KR100730387B1 - 변형률 측정용 광섬유 격자 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 변형률 측정에 사용되는 광섬유 격자를 피측정물 표면에 설치하기 위한 광섬유 격자 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유 격자를 포함하는 광섬유를 보호용 케이스 내부에 넣음으로써 광섬유 격자를 반영구적으로 고정 및 보호할 수 있도록 하는 기술을 개시한다. 이러한 본 발명은 피측정물의 변형률을 측정하기 위한 광섬유 격자와, 광섬유 격자를 포함하는 광섬유의 양단에 부착되어 광섬유를 고정시키며, 피측정물의 표면에 부착되는 고정기구부와, 광섬유의 외관을 감싸도록 형성되어 고정기구부의 내측에 끼워지는 형태로 결합 되는 보호관, 및 광섬유에 일정량의 변형률이 인가된 상태에서 고정기구부 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있도록 고정기구부의 상부에 체결되며, 고정기구부와 보호관의 상부 및 측면을 모두 감싸도록 형성된 상부고정덮개를 포함한다.
광섬유 센서, 변형률, 광섬유 격자, 상부고정덮개
Description
도 1은 본 발명에 따른 변형률 측정용 광섬유 격자 센서가 피측정물의 표면에 설치된 상태를 나타낸 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 변형률 측정용 광섬유 격자 센서의 전체 조립상태를 도시한 사시도.
도 3은 도 2의 고정기구부 내부에서 광섬유 고정점을 나타내는 상세 측면도.
도 4a 및 도 4b는 두 고정기구부 사이의 변형률 측정 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 변형률 측정용 광섬유 격자 센서의 상부고정덮개를 고정한 전체 조립상태를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 변형률 측정용 광섬유 격자 센서에서 온도 보상용 광섬유 격자 센서가 추가된 전체 조립상태를 도시한 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100a,100b : 고정기구부 110,111a,111b : 나사공
120a,120b : 하부 보조판 130a~130d : 하부 보조판 고정 조임볼트
200 : 보호관 210a,210b : 원형관
300,301 : 광섬유 격자 310 : 광섬유 고정점
400 : 상부 고정 덮개 410a,410b : 상부덮개 고정 조임볼트
411a,411b : 나사공
본 발명은 변형률 측정에 사용되는 광섬유 격자(Fiber Bragg Grating)를 피측정물 표면에 설치하기 위한 광섬유 격자 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유 격자를 포함하는 광섬유를 보호용 케이스 내부에 모두 넣어 패키징함으로써 광섬유 격자를 반영구적으로 고정 및 보호하도록 하는 기술이다.
광섬유 격자는 광섬유 코어(Core)에 자외선 광을 조사하여 일정 간격으로 굴절율 변화를 유도한 것으로, 특정 파장(브래그 파장)의 광만을 선택적으로 반사하며, 격자 간격에 의해 반사되는 광의 파장이 변화하는 특성이 있다. 이러한 특성을 이용해서 외부 응력에 의해 격자 간격이 변화할 때 반사광의 파장변화를 관측하여 격자 간격의 변화, 즉 변형률을 측정할 수 있다.
상기 광섬유 격자는 감지부가 광섬유 내부에 일체로 형성되므로 다른 광섬유 센서와 달리 부가적인 구조가 필요 없으며, 제조 방법이 간단하다는 장점을 가진다. 또한, 정확도 및 신호 안정성이 뛰어나고, 전자기파의 영향을 받지 않고, 물리적인 특성이 우수하여 구조물 안전 진단 분야에서 기존의 전기 저항식 스트레인 게이지를 대체해가고 있는 우수한 변형률 측정 소자이다.
그러나, 광섬유 격자 자체는 단위면적당 인장력이 매우 높은 반면에, 지름이 125㎛로 매우 작고, 기본적으로 유리(실리카) 재질이기 때문에 외부의 충격에 쉽게 파손될 수 있어 건물이나 교각 등의 피측정물에 부착될 시에는 매우 섬세한 작업이 요구된다. 따라서, 부착시에 파손되거나, 부착 후에도 외부 충격 등에 의해서 파손될 가능성이 매우 높다. 이러한 문제점으로 인해서 광섬유 격자는 우수한 측정 능력에도 불구하고 설치 및 취급이 까다로워 산업 현장에서 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.
종래에는 이러한 광섬유 격자를 설치할 시, 피측정물에 직접 접착제로 부착하여 사용하거나, 각 사용자가 임의의 형태로 패키징을 하여 설치함에 따라 각종 외부 환경요인이나 외부충격에 광섬유 격자 센서가 노출되어 있었다. 이로 인해 광섬유 격자 센서가 파손되거나, 잘못된 변형률 값이 측정될 뿐만 아니라, 토목구조물의 상시감시와 계측시스템을 유지 보수하는 데에도 많은 어려움이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 다음과 같은 목적을 갖는다.
첫째, 상부고정덮개를 이용하여 초기 변형률을 인가한 상태에서 광섬유 센서를 피측정물에 부착하여 광섬유 격자 센서 자체의 비틀림 등을 방지함으로써 부가적인 변형률의 변화가 발생하지 않도록 하는데 그 목적이 있다.
둘째, 광섬유 격자를 포함하는 보호관 및 고정기구부를 상부고정덮개 내부에 모두 넣어 패키징함으로써 광섬유 격자를 더욱더 견고하게 보호할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
셋째, 상부고정덮개를 통해 센서 외부로 파손되기 쉬운 광섬유 격자 및 광섬유가 노출되지 않도록 하여 작업의 편리성 및 센서의 운반, 보관이 용이하도록 하는데 그 목적이 있다.
넷째, 비전문가라도 광섬유 격자 센서가 정확한 측정을 할 수 있도록 손쉽게 설치할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
다섯째, 고가인 광섬유 격자 센서를 다른 곳에서도 계속하여 재사용할 수 있도록 장착 및 탈착이 용이한 구조의 광섬유 격자 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
여섯째, 상시적인 측정이 요구되는 경우에는 한 번 설치한 후 반영구적으로 피측정물에 고정 및 보호되도록 하는 광섬유 격자 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 변형률 측정용 광섬유 격자 센서는, 피측정물의 변형률을 측정하기 위한 광섬유; 광섬유의 양단에 부착되어 광섬유를 구부러짐 없이 당겨진 상태로 고정시키는 제 1고정기구부 및 제 2고정기구부를 포함하며, 광섬유의 일단과 연결된 제 1고정기구부는 피측정물의 표면에 고정되고, 광섬유의 다른 일단과 연결된 제 2고정기구부는 광섬유에 일정량의 사전 변형률을 인가하기 위해 광섬유의 길이 방향으로 이동되는 고정기구부; 광섬유의 외관을 감싸도록 형성되어 고정기구부에 결합되는 보호관; 고정기구부 내측에 형성되어 보호관이 결합되는 원형관; 고정기구부가 피측정물의 표면에 부착되기 이전에 광섬유에 일정량의 사전 변형률을 인가한 상태에서 고정기구부 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있도록 고정기구부의 상부에 체결되고, 보호관과 고정기구부의 상측 및 양측 면을 감싸도록 형성되며, 광섬유의 길이 방향으로 나사홈의 크기가 연장된 형태의 나사공을 포함하여 나사공에 삽입되는 상부덮개 고정 조임볼트의 위치 조정을 통해 사전 변형률을 인가한 상태에서 고정기구부와 고정되는 상부고정덮개; 및 고정기구부에 고정되어 접착제를 통해 피측정물 표면에 부착되는 하부 보조판을 포함하고, 고정기구부 내부에서 광섬유가 고정기구부에 부착되는 면적의 길이(B)는 고정기구부가 피측정물과 부착되는 면적의 길이(A) 보다 짧은 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하고자 한다.
본 발명은 건물이나 교량과 같은 피측정물의 변형률을 측정하기 위한 광섬유 격자 센서에 관한 것으로, 도 1은 본 발명에 따른 변형률 측정용 광섬유 격자 센서가 피측정물의 표면에 설치된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 외관 구조는 고정기구부(100a,100b)와, 광섬유 격자를 그 내부에 구비하는 보호관(200)과, 원형관(210a,210b), 상부고정덮개(400) 및 상부 덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 포함한다.
여기서, 두 개의 고정기구부(100a,100b)는 보호관(200)을 기준으로 하여 양쪽에 고정되어 그 하부의 피측정물(500)과 부착된다. 여기서, 광섬유와 고정기구부(100a,100b)는 고착재를 사용하여 서로 부착된다. 그리고, 보호관(200)은 광섬유의 외관을 감싸도록 형성되며, 두 개의 고정기구부(100a,100b) 내측에 형성된 원형관(210a,210b)에 끼워지는 형태로 고정기구부(100a,100b)와 결합되어 광섬유 격자(300)를 보호하도록 한다. 또한, 상부 고정덮개(400)는 상부덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 통해 광섬유 센서가 고정된 두 개의 고정기구부(100a,100b)와 결합된다.
이러한 구성을 갖는 본 발명은 광섬유 센서의 설치 이후에 상부 덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 풀어 고정기구부(100a,100b)에서 상부고정덮개(400)가 제 거된 상태를 나타낸다.
여기서, 상부고정덮개(400)가 제거되면 두 개의 고정기구부(100a,100b) 사이에 광섬유 격자를 포함하는 보호관(200) 만이 연결되어 있으므로 피측정물(500)의 두 지점에서의 변형률이 광섬유 격자 센서에 그대로 전달되고 측정된다.
도 2는 도 1의 양쪽 고정기구부(100a,100b)와 보호관(200)에 광섬유 격자(300)가 부착된 상태를 나타낸 전체 조립 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 외관 구조는 고정기구부(100a,100b)와, 나사공(110), 하부 보조판(120a,120b), 하부 보조판 고정 조임볼트(130a~130d), 보호관(200), 원형관(210a,210b), 광섬유 격자(300), 광섬유 고정점(310), 상부고정덮개(400) 및 상부 덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 포함한다.
여기서, 하부 보조판(120a,120b)과 고정기구부(100a,100b)에는 전체 센서를 피측정물(미도시) 표면에 나사를 사용하여 부착하기 위해서 나사공(110)이 형성된다. 나사를 사용하여 피측정물에 고정기구부(100a,100b)를 직접 고정하기 어려운 경우에 하부 보조판(120a,120b)을 사용하게 된다. 나사공(110)을 통해 하부 보조판 고정 조임볼트(130a~130d)가 삽입되어 하부 보조판(120a,120b)과 고정기구부(100a,100b)가 고정된다. 그리고, 하부 보조판(120a,120b)을 피측정물에 부착한다.
광섬유 격자 센서를 피측정물에 부착하기 위해서는 피측정물의 종류나 계측기간에 따라 부착 방법을 달리할 수 있다. 나사홈을 만들 수 있는 피측정물의 경 우에는 하부 보조판(120a,120b)과 고정기구부(100a,100b)의 나사공(110)을 사용해서 광섬유 격자 센서를 부착한다.
또한, 나사홈을 만들 수 없는 피측정물의 경우에는 에폭시 등과 같은 접착제를 하부 보조판(120a,120b)에 바르고 피측정물에 부착시킨다. 나사볼트를 사용하여 센서를 부착한 경우에는 측정 완료 후 쉽게 센서를 탈착할 수 있어, 다른 곳에 계속적으로 재사용할 수 있고, 장기계측, 단기계측에 상관없이 사용될 수 있다.
그리고, 상부고정덮개(400)의 양측 상부에는 나사공(411a,411b)이 형성되고, 나사공(411a,411b)과 고정기구부(100a,100b)의 상측에 형성된 나사공(111a,111b)을 통해 상부 덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)가 삽입되어 상부고정덮개(400)가 보호관(200)과 고정기구부(100a,100b)를 모두 씌우도록 고정기구부(100a,100b)와 조립된다. 보호관(200)의 내부에는 광섬유 격자(300)를 포함하는 광섬유가 구비된다.
여기서, 상부고정덮개(400)의 일측에 형성된 나사공(411a)은 상부 덮개 고정 조임 볼트(410a)가 바로 삽입되어 고정될 수 있도록 원형 나사홈 형태로 형성된다. 그리고, 광섬유에 인가되는 사전 변형률을 조절하기 위해 고정기구부(100b)의 위치가 광섬유의 길이 방향으로 이동된다. 즉, 광섬유의 일단과 연결된 고정기구부(100a)는 피측정물에 고정되고, 광섬유의 다른 일단과 연결된 고정기구부(100b)는 광섬유의 길이 방향으로 이동하게 된다.
이에 따라, 상부고정덮개(400)의 다른 일측에 형성된 나사공(411b)은 이동된 고정기구부(100b)의 위치에 대응하여 상부 덮개 고정 조임 볼트(410b)가 유동적으로 삽입될 수 있도록 나사홈의 크기가 광섬유의 길이 방향으로 연장되어 타원형 형 태로 형성된다.
상술된 고정기구부(100a,100b)와, 하부 보조판(120a,120b)과, 보호관(200)과, 원형관(210a,210b) 및 상부고정덮개(400)의 재료는 금속, 스테인리스 금속, 플라스틱, 복합재료 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 갖는 본 발명은 고정기구부(100a,100b) 또는 하부 보조판(120a,120b)에 고착재를 사용하여 광섬유 격자 센서의 양쪽을 피측정물 표면에 각각 부착한다. 그리고, 양쪽 고정기구부(100a,100b) 사이의 간격이 증가하게 되면 광섬유 격자 센서의 변형률이 증가하게 된다.
또한, 두 고정기구부(100a,100b)를 연결하는 광섬유 격자 센서를 보호하기 위해, 광섬유가 보호관(200) 내부에 위치하도록 하여 보호관(200)을 두 고정기구부(100a,100b)의 내측에 형성된 원형관(210a,210b)에 끼워 결합시킨다. 그리고, 광섬유 격자(300)를 포함하는 광섬유는 고정기구부(100a,100b)에 접착제를 통해 부착된다. 여기서, 접착제로는 에폭시 수지 등이 사용되는 것이 바람직하다.
이때, 광섬유를 고정기구부(100a,100b)에 에폭시 수지 등으로 고정할 때, 양쪽에 고정된 광섬유가 구부러짐이 없이 약한 힘으로 당겨진 상태에서 고정기구부(100a,100b)와 광섬유 고정점(310)을 고정한다.
그리고, 양쪽 고정기구부(100a,100b)는 오직 광섬유에 의해서만 연결되어 있고, 보호관(200)은 광섬유를 보호하도록 두 고정기구부(100a,100b) 사이의 원형관(210a,210b)에 끼워져 있을 뿐 고정기구부(100a,100b)에 고정되어 있지 않으므로 광섬유 격자 센서에 모든 변형률 값이 인가된다.
광섬유 격자 센서에서 변형률의 수축을 측정하기 위해서는, 광섬유 격자 센서가 피측정물에 설치되기 전에 광섬유 격자 센서에 예측되는 수축 변형률보다 큰 변형률을 광섬유에 미리 인가한 상태에서 피측정물에 부착하여야 한다. 이러한 센서를 피측정물에 부착하기 이전에 광섬유 격자 센서에 변형률을 인가하는 장치가 상부고정덮개(400)이다.
상부고정덮개(400)를 통해 두 고정기구부(100a,100b)에 상부덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 삽입함으로써 변형률 수축 측정에 필요한 사전 변형률을 미리 인가한 후 센서를 피측정물에 고정한다.
그리고, 일정량의 사전 변형률이 인가된 광섬유 격자 센서를 피측정물에 부착한 이후에, 상부고정덮개(400)에 삽입된 상부덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 풀어 상부고정덮개(400)를 제거한다. 이에 따라, 피측정물에 고정된 두 고정기구부(100a,100b) 사이에 인가된 변형률의 힘이 오직 광섬유 격자 센서에만 인가된다.
또한, 상부고정덮개(400)는 보호관(200)과 고정기구부(100a,100b)의 상측 및 양쪽 면을 완전히 감싸도록 정면도 상에서 "ㄷ" 자 형태로 구현된다. 이에 따라, 광섬유가 고정된 두 고정기구부(100a,100b)가 상부고정덮개(400)의 한 몸체 안에 보호되므로 광섬유 격자 센서를 피측정물에 설치시 취급 부주의로 발생할 수 있는 외부 충격 등을 더욱더 견고하게 2중으로 보호해주는 역할을 한다.
이와 더불어, 센서를 피측정물의 표면에 설치한 이후에 상부고정덮개(400)를 분리 가능하도록 하여 운반 및 보관이 용이하도록 한다. 또한, 두 고정기구부(100a,100b)를 상부덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 통해 고정하여 상부고정덮 개(400)가 두 고정기구부(100a,100b)와 완전히 밀착하게 되므로, 두 고정기구부(100a,100b)의 비틀림을 방지할 수 있게 된다. 이에 따라, 센서의 설치시에 수평 상태를 정확하게 유지하여 광섬유 격자 센서 자체의 비틀림 등에 의해 부가적인 변형률의 변화가 전혀 발생하지 않게 된다.
한편, 광섬유 격자 센서가 피측정물에 설치되고, 광섬유 격자 센서를 다른 피측정물에 재사용하기 위해서 센서의 부착과 탈착이 용이하도록 하는 장치가 필요한데, 이러한 장치가 하부 보조판(120a,120b)이다.
하부 보조판(120a,120b)은 양쪽 두 고정기구부(100a,100b)의 아랫부분에 형성되어, 나사공(110)을 통한 하부 보조판 고정 조임볼트(130a~130d)를 이용하여 단단히 고정된다. 이 하부 보조판(120a,120b)을 용접이나 순간접착제를 이용하여 피측정물에 부착한다.
그리고, 피측정물의 변형률 측정이 완료된 후에 광섬유 격자 센서를 탈착하기 위해서는 하부 보조판(120a,120b)에 고정한 하부 보조판 고정 조임볼트(130a~130d)를 풀어 광섬유 격자 센서만 분리하게 되므로 영구적으로 재사용이 가능하게 된다.
또한, 광섬유 격자 센서를 탈착하기 전에 상부고정덮개(400)를 고정기구부(100a,100b)에 미리 고정한 후 센서를 탈착하게 되면 설치 전 상태를 그대로 유지할 수 있으며 탈착 후 취급 부주의 또는 외부 충격에 따른 손상을 방지할 수 있게 된다.
여기서, 상부고정덮개(400)는 상부덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 통해 고정기구부(100a,100b)에 체결되어 있으므로 센서의 탈착을 위해 쉽게 개폐가 가능하다.
도 3은 도 2의 고정기구부(100a,100b) 내부에서 광섬유 고정점(310)을 나타내는 상세 측면도이다.
도 3에서와 같이, 고정기구부(100a)가 피측정물과 부착되는 면적의 길이가 "A"라고 하면, 고정기구부(100a)의 내부에서 광섬유가 부착되는 면적의 길이는 "B"가 되며, 여기서, 길이 "B"는 길이 "A"의 절반(1/2) 값이 된다.
즉, 광섬유가 고정기구부(100a)의 전체에 고정되어 있을 경우 피측정물의 종류 또는 초기 변형률에 따라 스케일 요소(Scale Factor)가 달리 적용될 수 있다. 하지만, 본 발명은 광섬유가 고정기구부(100a)의 전체에 고정되어 있는 것이 아니라 중간지점(B)부터 고정되어 있게 되어 변형률이 인가되는 방향과 나란한 방향으로 광섬유가 부착되는 길이를 줄이도록 한다. 이에 따라, 광섬유가 고정기구부(100a)와 부착되는 표면의 상태에 대한 오차 요인을 줄임으로써 피측정물의 종류와 상관없이 동일한 스케일 요소(Scale Factor)가 적용될 수 있도록 한다.
도 4a 및 도 4b는 두 고정기구부 사이의 변형률 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
변형률을 측정하기 위해서는 광섬유 격자 센서에서 실제 측정되는 파장 값을 변형률 값으로 환산해 주어야 한다. 이렇게 변형률 값을 환산하기 위해서 필요한 스케일 요소는 각 센서들의 고유한 특성이므로 실제 피측정물에 부착하기 전에 미리 측정하여 제시해 주어야 한다. 이때, 광섬유 격자 센서로 변형률을 측정하기 위해서는 광섬유가 고정된 양측 고정기구부(100a,100b) 사이의 거리를 정확히 알아야 한다.
변형률 ε는 다음과 같이 정의된다.
여기서, L은 양측 고정기구부(100a,100b)가 고정되는 두 지점의 초기 길이이고, △L은 양측 고정기구부(100a,100b)의 이동거리이다. 이때, 광섬유 격자 센서의 파장 변화량을 측정하면 스케일 요소를 얻을 수 있다.
광섬유 부위의 변형률 ε는 브래그 격자에 의해 측정되며, 변형을 받는 부위는 동일한 변형률 ε가 적용된다. 그런데, 스케일 요소를 측정할 때 변형률 ε의 값과, 센서가 실제 구조물에 부착되었을 때 피측정물의 변형률 ε' 값이 차이가 발생할 수 있다. 즉, 광섬유를 고정기구부(100a,100b)의 광섬유 고정점(310)에 부착시, 고정지점에 따라 변형률 ε의 값이 다르게 측정될 수 있다.
이에 따라, 피측정물의 변형률 ε'이 광섬유의 변형률 ε와 동일하기 위해서는 변형을 받은 광섬유의 길이 L과 피측정물에 고정되는 고정기구부(100a,100b) 사이의 거리 L'가 동일해야 한다.
본 발명은 고정기구부(100a,100b)에 광섬유가 고정되는 부분(B)을 바닥면(A)과 단층을 두어 중간지점 즉, 광섬유 고정점(310)을 통해 광섬유를 고정하도록 한다. 따라서, 도 4b에서와 같이 피측정물에 균열(Crack)(C)이 발생하더라도 피측정물의 특성과 상태에 무관하게 고정기구부(100a,100b) 사이의 길이(L=L')를 동일하 게 적용할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 상부고정덮개(400)에 형성된 나사공(411b)을 통해 상부덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)의 위치를 조절함으로써 고정기구부(100a,100b) 사이의 길이를 항상 동일하게 유지할 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명에 따른 변형률 측정용 광섬유 격자 센서의 고정기구부(100a,100b)와 상부고정덮개(400)를 상부덮개 고정 조임 볼트(410a,410b)를 통해 고정한 상태를 도시한 사시도이다.
광섬유 격자 센서가 피측정물에 설치되기 이전에 광섬유 격자 센서에 일정량의 사전 변형률을 미리 인가해야 한다. 이를 위해, 상부고정덮개(400)의 일측에 형성된 나사공(411a)을 상부덮개 고정 조임 볼트(410a)를 통해 고정기구부(100a)에 고정하고 일정량의 변형률을 인가한다.
이 상태에서 상부덮개 고정 조임볼트(410b)를 통해 상부고정덮개(400)의 나머지 다른 지점을 고정기구부(100a)에 고정한다. 이때, 상부고정덮개(400)는 보호관(200)과 고정기구부(100a,100b)의 상부 및 측면을 완전히 감싸도록 고정기구부(100a,100b)에 체결된다.
따라서, 광섬유 격자(300)를 포함하는 광섬유가 외부로부터 완전히 보호되며, 상부고정덮개(400)의 밖으로 노출되어 있지 않아 운반, 및 보관이 용이하다. 또한, 산업 현장의 구조물에 설치하는 경우 파손 우려가 있는 광섬유가 외부에 전혀 노출되어 있지 않아 설치 및 사용이 용이하다. 또한, 장기간 사용시에도 외부 충격에 의해서 파손될 문제가 없다.
도 6은 본 발명에 따른 변형률 측정용 광섬유 격자 센서에서 온도 보상용 광섬유 격자 센서가 추가된 전체 조립 상태를 도시한 사시도이다.
광섬유 격자 센서를 하나의 장소에 지속적으로 설치하기 위한 장기 계측에서는 변형률의 측정이 온도에 의해 영향을 받기 때문에 온도 변화량을 측정하여 보상해 주어야 실제 변형률을 측정할 수 있다.
즉, 광섬유 격자(300)는 변형률뿐만 아니라 주위 온도에 의해서도 파장이 변화되기 때문에 장기계측에서는 온도 보정이 필수적으로 요구된다. 온도 보정을 위해서 반사 파장(브래그 파장)이 다른 온도 보상용 광섬유 격자(301)를 추가로 사용하여 외부 온도 변화에 따른 오차를 원천적으로 보정할 수 있다.
이러한 광섬유 격자 센서를 제작하기 위한 목적으로 고정기구부(100a,100b) 사이에 연결된 광섬유 격자(300)와는 별도로, 광섬유 격자(300)와 직렬로 연결된 광섬유 격자(301)를 포함한다.
즉, 하나의 광섬유 격자(300)는 변형률을 측정하기 위해서 고정기구부(100a,100b) 사이에 부착된다. 그리고, 다른 하나의 광섬유 격자(301)는 온도에만 반응할 수 있도록 두 고정기구부(100a,100b)의 바깥 지점에 설치되어 변형률에 영향을 받지 않도록 하며, 센서의 어느 표면에도 부착되지 않은 자유 상태로 설치된다.
이상의 실시예에 따른 본 발명은, 광섬유 격자(300)를 포함하는 광섬유 격자 센서가 보호관(200) 내부에 위치되고, 보호관(200)의 외부에 상부고정덮개(400)가 패키징되어 외부충격에 의해서 파손되기 쉬운 광섬유 격자 부분이 외부로 노출되지 않도록 한다. 이에 따라, 센서의 설치작업이 보다 용이해지고, 설치 후 파손의 우려도 적어 장기간의 사용이 가능해지며, 탈착 및 장착성이 좋아 반복적인 재사용도 가능하도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 상부고정덮개를 이용하여 초기 변형률을 인가한 상태에서 광섬유 센서를 피측정물에 부착하여 광섬유 격자 센서 자체의 비틀림 등을 방지함으로써 부가적인 변형률의 변화가 발생하지 않도록 한다.
둘째, 광섬유 격자를 포함하는 보호관 및 고정기구부를 상부고정덮개 내부에 모두 넣어 패키징함으로써 광섬유 격자를 더욱더 견고하게 2중으로 보호할 수 있도록 한다.
셋째, 상부고정덮개를 통해 센서 외부로 파손되기 쉬운 광섬유 격자 및 광섬유가 노출되지 않도록 하여 작업의 편리성 및 센서의 운반, 보관이 용이하도록 한다.
넷째, 본 발명에 따른 광섬유 격자 센서는 사용이 간편하고 작업성이 뛰어나기 때문에 비전문가일 경우에도 설치시 취급이 까다로운 광섬유 격자 센서를 용이하게 설치할 수 있으며, 설치된 후에도 파손의 우려가 없어 외부 충격으로부터 광섬유 센서를 안전하게 보호할 수 있다.
다섯째, 고가인 광섬유 격자 센서를 다른 곳에서도 계속하여 재사용할 수 있도록 장착 및 탈착이 용이하도록 하여 경제적인 효과를 얻을 수 있다.
여섯째, 상시적인 측정이 요구되는 경우에는 한 번 설치한 후 반영구적으로 피측정물에 고정 및 보호되도록 하는 광섬유 격자 센서를 제공하도록 한다.
일곱째, 광섬유 센서의 설치 시간과 비용이 절감되고, 종래의 외부 요인에 따라 잘못된 측정값이 얻어지는 폐단이 방지된다.
여덟째, 토목 구조물의 상시 안전계측을 가능하게 할 뿐만 아니라, 정기 안전점검 때마다 전기식 스트레인 게이지를 매번 설치해야 했던 번거로움을 해소할 수 있다.
아홉째, 실제 산업 현장에서 광섬유 센서의 적용 범위를 확대하고, 구조물의 안전 관리에 사용될 경우 막대한 재산과 인명 피해가 발생하는 구조물의 파괴를 미연에 경고할 수 있고, 구조물의 유지 및 보수비용을 절감할 수 있는 효과를 제공한다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
Claims (18)
- 피측정물의 변형률을 측정하기 위한 광섬유;상기 광섬유의 양단에 부착되어 상기 광섬유를 구부러짐 없이 당겨진 상태로 고정시키는 제 1고정기구부 및 제 2고정기구부를 포함하며, 상기 광섬유의 일단과 연결된 상기 제 1고정기구부는 피측정물의 표면에 고정되고, 상기 광섬유의 다른 일단과 연결된 상기 제 2고정기구부는 상기 광섬유에 일정량의 사전 변형률을 인가하기 위해 상기 광섬유의 길이 방향으로 이동되는 고정기구부;상기 광섬유의 외관을 감싸도록 형성되어 상기 고정기구부에 결합되는 보호관;상기 고정기구부 내측에 형성되어 상기 보호관이 결합되는 원형관;상기 고정기구부가 상기 피측정물의 표면에 부착되기 이전에 상기 광섬유에 일정량의 사전 변형률을 인가한 상태에서 상기 고정기구부 사이의 거리를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 고정기구부의 상부에 체결되고, 상기 보호관과 상기 고정기구부의 상측 및 양측 면을 감싸도록 형성되며, 상기 광섬유의 길이 방향으로 나사홈의 크기가 연장된 형태의 나사공을 포함하여 상기 나사공에 삽입되는 상부덮개 고정 조임볼트의 위치 조정을 통해 상기 사전 변형률을 인가한 상태에서 상기 고정기구부와 고정되는 상부고정덮개; 및상기 고정기구부에 고정되어 접착제를 통해 상기 피측정물 표면에 부착되는 하부 보조판을 포함하고,상기 고정기구부 내부에서 상기 광섬유가 상기 고정기구부에 부착되는 면적의 길이(B)는 상기 고정기구부가 상기 피측정물과 부착되는 면적의 길이(A) 보다 짧은 것을 특징으로 하는 변형률 측정용 광섬유 격자 센서.
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- 제 1항에 있어서, 온도 변화에 의한 오차를 보상하기 위한 온도 보상용 광섬유 격자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변형률 측정용 광섬유 격자 센서.
- 제 15항에 있어서, 상기 온도 보상용 광섬유 격자는 상기 광섬유 격자와 직렬로 연결됨을 특징으로 하는 변형률 측정용 광섬유 격자 센서.
- 제 15항 또는 제 16항에 있어서, 상기 온도 보상용 광섬유 격자는 상기 고정기구부의 바깥 지점에 설치됨을 특징으로 하는 변형률 측정용 광섬유 격자 센서.
- 제 1항에 있어서, 상기 고정기구부, 상기 보호관 및 상기 상부고정덮개의 재료는 금속, 스테인리스 금속, 플라스틱, 복합재료 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 변형률 측정용 광섬유 격자 센서.
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