KR100546053B1 - Sinking measuring method of structure - Google Patents

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KR100546053B1 KR1020030093012A KR20030093012A KR100546053B1 KR 100546053 B1 KR100546053 B1 KR 100546053B1 KR 1020030093012 A KR1020030093012 A KR 1020030093012A KR 20030093012 A KR20030093012 A KR 20030093012A KR 100546053 B1 KR100546053 B1 KR 100546053B1
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윤선업
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/161—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by interferometric means

Abstract

본 발명은 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템을 이용한 구조물의 처짐 측정 방법에 관한 것으로, 본 발명은, 광원으로부터 생성되는 펄스광을 브릴루앙 주파수를 중심으로 변화시키면서 상기 구조물의 측정 구간을 따라 배치된 상기 광섬유에 공급하는 단계와, 상기 광섬유로부터 발생되는 브릴루앙 산란광을 수광하는 단계와, 상기 브릴루앙 산란광을 주파수 영역에서 처리하여 상기 구조물의 변형에 대한 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 측정하는 단계와, 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 이용하여 상기 광섬유에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률을 계산하는 단계와, 상기 계산된 구조물의 변형률과 상기 구조물의 실제 측정 길이인 양 끝단의 위치를 보정하면서 상기 구조물의 임의 위치에서 상기 구조물의 처짐 정도를 계산하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for measuring the deflection of a structure using a Brillouin time domain analysis sensor system. The present invention relates to a method for measuring deflection of a structure along a measurement section of the structure while changing a pulsed light generated from a light source about a Brillouin frequency. Supplying an optical fiber, receiving a Brillouin scattered light generated from the optical fiber, and treating the Brillouin scattered light in a frequency domain to measure an amount of change in the Brillouin frequency of the optical fiber with respect to deformation of the structure; Calculating a strain of the structure measured by the optical fiber by using a change amount of the Brillouin frequency of the optical fiber, and correcting the position of both ends of the calculated strain and the actual measurement length of the structure. The degree of deflection of the structure at any position of the structure Calculating.

Description

구조물의 처짐 측정 방법{SINKING MEASURING METHOD OF STRUCTURE}Method for measuring deflection of structure {SINKING MEASURING METHOD OF STRUCTURE}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템의 개략적인 구성도.1 is a schematic configuration diagram of a Brillouin time domain analysis sensor system according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 2a는 본 발명의 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 구조물로서 3점 굽힘 보(beam)에 대하여 측정 변형률을 측정한 경우의 설명도.Fig. 2A is an explanatory diagram when measuring strain is measured for a three-point bend beam as a structure by the Brillouin time domain analysis sensor system of the present invention.

도 2b는 본 발명에 따라 측정된 변형률과 위치를 보의 왼쪽과 오른쪽 끝단에서 보정하는 것을 설명하는 도면.Figure 2b illustrates the correction of the strain and position measured at the left and right ends of the beam in accordance with the present invention.

도 3은 본 발명에 따라 단순지지 보 형태의 구조물의 처짐을 측정하는 방법을 나타내는 도면. Figure 3 is a view showing a method for measuring the deflection of the structure of the simple support beam form in accordance with the present invention.

도 4는 본 발명의 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 측정된 값과 실제 값과의 오차를 예시하는 도면.4 is a diagram illustrating an error between a measured value and an actual value by the Brillouin time domain analysis sensor system of the present invention.

도 5는 본 발명에 따라 외팔보 형태의 구조물의 처짐을 측정하는 방법을 나타내는 도면.5 is a view showing a method for measuring the deflection of the cantilever-shaped structure in accordance with the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

10, 30, 50 : 구조물 12 : 광섬유 센서10, 30, 50: structure 12: optical fiber sensor

14 : 신호 검출부 16 : 신호 처리부14 signal detection unit 16 signal processing unit

본 발명은 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용하여 구조물의 변형을 측정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물에 대한 측정 위치의 보정을 통하여 구조물의 정확한 처짐 정도를 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of measuring the deformation of a structure using a Brillouin time domain analysis sensor, and more particularly, to a method of measuring the exact deflection degree of a structure by correcting the measurement position of the structure.

동적인 변형이 연속적으로 가해지는 교량, 건축물 및 기계설비 등의 대형 구조물의 안전을 감시할 때에는 실시간 혹은 일정 시간 간격으로 구조물의 연속적인 거동을 확인하는 작업이 요구된다. 일반적으로 실제 구조물은 안전 관리자에 의해 정기적인 검사를 받게 되는데 이러한 방법은 관리자의 숙련도에 크게 의존되며 시각적인 검사의 경우 구조물의 보이지 않는 부분에 대해서는 검사의 한계가 있다. 비파괴 검사의 경우 또한 숙련된 작업자를 필요로 하며 검사 시간 및 비용에 대해서 효율적이지 못하다.When monitoring the safety of large structures such as bridges, buildings, and machinery that are continuously subjected to dynamic deformation, it is necessary to check the continuous behavior of the structure in real time or at regular intervals. In general, the actual structure is inspected regularly by the safety manager. This method is highly dependent on the skill of the manager, and in the case of visual inspection, there is a limit to inspection of the invisible part of the structure. Non-destructive testing also requires skilled workers and is not efficient for inspection time and costs.

구조물의 안전 검사를 위한 다른 방법으로는 광섬유를 센서로서 이용하는 것으로, 광섬유를 구조물에 부착하여 구조물의 변형에 따른 광섬유의 물리적 변화를 검출하는 것이다. 통상적으로, 광섬유는 재질이 유리이므로 내부식성이 우수하며, 전자기파의 영향을 받지 않는다. 광섬유 센서는 간섭형, 파장형 및 산란형 센서 등이 있으며, 이 중 산란형 광섬유 센서는 다른 형태에 따라 구현하지 못하는 광섬유 내부를 진행하는 펄스광을 이용하여 광섬유 외부에서 작용하는 물리량에 따라 변화하는 광섬유 내부의 후방 산란광을 측정함으로써 광섬유 전체의 분포 물리량을 측정하는 것이 가능하다. 이러한 펄스광을 사용하면서 산란광을 측정하는 센서를 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)센서라 하며 대부분의 산란형 광섬유 센서는 기본적으로 OTDR 기술을 사용한다. 이러한 산란형 광섬유 센서는 레일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서 및 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서 등 여러 종류가 있다. 이 중 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 외부에서 작용하는 변형률에 민감하게 반응하는 브릴루앙 주파수 천이 값을 갖는다. 즉, 외부에서 작용하는 변형률 및 온도에 따라서 변화하는 브릴루앙 주파수 천이 값에 따라 후방 산란광의 크기가 바뀌게 된다. 따라서, 외부 물리량의 절대 변화는 브릴루앙 주파수 천이 값에 의해 알 수 있다.Another method for the safety inspection of the structure is to use the optical fiber as a sensor, by attaching the optical fiber to the structure to detect the physical change of the optical fiber according to the deformation of the structure. In general, the optical fiber is glass because the material is excellent in corrosion resistance and is not affected by electromagnetic waves. Optical fiber sensors include interference type, wavelength type, and scattering type sensor. Among them, scattering type optical fiber sensor changes according to physical quantity acting on the outside of the optical fiber by using pulsed light traveling inside the optical fiber which cannot be implemented according to other types. By measuring the backscattered light inside the optical fiber, it is possible to measure the distribution physical quantity of the whole optical fiber. The sensor that measures the scattered light while using such pulsed light is called an OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) sensor, and most of the scattered optical fiber sensors basically use OTDR technology. Such scattering optical fiber sensors include a variety of types such as Rayleigh scattering fiber optic sensors, Raman scattering fiber optic sensors, and Brillouin scattering fiber optic sensors. Among these, the Brillouin scattering optical fiber sensor has a Brillouin frequency shift value that is sensitive to external strain. That is, the magnitude of the backscattered light is changed according to the Brillouin frequency shift value that changes according to the strain and temperature acting externally. Therefore, the absolute change of the external physical quantity can be known by the Brillouin frequency shift value.

구조물의 안전 감시에 광섬유 센서를 이용할 경우 센서망의 구성이 용이하며 구조물의 실시간 감시가 가능해 진다. 또한 광섬유 센서는 전자기파의 영향을 받지 않고 내부식성이 강하기 때문에 사용 환경의 제한을 적게 받는다. 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템은 다른 광섬유 센서에 비해 측정 영역이 넓기 때문에 대형 구조물의 안전감시에 적합하다.When the fiber optic sensor is used for the safety monitoring of the structure, the sensor network can be easily configured and real-time monitoring of the structure becomes possible. In addition, since the optical fiber sensor is not affected by electromagnetic waves and has a high corrosion resistance, the use environment is less restricted. The Brillouin time domain analysis sensor system has a larger measurement area than other fiber optic sensors, making it suitable for the safety monitoring of large structures.

예를 들어, 교량이나 건축 구조물에는 보(beam) 형태로 하중을 지지하는 구조가 많이 사용되는데, 보에 작용되는 자중 및 하중에 대한 처짐을 측정하여 손상 을 확인할 수 있다. 한편, 압력 탱크의 경우는 내부 압력에 대한 탱크의 변형 정도를 감시하며 탱크에 이상이 발생할 경우 일정 압력에 대해 손상 전과 다르게 나타나는 변형을 관측한다.For example, many structures supporting beams in the form of beams are used in bridges and building structures. Damage can be checked by measuring the deflection of the weight and the load acting on the beams. On the other hand, in the case of a pressure tank, the degree of deformation of the tank with respect to the internal pressure is monitored, and when the tank has an abnormality, the deformation that appears differently from before the damage is observed for a certain pressure.

구조물의 안전을 감시하는 방법으로 구조물의 거동 감시가 있을 수 있다. 이는 광섬유 센서에 의해 측정된 구조물의 변형률을 구조물의 변위로 변환하여, 자중이나 일정한 하중이 가해진 상태의 전체적인 거동을 연속적으로 감시, 비교를 수행하게 된다. 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 구조물에 설치한 후 먼저 기준이 되는 구조물의 거동을 측정한다. 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 적용한 이후에 발생하는 구조물의 손상은 구조물의 변형 거동을 변화시키기 때문에 기준 거동과 비교하면 손상의 위치 및 그 정도를 확인할 수 있게 된다. 균열과 같은 국부적인 손상은 브릴루앙 시간 영역 해석 센서의 거리 분해능(spatial resolution)에 비해 상당히 작은 영역에서 나타난다. 분포형 광섬유 센서의 특성 상 특정 위치에서의 측정값은 거리분해능 이내에서의 값들의 누적치로 표현되기 되기 때문에 균열과 같은 손상은 그 존재 및 정도를 정확하게 알아내는 것은 쉽지 않으나, 어떤 형태로든 거리 분해능 내에서 손상 발생 여부를 확인하는 것은 충분히 가능하다.One way to monitor the safety of a structure is to monitor its behavior. This converts the strain of the structure measured by the optical fiber sensor to the displacement of the structure, and continuously monitors and compares the overall behavior of the self-weight or a constant load. After installing the Brillouin time domain analysis sensor on the structure, the behavior of the reference structure is first measured. Since the damage of the structure after applying the Brillouin time domain analysis sensor changes the deformation behavior of the structure, it is possible to confirm the location and extent of the damage compared to the reference behavior. Local damage, such as cracking, appears in a significantly smaller area compared to the spatial resolution of the Brillouin time domain analysis sensor. Due to the nature of distributed fiber optic sensors, measurements at specific locations are expressed as cumulative values within range resolution, so it is not easy to determine the presence and extent of damage such as cracks, but in any form within range resolution It is quite possible to check whether damage has occurred.

그러나 브릴루앙 시간 영역 해석 센서는 거리 분해능 구간의 변형률을 평균화한 측정값을 제시하기 때문에 급격하게 변화하는 변형률을 측정하기 어려우며, 특히 구조물의 측정 구간의 끝부분에서 오차를 유발하는 문제가 있다.However, the Brillouin time domain analysis sensor is difficult to measure the rapidly changing strain because it presents a measured average value of the strain in the distance resolution section, and in particular, causes an error at the end of the measurement section of the structure.

따라서, 본 발명의 목적은 브릴루앙 산란형 센서에서 측정된 변형률 값을 구조물의 실제 측정 구간에서 측정된 값으로 보정함으로써 보다 정확한 구조물의 변형정도를 측정하여 구조물의 처짐을 측정하는 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for measuring the deflection of a structure by measuring the deformation degree of the structure more accurately by correcting the strain value measured in the Brillouin scattering type sensor to the value measured in the actual measurement section of the structure. .

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법은, 광원으로부터 생성되는 펄스광을 브릴루앙 주파수를 중심으로 변화시키면서 상기 구조물의 측정 구간을 따라 배치된 상기 광섬유에 공급하는 단계와; 상기 광섬유로부터 발생되는 브릴루앙 산란광을 수광하는 단계와; 상기 브릴루앙 산란광을 주파수 영역에서 처리하여 상기 구조물의 변형에 대한 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 측정하는 단계와; 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 이용하여 상기 광섬유에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률을 계산하는 단계 및; 상기 계산된 구조물의 변형률과 상기 구조물의 실제 측정 길이인 양 끝단의 위치를 보정하면서 상기 구조물의 임의 위치(x)에서 상기 구조물의 처짐 정도를 계산하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, the method of measuring the deflection of a structure using a Brillouin time domain analysis sensor according to an embodiment of the present invention, while changing the pulsed light generated from the light source around the Brillouin frequency, Supplying the optical fiber disposed along; Receiving a Brillouin scattered light generated from the optical fiber; Processing the Brillouin scattered light in a frequency domain to measure an amount of change in Brillouin frequency of the optical fiber with respect to deformation of the structure; Calculating a strain of the structure measured by the optical fiber by using an amount of change in a Brillouin frequency of the optical fiber; Calculating the degree of deflection of the structure at an arbitrary position (x) of the structure while correcting the calculated strain and the position of both ends, which is the actual measured length of the structure.

본 발명에서, 상기 브릴루앙 시간 영역 해석 센서에 의해 측정된 상기 구조물의 변형률은 하기 수학식과 같이 정의되며,In the present invention, the strain of the structure measured by the Brillouin time domain analysis sensor is defined by the following equation,

Figure 112005016020727-pat00001
Figure 112005016020727-pat00001

여기서, εB는 상기 브릴루앙 시간 영역 해석 센서에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률이고, ΔxB는 거리 분해능이고,

Figure 112005016020727-pat00002
와
Figure 112005016020727-pat00003
는 상기 구조물의 양끝 단의 위치이고, εx0는 상기 구조물의 양 끝단 위치에서의 보정을 통한 상기 구조물에 분포된 실제 변형률이고, M(x)는 모멘트이고, E는 상기 구조물의 탄성계수이고, I는 상기 구조물의 비중이며, y는 상기 구조물의 중립축으로부터의 거리를 나타낸다.Where ε B is the strain of the structure measured by the Brillouin time domain analysis sensor, Δx B is the distance resolution,
Figure 112005016020727-pat00002
Wow
Figure 112005016020727-pat00003
Is the position of both ends of the structure, ε x0 is the actual strain distributed in the structure through correction at both ends of the structure, M (x) is the moment, E is the elastic modulus of the structure, I is the specific gravity of the structure and y represents the distance from the neutral axis of the structure.

본 발명에서, 상기 보정된 변형률과 보정된 위치는 아래의 수학식과 같으며,In the present invention, the corrected strain and the corrected position is as shown in the following equation,

Figure 112005016020727-pat00004
,
Figure 112005016020727-pat00004
,

Figure 112005016020727-pat00005
Figure 112005016020727-pat00005

여기서, L은 상기 구조물의 측정 길이이며, x는 상기 구조물의 임의 위치이고, x'는 보정된 위치를 나타낸다.Where L is the measured length of the structure, x is any position of the structure, and x 'represents the corrected position.

본 발명에서 상기 구조물이 단순지지 보의 형태인 경우의 처짐 정도는 하기 수학식과 같이 계산되며,

Figure 112005061136624-pat00041

여기서, v는 처짐량이며, ε는 변형률이며, L은 구조물의 길이이며, x는 구조물의 임의의 위치이고. y는 구조물의 중립축으로 부터의 거리를 나타낸다.In the present invention, the degree of deflection when the structure is in the form of a simple support beam is calculated as in the following equation,
Figure 112005061136624-pat00041

Where v is the amount of deflection, ε is the strain, L is the length of the structure, x is any position of the structure. y represents the distance from the neutral axis of the structure.

본 발명에서 상기 구조물이 외팔보(cantilever) 형태인 경우의 처짐 정도는 하기 수학식과 같이 계산되며,In the present invention, the degree of deflection when the structure is in the form of cantilever is calculated as in the following equation,

Figure 112005016020727-pat00007
Figure 112005016020727-pat00007

Figure 112005016020727-pat00008
Figure 112005016020727-pat00008

여기서, L은 상기 구조물의 측정 길이이고, a는 상기 구조물의 측정 길이에 대하여 부하가 작용하는 점에 대한 임의 측정 길이를 각기 나타낸다.Where L is the measured length of the structure and a represents the arbitrary measured length at which the load acts on the measured length of the structure, respectively.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.Other objects and features of the present invention in addition to the above object will become apparent from the description of the preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템(BOTDA : Brillouin Optical Time Domain Analysis)의 개략적인 블록 구성도를 도시한다. 도 1에 도시된 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템은 구조물(10), 예컨대, 교량, 건축물 및 기계설비 등에 에폭시 접착제(11)에 의해 부착된 광섬유(12)와, 펄스광을 발생하여 광섬유(12)에 펄스광을 공급하는 광원(14)과, 광섬유(12)를 통하여 전파되어 구조물(10)의 거동, 예컨대, 변형에 따라 광섬유(12)에서 발생하는 브릴루앙 산란광을 수광하는 신호 검출부(16)와, 신호 검출부(16)에 수광된 브릴루앙 산란광을 이용하여 구조물의 변형을 측정하고 계산하는 신호 처리부(18)를 구비한다.1 is a schematic block diagram of a Brillouin optical time domain analysis (BOTDA) sensor system according to an embodiment of the present invention. The Brillouin time domain analysis sensor system shown in FIG. 1 includes an optical fiber 12 attached by an epoxy adhesive 11 to a structure 10, for example, a bridge, a building, and a hardware, and generates optical fibers 12 by generating pulsed light. ), A signal detector 16 that propagates through the light source 14 for supplying pulsed light to the optical fiber 12 and receives the Brillouin scattered light generated by the optical fiber 12 due to the behavior of the structure 10, for example, the deformation. And a signal processor 18 for measuring and calculating the deformation of the structure using the Brillouin scattered light received by the signal detector 16.

광원(14)에 의해 발생된 펄스광은 브릴루앙 주파수를 중심으로 하여 주파수가 변화되면서 광섬유(12)에 공급된다. 이와 같은 광원(14)으로는 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 신호 검출부(16)는 광원(14)으로부터 공급된 펄스광에 의해 광섬유(12)로부터 발생되는 브릴루앙 산란광을 수광한다. 이러한 브릴루앙 산란광에는 구조물(10)의 거동, 예컨대, 구조물(10)의 처짐과 같은 변형 정보가 포함되어 있다. 신호 처리부(18)는 신호 검출부(16)에서 수광된 브릴루앙 산란광을 이용하여 구조물(10)의 변형정도를 측정하게 된다. 이러한 신호 처리부(18)는 마이크로프로세서 또는 마이크로프로세서에 의해 동작되는 변형률 측정 프로그램을 포함한다. 본 발명에서 펄스광의 폭은 30ns이고, 주파수는 1MHz 간격으로 스위핑되며, 신호 처리부(18)에서는 샘플링 주파수가 100 MHz로 설정된다.The pulsed light generated by the light source 14 is supplied to the optical fiber 12 while the frequency is changed around the Brillouin frequency. As the light source 14, a laser diode may be used. The signal detector 16 receives the Brillouin scattered light generated from the optical fiber 12 by the pulsed light supplied from the light source 14. Such Brillouin scattered light includes deformation information such as the behavior of the structure 10, for example, the deflection of the structure 10. The signal processor 18 measures the degree of deformation of the structure 10 using the Brillouin scattered light received by the signal detector 16. The signal processor 18 includes a microprocessor or a strain measurement program operated by the microprocessor. In the present invention, the width of the pulsed light is 30 ns, the frequency is swept at intervals of 1 MHz, and the signal processing unit 18 sets the sampling frequency to 100 MHz.

신호 검출부(16)에서, 광섬유(12)에서 나타나는 구조물(10)의 변형률 변화에 따른 브릴루앙 주파수 변화는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.In the signal detector 16, the Brillouin frequency change according to the strain change of the structure 10 appearing in the optical fiber 12 may be expressed by Equation 1 below.

Figure 112005016020727-pat00009
Figure 112005016020727-pat00009

여기서, C는 구조물의 변형률 변화에 대한 브릴루앙 주파수 변화량의 비를 나타내는 변형률 계수이고, νB는 브릴루앙 주파수이고, ∂νB(ε)는 브릴루앙 주파수의 이동, 즉 변화량이며, ∂ε는 변형률의 변화량이다.Where C is the strain coefficient representing the ratio of the change in the Brillouin frequency to the change in the strain of the structure, ν B is the Brillouin frequency, ∂ν B (ε) is the shift in the Brillouin frequency, i.e., the ∂ε is The amount of change in strain.

브릴루앙 산란광을 주파수 영역에서 처리하여 변화되는 브릴루앙 주파수를 측정한 후 수학식 1의 변형률 계수를 이용하면 구조물(10)의 거동에 따라 광섬유(12)가 받고 있는 변형률의 양이 계산될 수 있다. 이때, 구조물(10)의 측정량에 대한 위치 정보는 펄스광을 광섬유(12)에 입사시킨 후 브릴루앙 산란광이 감지되는 시간을 이용하여 측정하게 된다. 여기서, 펄스광의 폭이 광섬유(12)를 따라 진행하는 길이를 펄스 길이라 하면, 신호 검출부(16)에서 브릴루앙 산란광이 감지되는 시점에서는 펄스 길이의 1/2 만큼의 구간에 대한 구조물(10)의 측정량이 관찰될 수 있다. 이 측정 구간이 거리 분해능이 되며, 광섬유(12)의 거리 정보에서는 거리 분해능의 측정값이 수학식 2와 같이 거리 분해능 구간의 변형률을 평균화한 값으로 나타나게 된다.After measuring the Brillouin frequency that is changed by processing the Brillouin scattered light in the frequency domain and using the strain coefficient of Equation 1, the amount of strain received by the optical fiber 12 may be calculated according to the behavior of the structure 10. . In this case, the positional information on the measured amount of the structure 10 is measured by using the time that the Brillouin scattered light is detected after the pulsed light is incident on the optical fiber 12. Here, when the width of the pulsed light travels along the optical fiber 12 as the pulse length, when the Brillouin scattered light is detected by the signal detector 16, the structure 10 for a half length of the pulse length is provided. The measured amount of can be observed. This measurement section becomes the distance resolution, and the distance information of the optical fiber 12 is represented as a value obtained by averaging the strain of the distance resolution section as shown in Equation (2).

Figure 112005016020727-pat00010
Figure 112005016020727-pat00010

여기서, εB는 측정되는 변형률이고, ΔxB는 거리 분해능이며, εx0는 구조물에 분포된 변형률이고,

Figure 112005016020727-pat00011
와
Figure 112005016020727-pat00012
는 구조물에 설치된 광섬유의 양끝단의 위치를 나타낸다.Where ε B is the strain being measured, Δx B is the distance resolution, ε x0 is the strain distributed in the structure,
Figure 112005016020727-pat00011
Wow
Figure 112005016020727-pat00012
Represents the positions of both ends of the optical fiber installed in the structure.

수학식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 측정된 변형률은 거리 분해능 내에서의 평균값으로 표현되기 때문에 측정 영역의 끝부분에서는 차이가 발생하게 된다. 따라서, 광섬유(12)로부터 측정된 변형률은 거리 분해능(ΔxB)의 영역에서 평균한 값이므로, 측정값이 누적되는 실제 구간에 대한 평균값으로 보정하여야 한다. 예컨대, 도 2a에 도시된 3점 굽힘 보(beam)의 구조물(10)의 경우, 측정되는 위치 x가 0인 지점에서 측정 변형률(εB)은 0이 되어야 하지만, 0이 아닌 다른 측정값이 나타나게 된다. 따라서, 도 2b에 도시된 바와 같이 변형률과 위치를 보의 왼쪽과 오른쪽 끝단에서 보정하여야 한다. 왼쪽 끝단과 오른쪽 끝단에서 보정된 변형률과 위치는 각기 수학식 3 및 수학식 4로 표현될 수 있다. As can be seen from Equation 2, since the strain measured by the Brillouin time domain analysis sensor system is expressed as an average value within the distance resolution, a difference occurs at the end of the measurement region. Therefore, since the strain measured from the optical fiber 12 is the average value in the region of the distance resolution Δx B , it should be corrected to the average value for the actual section in which the measured values are accumulated. For example, in the case of the structure 10 of the three-point bent beam shown in FIG. 2A, the measured strain ε B should be zero at the point where the measured position x is zero, but other measured values other than zero Will appear. Therefore, the strain and position should be corrected at the left and right ends of the beam as shown in FIG. 2B. The strains and positions corrected at the left and right ends may be represented by Equations 3 and 4, respectively.

Figure 112005016020727-pat00013
Figure 112005016020727-pat00013

Figure 112005016020727-pat00014
Figure 112005016020727-pat00014

여기서, L은 측정영역의 거리이며, x는 보정이 수행되는 구간의 위치이고, x'는 보정된 위치이다.Where L is the distance of the measurement area, x is the position of the section where the correction is performed, and x 'is the corrected position.

이하에서는 구조물(10)의 양끝단에 대한 위치 보정에 근거하여 구조물(10)의 변형률을 측정하는 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of measuring the strain of the structure 10 based on the position correction of both ends of the structure 10 will be described.

도 3은 도 1에 도시된 브릴루앙 광섬유 센서 시스템을 이용하여 구조물의 변형률을 측정하는 대상이 되는 단순지지 보 형태를 갖는 구조물을 도시한다.FIG. 3 illustrates a structure having a simple support beam shape that is an object of measuring strain of the structure using the Brillouin optical fiber sensor system illustrated in FIG. 1.

도 3에 도시된 단순 지지보(30)의 경우 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 측정 대상인 보(30)의 임의 위치 x에서의 변형률은 전술한 수학식 2와 마찬가지로 아래와 같이 나타낼 수 있다.In the case of the simple support 30 shown in FIG. 3, the strain at an arbitrary position x of the beam 30 to be measured by the Brillouin time domain analysis sensor system may be expressed as follows.

Figure 112005016020727-pat00015
Figure 112005016020727-pat00015

여기서, εB는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 측정되는 보의 변형률이고, ΔxB는 거리 분해능이고,

Figure 112005016020727-pat00016
와
Figure 112005016020727-pat00017
는 보의 양끝단의 위치이고, εx0는 수학식 3과 수학식 4를 이용하여 보정된 것으로 보에 분포된 실제 변형률이고, M(x)는 모멘트이고, E는 보의 탄성계수이고, I는 보의 단면적의 관성 모멘트이며, y는 보의 중립축으로부터의 거리를 나타낸다.Where ε B is the strain of the beam measured by the Brillouin time domain analysis sensor system, Δx B is the distance resolution,
Figure 112005016020727-pat00016
Wow
Figure 112005016020727-pat00017
Is the position of both ends of the beam, ε x0 is the actual strain distributed on the beam as corrected using Equations 3 and 4, M (x) is the moment, E is the elastic modulus of the beam, and I Is the moment of inertia of the cross-sectional area of the beam, and y is the distance from the neutral axis of the beam.

수학식 5를 모멘트 M(x)에 의한 수학식으로 다시 정리하면 다음과 같다.If Equation 5 is rearranged into Equation according to the moment M (x) as follows.

Figure 112005016020727-pat00018
Figure 112005016020727-pat00018

그 다음, 보(30)의 임의 위치 x에서의 보의 처짐 정도는 하기 수학식 7과 같이 계산된다.Then, the degree of deflection of the beam at any position x of the beam 30 is calculated as in Equation 7 below.

Figure 112005016020727-pat00019
Figure 112005016020727-pat00019

수학식 6에 수학식 7을 대입하여 정리하면 하기 수학식 8과 같다.Substituting Equation (7) into Equation (6) yields the following Equation (8).

Figure 112005016020727-pat00020
Figure 112005016020727-pat00020

따라서, 수학식 8에 의해 보(30)의 처짐 정도가 계산될 수 있다.Therefore, the degree of deflection of the beam 30 can be calculated by the equation (8).

수학식 8을 이용하면, 보(30)의 어느 위치에서 보(30)의 처짐이 계산될 수 있다. 예를 들면, 보(30)에서 최대 처짐이 발생하는 부분이 보(30)의 중간부분, 즉 x=L/2 지점이라고 하면, 다음과 같이 계산될 수 있다.Using Equation 8, the deflection of the beam 30 at any position of the beam 30 can be calculated. For example, if the portion where the maximum deflection occurs in the beam 30 is the middle portion of the beam 30, that is, the point x = L / 2, it can be calculated as follows.

Figure 112005016020727-pat00021
Figure 112005016020727-pat00021

그러나, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 보(30)에 분포하는 변형률 값(42)이 실제로는 뾰족한 모양으로 나타나야 하는데 본 발명의 브릴루앙 광섬유 센서 시스템에 의해 측정된 값(44)은 공간상에서 평균화되기 때문에 중간부분이 둥그렇게 나타나 실제 값과의 오차가 생기게 된다.However, as can be seen in FIG. 4, the strain value 42 distributed in the beam 30 should actually appear as a pointed shape, while the value 44 measured by the Brillouin fiber optic sensor system of the present invention is in space. Because it is averaged, the middle part is rounded off, causing an error from the actual value.

정확한 최대변위는 변형률이 실제 값과 측정값이 일치하는 보(30)의 끝 면으로부터 L/4 지점까지의 변형률 측정값을 이용하여 구할 수 있다. 변형률이 잘 일치하는 부분(0≤x≤L/4)의 기울기를 이용하여 정확한 변형률을 추정해보면 하기 수학식 10을 유도할 수 있다.The exact maximum displacement can be obtained by using the strain measurement value from the end face of the beam 30 to the point L / 4 where the strain value matches the actual value. Equation 10 can be derived by estimating the correct strain using the slope of the portion where the strain is well matched (0 ≦ x ≦ L / 4).

Figure 112005016020727-pat00022
Figure 112005016020727-pat00022

수학식 9에 수학식 10의

Figure 112005016020727-pat00023
값을 대입하면 아래와 같이 최대 처짐량을 구할 수 있다.Of Equation 10 to Equation 9
Figure 112005016020727-pat00023
By substituting the values, the maximum deflection can be obtained as follows.

Figure 112005016020727-pat00024
Figure 112005016020727-pat00024

따라서, 최종적으로 브릴루앙 광섬유 센서 시스템을 이용하여 단순지지 보(30)의 끝단으로부터 L/4 지점까지의 변형률 기울기를 구한 후, 수학식 10을 대입한 수학식 9로부터 보(30)의 최대 처짐량을 구할 수 있다.Therefore, after finally obtaining the strain slope from the end of the simple support beam 30 to the L / 4 point by using a Brillouin optical fiber sensor system, the maximum deflection amount of the beam 30 from Equation 9 substituted with Equation 10 Can be obtained.

도 5는 도 1에 도시된 브릴루앙 광섬유 센서 시스템을 이용하여 구조물의 변형률을 측정하는 대상이 되는 외팔보 형태를 갖는 구조물을 도시한다.FIG. 5 illustrates a structure having a cantilever shape that is an object of measuring strain of the structure using the Brillouin optical fiber sensor system illustrated in FIG. 1.

도 5에 도시된 외팔보(50)의 경우 브릴루앙 광섬유 센서 시스템에 의해 측정 대상인 보(50)의 임의 위치 x에서의 변형률은 전술한 수학식 5와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.In the case of the cantilever 50 shown in FIG. 5, the strain at an arbitrary position x of the beam 50 to be measured by the Brillouin optical fiber sensor system is the same as that of Equation 5 described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.

그 다음, 보(50)의 임의 위치 x에서 처짐 정도는 하기 수학식 12와 같이 정의된다.Then, the degree of deflection at any position x of the beam 50 is defined as in Equation 12 below.

Figure 112005016020727-pat00025
Figure 112005016020727-pat00025

여기서, a와 b는 구조물의 측정 길이(L)에 대하여 집중하중(load)(P)이 작용 하는 지점에 대한 임의 측정 길이를 각기 나타낸다.Here, a and b represent arbitrary measurement lengths at the point where the load P acts on the measurement length L of the structure, respectively.

이때, 임의 위치 x에서의 모멘트는 단순지지 보(30)의 경우에서와 마찬가지로 수학식 6을 수학식 12에 대입하면, 변형률과 처짐 정도의 관계식을 구할 수 있다.In this case, as in the case of the simple support beam 30, the moment at an arbitrary position x can be obtained by substituting Equation 6 into Equation 12 to obtain a relationship between strain and deflection.

Figure 112005016020727-pat00026
Figure 112005016020727-pat00026

따라서, 수학식 13에 의해 보(50)의 처짐 정도가 계산될 수 있다.Therefore, the degree of deflection of the beam 50 can be calculated by the equation (13).

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템을 이용한 구조물의 변형 측정 방법은 구조물의 실제 측정 구간에서 측정된 값으로 보정이 수행됨으로써 보다 정확한 구조물의 변형 정도를 측정하는 것이 가능하다. As described above, in the deformation measurement method of a structure using a Brillouin time domain analysis sensor system according to an embodiment of the present invention, the correction is performed to a value measured in an actual measurement section of the structure, thereby measuring a more accurate degree of deformation of the structure. It is possible.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.

Claims (7)

브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법에 있어서,In the method of measuring the deflection of a structure using a Brillouin time domain analysis sensor, 광원으로부터 생성되는 펄스광을 브릴루앙 주파수를 중심으로 변화시키면서 상기 구조물의 측정 구간을 따라 배치된 광섬유에 공급하는 단계와;Supplying pulsed light generated from a light source to an optical fiber disposed along a measurement section of the structure while varying about a Brillouin frequency; 상기 광섬유로부터 발생되는 브릴루앙 산란광을 수광하는 단계와;Receiving a Brillouin scattered light generated from the optical fiber; 상기 브릴루앙 산란광을 주파수 영역에서 처리하여 상기 구조물의 변형에 대한 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 측정하는 단계와;Processing the Brillouin scattered light in a frequency domain to measure an amount of change in Brillouin frequency of the optical fiber with respect to deformation of the structure; 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 이용하여 상기 광섬유에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률을 계산하는 단계 및;Calculating a strain of the structure measured by the optical fiber by using an amount of change in a Brillouin frequency of the optical fiber; 상기 계산된 구조물의 변형률과 상기 구조물의 실제 측정 길이인 양 끝단의 위치를 보정하면서 상기 구조물의 임의 위치(x)에서 상기 구조물의 처짐 정도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.Brillouin time domain comprising calculating the degree of deflection of the structure at any position (x) of the structure while correcting the calculated strain of the structure and the position of both ends, which is the actual measured length of the structure. Method for measuring the deflection of a structure using an analytical sensor. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 구조물은 단순 지지보 형태의 구조물인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.The structure is a deflection measurement method of the structure using a Brillouin time domain analysis sensor, characterized in that the structure of the simple support beam form. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 구조물은 외팔보(cantilever) 형태의 구조물인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.The structure is a deflection measurement method of the structure using a Brillouin time domain analysis sensor, characterized in that the cantilever-shaped structure. 제 2 항 또는 제3 항에 있어서,The method according to claim 2 or 3, 상기 브릴루앙 시간 영역 해석 센서에 의해 측정된 상기 구조물의 변형률은 하기 수학식과 같이 정의되며,The strain of the structure measured by the Brillouin time domain analysis sensor is defined as in the following equation,
Figure 112005061136624-pat00027
Figure 112005061136624-pat00027
 여기서, εB는 상기 브릴루앙 시간 영역 해석 센서에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률이고, ΔxB는 거리 분해능이고,
Figure 112005061136624-pat00028
와
Figure 112005061136624-pat00029
는 상기 구조물의 양끝 단의 위치이고, εx0는 상기 구조물의 양 끝단 위치에서의 보정을 통한 상기 구조물에 분포된 실제 변형률이고, M(x)는 모멘트이고, E는 상기 구조물의 탄성계수이고, I는 상기 구조물의 단면적의 관성 모멘트이며, y는 상기 구조물의 중립축으로부터의 거리를 나타내는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.Where ε B is the strain of the structure measured by the Brillouin time domain analysis sensor, Δx B is the distance resolution,
Figure 112005061136624-pat00028
Wow
Figure 112005061136624-pat00029
Is the position of both ends of the structure, ε x0 is the actual strain distributed in the structure through correction at both ends of the structure, M (x) is the moment, E is the elastic modulus of the structure, I is a moment of inertia of the cross-sectional area of the structure, and y represents a distance from the neutral axis of the structure, the deflection measurement method of the structure using a Brillouin time domain analysis sensor. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 보정된 변형률과 보정된 위치는 아래의 수학식과 같으며,The corrected strain and corrected position is as shown in the following equation,
Figure 112005061136624-pat00030
,
Figure 112005061136624-pat00030
,
Figure 112005061136624-pat00031
Figure 112005061136624-pat00031
 여기서, L은 상기 구조물의 측정 길이이며, x는 상기 구조물의 임의 위치이고, x'는 보정된 위치인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.Wherein L is the measured length of the structure, x is an arbitrary position of the structure, and x 'is a calibrated position. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 구조물의 처짐 정도는 하기 수학식과 같이 계산되며,The degree of deflection of the structure is calculated as in the following equation,
Figure 112005061136624-pat00032
Figure 112005061136624-pat00032
 여기서, v는 처짐량이며, ε는 변형률이며, L은 구조물의 길이이며, x는 구조물의 임의의 위치이고. y는 구조물의 중립축으로 부터의 거리를 나타내는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.Where v is the amount of deflection, ε is the strain, L is the length of the structure, x is any position of the structure. A method for measuring deflection of a structure using a Brillouin time domain analysis sensor, wherein y represents a distance from a neutral axis of the structure. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 구조물의 처짐 정도는 하기 수학식과 같이 계산되며,The degree of deflection of the structure is calculated as in the following equation,
Figure 112005061136624-pat00033
,
Figure 112005061136624-pat00033
,
Figure 112005061136624-pat00034
Figure 112005061136624-pat00034
 여기서, M은 모멘트이고, E는 상기 구조물의 탄성계수이고, I는 상기 구조물의 단면적의 관성 모멘트이며, L은 상기 구조물의 측정 길이이고, a는 상기 구조물의 측정 길이에 대하여 집중하중(P)이 작용하는 지점에 대한 임의 측정 길이를 각기 나타내는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.Where M is the moment, E is the elastic modulus of the structure, I is the moment of inertia of the cross-sectional area of the structure, L is the measured length of the structure, and a is the concentrated load (P) over the measured length of the structure. A method for measuring the deflection of a structure using a Brillouin time domain analysis sensor, wherein the arbitrary measurement length for each of the acting points is shown.
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