전소자 제어단계(S700);A piezoelectric element control step (S700) of controlling the second piezoelectric element (60d) by the gain controller (80) so as to keep the amplitude and phase of the filter grid (60a) constant; 진동주파수 계산기(90)가 상기 필터격자(60a)의 진동주파수를 계산하고, 컴퓨터(95)가 상기 진동주파수를 기초로 하여 변형률을 계산 측정하는 변형률 계산단계(S800);로 이루어져 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물 변형 측정방법.The vibration frequency calculator 90 calculates the vibration frequency of the filter grid 60a, and the computer 95 calculates and calculates the strain based on the vibration frequency (S800). Structure deformation measurement method. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 측정 구조물(40)의 각 요소의 변형정도는The degree of deformation of each element of the measuring structure 40 에 의하여 계산되고,Calculated by 여기서, u , v 는 각 요소의 변위;Where u and v are displacements of each element; θ 는 요소 끝단의 변형 각;θ is the deformation angle of the end of the element; l 는 각 요소의 길이;l is the length of each element; h 는 각 요소의 두께;h is the thickness of each element; εH, εL는 요소 각 양면의 변형률;인 것을 특징으로 하는 구조물 변형 측정방법.ε H , ε L is the strain on each side of the element; structure deformation measurement method characterized in that.
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