KR100796161B1 - Apparatus for measuring convergence and ceiling subsidence using fiber bragg grating sensor - Google Patents

Apparatus for measuring convergence and ceiling subsidence using fiber bragg grating sensor Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유격자(FBG ; Fiber Bragg Grating)센서를 이용한 내공변위 및 천단침하 측정을 위한 장치에 관한 것으로, 구조물 표면에 부착된 FBG 변형률센서와 FBG 각도변위센서로 부터 구조물의 단면을 따라 측정 포인트에 센서 부착 기구를 부착하여, 동일 측정 대상 면에 두 개 또는 세 개의 센서를 설치한 후 미세한 길이변화와 각도변위를 측정하여 구조물의 2차원 또는 3차원의 내공변위를 계산하는 방식으로 한 개의 변형률센서는 구조물의 단면을 따라 부착하고, 한 개 또는 두 개의 각도변위 센서를 같은 측정 면에 설치 별도의 복잡한 수학적 계산 없이 2차원 또는 3차원의 구조물 내공변위를 측정할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.The present invention relates to a device for measuring the pore displacement and tip settlement using a fiber bragg grating (FBG) sensor, the measurement point along the cross section of the structure from the FBG strain sensor and the FBG angle displacement sensor attached to the structure surface One strain rate by attaching a sensor attachment mechanism to the sensor and installing two or three sensors on the same measurement surface and then measuring the small length change and the angular displacement to calculate the two-dimensional or three-dimensional internal displacement of the structure. The sensor can be attached along the cross section of the structure, and one or two angular displacement sensors can be installed on the same measuring surface. The sensor can provide a method for measuring the two-dimensional or three-dimensional cavity displacement without any complicated mathematical calculations. .

광섬유격자센서, FBG센서, FBG변형률센서,FBG각도변위센서Fiber Optic Grating Sensor, FBG Sensor, FBG Strain Sensor, FBG Angle Displacement Sensor

Description

광섬유격자센서를 이용한 내공변위 및 천단침하 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING CONVERGENCE AND CEILING SUBSIDENCE USING FIBER BRAGG GRATING SENSOR}FIELD OF MEASURING CONVERGENCE AND CEILING SUBSIDENCE USING FIBER BRAGG GRATING SENSOR}

도 1a는 본 발명에 따른 2차원용 내공변위 및 천단침하 측정장치에 대한 정면도.
도 1b는 본 발명에 따른 3차원용 내공변위 및 천단침하 측정장치에 대한 정면도.
도 1c는 본 발명에 따른 3차원용 내공변위 및 천단침하 측정장치를 설치한 예를 나타낸 정면도.
Figure 1a is a front view of the two-dimensional hole displacement and hem settlement measurement device for the present invention.
Figure 1b is a front view of the three-dimensional hole displacement and hem settlement measurement device for the present invention.
Figure 1c is a front view showing an example of installing the three-dimensional hole displacement and hem settlement measurement device for the present invention.

도 2는 상기 도 1c의 본 발명에 따른 3차원용 내공변위 및 천단침하 측정장치를 설치한 예를 나타낸 측면도. Figure 2 is a side view showing an example of installing the three-dimensional internal displacement and hem settlement measurement device according to the present invention of Figure 1c.

도 3은 본 발명의 내공변위 및 천단침하 측정장치를 연장시킨 구성도.Figure 3 is a configuration diagram extending the hole displacement and hem settlement measurement device of the present invention.

도 4는 FBG 변형률센서와 FBG 각도변위센서가 분리 설치된 본 발명의 내공변위 및 천단침하 측정장치의 다른 실시예를 나타낸 도면.Figure 4 is a view showing another embodiment of the pore displacement and shear settlement measurement apparatus of the present invention installed separately the FBG strain sensor and the FBG angle displacement sensor.

도 5는 터널 내공변위 및 천단침하 측정을 위해 본 발명을 터널에 설치한 상태를 보인 개략도.5 is a schematic view showing a state in which the present invention is installed in the tunnel for the measurement of tunnel internal displacement and sedimentary settlement.

도 6은 본 발명의 터널 내공변위 및 천단침하에 의한 벡터 dx, dy 측정예에 대한 도면. Figure 6 is a view of the measurement example of the vector dx, dy by the tunnel internal displacement and the tip settlement.

도 7은 본 발명에 있어서 라이닝 내공변위 및 천단침하 절대좌표 방식의 계측 원리도.7 is a measurement principle diagram of the lining internal displacement and the shear settlement absolute coordinate method in the present invention.

도 8은 본 발명에 있어서 라이닝 내공변위 및 천단침하 상대좌표 방식의 계측 원리도. 8 is a measurement principle diagram of the lining internal displacement and the shear settlement relative coordinate system in the present invention.

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■ ■ Explanation of symbols used in main part of drawing ■

1: FBG 센서모듈 2: FBG 변형률센서 3: FBG 각도변위센서 4: 보호관 5,5': 베이스 6: 연결샤프트1: FBG Sensor Module 2: FBG Strain Sensor 3: FBG Angle Displacement Sensor 4: Protective Tube 5,5 ': Base 6: Connecting Shaft

7: 터널 8: 천단 100,100' : 고정편  7: Tunnel 8: Temple of Heaven 100,100 ': Fixed piece

본 발명은 터널의 내공변위 및 천단침하 측정을 위한 광섬유격자(FBG ; Fiber Bragg Grating)센서를 이용한 내공변위 및 천단침하 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널 시공 중 및 유지관리 단계에서 내공변위 및 천단침하를 실시간으로 측정할 수 있도록 한 측정장치에 관한 것이다. The present invention relates to a pore displacement and a tip settlement measurement apparatus using a fiber bragg grating (FBG) sensor for the measurement of pore displacement and tip settlement of a tunnel, and more specifically, to a hole displacement during tunnel construction and maintenance. And it relates to a measuring device that can measure the zenith settlement in real time.

터널의 내공변위 측정에 있어서 터널의 단면상에서 길이 방향의 변화만을 측정하는 경우, 라이닝의 변형특성상 변형된 후 좌표의 방향성을 알 수가 없기 때문에 터널의 수축 또는 팽창유무를 알기 전에는 정밀한 내공변위를 계측하기 힘들다.
따라서 종래 센서를 이용한 터널 내공변위 및 천단침하 측정장치들은 터널의 라이닝을 관통하여 길이변화측정센서를 매립하여 팽창 또는 수축여부를 판단하거나 내공변위를 측정하기 위한 변위센서와 각도센서를 사용하여 길이 변화량과 각도 변화량을 측정한 후, 두 개의 측정결과를 조합하여 내공변위로 환산하는 방식을 사용한다.
그러나, 상기한 종래 전기식 센서시스템은 서로 다른 측정 방식으로 길이변화와 각도의 두 가지 값을 측정하기 때문에, 두 가지 센서의 서로 다른 측정 정밀도에 의해서 내공변위의 정확성이 좌우되며, 두 가지 센서 시스템을 사용하기 때문에 데이터 수집 장치가 복잡해지고 그 측정비용이 상대적으로 높게 책정되었으며, 센서의 정확도는 측정 길이가 1m 인 경우 길이변화에 대한 분해능은 1/100mm, 각도는 1/100도를 주로 사용하므로 미세변형의 측정에는 다소 문제가 있을 뿐만 아니라, 무엇보다도 전자기파의 영향을 많이 받아 계측신뢰도가 떨어져 지하철 등이 운행 중일 때에는 계측을 하지 못하는 매우 취약한 문제점이 있었다.
When measuring only the change in the longitudinal direction on the cross section of the tunnel in the measurement of the hole displacement of the tunnel, it is not possible to know the directionality of the coordinate after deformation due to the deformation characteristics of the lining. Hard.
Therefore, the tunnel displacement and hem settlement measurement devices using the conventional sensors are embedded in the tunnel lining to determine the expansion or contraction by embedding the length change measurement sensor or the length variation using the displacement sensor and the angle sensor to measure the displacement. After measuring the angle change and the angle, combine the two measurement results to convert into the internal displacement.
However, since the conventional electric sensor system measures two values of the length change and the angle by different measuring methods, the accuracy of the hole displacement is determined by the different measurement accuracy of the two sensors. The data collection device is complicated and its measurement cost is relatively high.The accuracy of the sensor is 1 / 100mm and the angle is 1 / 100degree. Not only there is a problem in the measurement of the deformation, but above all, there is a very weak problem that can not measure when the subway is running because the measurement reliability is affected by a lot of electromagnetic waves.

삭제delete

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 내공변위 및 천단침하를 측정함에 있어, 전자기파의 영향이 전혀 없고, 계측 분해능이 매우 뛰어나 계측 신뢰도가 높은, FBG 변형률센서와 FBG 각도변위센서를 이용 내공변위 및 천단침하를 측정하는 방법을 제공하여, 상시 안전진단이 가능하고, 하나의 시스템으로 길이변위와 각도변위를 동시에 계측할 수 있는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 및 첨단침하 측정장치를 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and an object of the present invention is to measure the internal displacement and sedimentary settle, which has no influence of electromagnetic waves, and has very high measurement resolution and high measurement reliability. It provides a method for measuring the hole displacement and the tip settlement by using the strain sensor and the FBG angle displacement sensor, so that the safety diagnosis can be performed at all times and the air gap using the optical fiber grating sensor that can measure the length displacement and the angle displacement simultaneously with one system. It is to provide a displacement and tip settlement measurement device.

상기 본 발명의 목적은,
광섬유격자센서를 이용한 구조물의 내공변위 및 천단침하 측정장치에 있어서, FBG 센서모듈 양단의 고정편은, 베이스에 체결부재로 접속되며; 보호관의 양단이 상기 고정편에 설치되고; 상기 보호관의 내부에는 FBG 변형률센서가 상기 고정편 사이에 길이 방향으로 설치되며; 상기 보호관의 외부에는 FBG 각도변위센서가 연결샤프트에 의해 하나 이상 설치되어 2차원 또는 3차원의 내공변위 및 천단침하를 상시 계측할 수 있는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 및 천단침하 측정장치에 의해 달성될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
도 1a는 본 발명에 따른 2차원용 내공변위 및 천단침하 측정장치에 대한 정면도이고, 도 1b는 본 발명에 따른 3차원용 내공변위 및 천단침하 측정장치에 대한 정면도, 도 1c는 본 발명에 따른 3차원용 내공변위 및 천단침하 측정장치를 설치한 예를 나타낸 정면도, 도 2는 상기 도 1c의 본 발명에 따른 3차원용 내공변위 및 천단침하 측정장치를 설치한 예를 나타낸 측면도, 도 3은 본 발명의 내공변위 및 천단침하 측정장치를 연장시킨 구성도이다.
도 1a 내지 도 2에 나타내 바와 같이, 본 발명은 소정 길이를 갖고 연속적으로 연결하여 사용할 수 있는 단위 FBG 센서모듈(1)로 구성된다.
The object of the present invention,
In the apparatus for measuring the hole displacement and tip settlement of a structure using an optical fiber grating sensor, the fixing pieces at both ends of the FBG sensor module are connected to the base by a fastening member; Both ends of the protective tube are installed on the fixing piece; An FBG strain sensor is installed in the longitudinal direction between the fixing pieces in the protective tube; At least one FBG angle displacement sensor is installed on the outside of the protective tube by means of a connecting shaft to measure the pore displacement and the tip settlement using the optical fiber grating sensor, which can always measure two-dimensional or three-dimensional pore displacement and tip settlement. It can be achieved by the device.
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
Figure 1a is a front view of the two-dimensional hole displacement and hem settlement measurement device for the present invention, Figure 1b is a front view of the three-dimensional hole displacement and hem settlement measurement device according to the present invention, Figure 1c Front view showing an example of installing the three-dimensional hole displacement and the hem settlement measurement device according to the present invention, Figure 2 is a side view showing an example of installing the three-dimensional hole displacement and hem settlement measurement device according to the present invention of Figure 1c 3 is a configuration diagram in which the hole displacement and hem settlement measurement apparatus of the present invention is extended.
As shown in Figure 1a to 2, the present invention is composed of a unit FBG sensor module (1) having a predetermined length and can be used continuously connected.

즉, 상기 FBG 센서모듈(1)은 사각형이나 원형 등의 파이프로 이루어진 FBG 변형률센서(2)와, 상기 FBG 변형률센서(2)가 삽입되는 보호관(4)과, 상기 FBG 변형률센서(2) 상에 설치되어 각도변위를 측정하기 위한 FBG 각도변위센서(3)와, 보호관(4)의 양단에 구비된 고정편(100,100')으로 구성된다. That is, the FBG sensor module 1 has a FBG strain sensor 2 made of a pipe such as a square or a circle, a protective tube 4 into which the FBG strain sensor 2 is inserted, and the FBG strain sensor 2. It is installed in the FBG angle displacement sensor 3 for measuring the angular displacement, and is composed of fixing pieces (100, 100 ') provided at both ends of the protective tube (4).

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 FBG 센서모듈(1)의 양단의 고정편(100,100')을 체결부재를 이용하여 부착시킬 수 있도록 터널에 베이스(5,5')가 복수개 설치되며, 이들 복수개의 베이스(5,5')에 설치함으로써 연속적으로 다수개의 FBG 센서모듈(1)이 이웃되게 설치된다(도 3 참조).
상기 FBG 변형률센서(2)의 보호관(4)의 위부에는 1/1,000도의 분해능을 갖는 FBG 각도변위센서(3)가 연결샤프트(6)로 연결 설치되며, 보호관(4) 내부에는 길이 변위 측정을 위한 1/10,000,000의 분해능을 갖는 FBG 변형률센서(2)가 고정편(100)과 고정편(100') 사이를 길이 방향으로 횡단하도록 연결된다.
그리고, FBG 센서모듈(1)은 베이스(5)에 연속적으로 부착되는데, 하나의 FBG 센서모듈(1)은 각각 독립적인 좌표를 갖고 터널 등의 내부 단면을 연속적으로 횡단설치 되는 것이다.
As shown in FIG. 2, a plurality of bases 5 and 5 ′ are installed in the tunnel so that the fixing pieces 100 and 100 ′ at both ends of the FBG sensor module 1 can be attached using a fastening member. By installing the bases 5 and 5 ', a plurality of FBG sensor modules 1 are continuously installed adjacent to each other (see Fig. 3).
The FBG angular displacement sensor 3 having a resolution of 1 / 1,000 degrees is installed on the upper portion of the protective tube 4 of the FBG strain sensor 2 by a connecting shaft 6, and the length displacement measurement is performed inside the protective tube 4. An FBG strain sensor 2 having a resolution of 1 / 10,000,000 for connecting is connected in the longitudinal direction between the stationary piece 100 and the stationary piece 100 '.
And, the FBG sensor module 1 is continuously attached to the base (5), one FBG sensor module 1 is to be installed independently of the internal cross-section of the tunnel, etc., each having independent coordinates.

이러한 구성상의 특징을 갖는 본 발명의 FBG 센서모듈(1)은, 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 터널(7)의 내공변위 및 천단침하를 측정하기 위하여 베이스(5,5') 부위에 FBG 변형률센서(2)를 길이방향으로 이웃하여 연속적으로 연결시켜 상시계측을 수행하도록 구성되는 것이다. 3 and 5, the FBG sensor module 1 of the present invention having such a constructional characteristic is provided at the base 5, 5 'portion to measure the internal displacement and the tip settlement of the tunnel 7. The FBG strain sensor 2 is configured to perform the phase clock side by successively connecting adjacent to each other in the longitudinal direction.

도 5의 부호 8은 터널(7)의 천단을 도시한 것이다. Reference numeral 8 in FIG. 5 shows the heaven end of the tunnel 7.

상기와 같이 구성될 수 있는 본 발명의 FBG 센서모듈(1)을 사용하여 터널(7)의 내공변위 및 천단침하를 측정코자 할 시는 도 5와 같이, 터널(7)의 천단(8)을 따라 FBG 센서모듈(1)을 도 3과 같이 길이방향으로 연장되게 연결하여 라이닝 길이에 맞게 설계ㆍ설치한다. When using the FBG sensor module 1 of the present invention that can be configured as described above to measure the internal displacement and the tip settlement of the tunnel (7), as shown in Figure 5, the end (8) of the tunnel (7) Accordingly, the FBG sensor module 1 is connected and extended in the longitudinal direction as shown in FIG.

FBG 센서모듈(1)은 대략 1m의 길이로, 도 2에서와 같이, a 포인트가 관측점이며, b 포인트가 계측점이 된다.
즉, 도 7을 참조하면, B가 계측점일 때는 A가 관측점이며, B가 관측점일 때는 C가 계측점이 된다.
따라서, 라이닝에 변형이 발생하여 B~D 포인트가 이동을 하면 새로운 좌표 B'~D'로 구성되며, A좌표는 불변이다.
The FBG sensor module 1 is approximately 1 m in length, and as shown in FIG. 2, point a is an observation point and point b is a measurement point.
That is, referring to FIG. 7, when B is a measurement point, A is an observation point, and when B is an observation point, C is a measurement point.
Therefore, when deformation occurs in the lining and the B to D points move, the new coordinates B 'to D' are configured, and the A coordinate is invariant.

본 발명의 FBG 센서모듈(1)에서 라이닝 변형을 계측하는 기본 원리는 내공변위를 구하는 방법에 따라 '절대좌표방식'과 '상대좌표방식'이 있다. The basic principle of measuring the deformation of the lining in the FBG sensor module 1 of the present invention, there are 'absolute coordinate method' and 'relative coordinate method' according to the method of obtaining the internal displacement.

절대좌표방식의 계측법에서 내공변위는 도 7의 예에서 보면 변형후(A-B'-C'-D'-E')의 중점좌표와 변형이전(A-B-C-D-E)의 중점좌표의 이동거리이다. 그러므로 변형에 따른 이전의 계측점의 좌표를 반드시 알아야 한다. In the absolute coordinate measuring method, the internal displacement is a moving distance between the midpoint coordinates after deformation (A-B'-C'-D'-E ') and the midpoint coordinates before deformation (A-B-C-D-E). Therefore, you must know the coordinates of the previous measuring point according to the deformation.

반면에 상대좌표방식은 도 8과 같이 변형에 의해 발생된 길이변형과 각도변형을 이용하여 좌표와 상관없이 한 시각 변화에 대하여 삼각함수 관계에 의한 곡률변화(

Figure 112005069035125-pat00001
) 값을 내공변위로 놓는다. On the other hand, in the relative coordinate method, as shown in FIG. 8, the curvature change due to the trigonometric function for a change in time regardless of the coordinates using the length deformation and the angle deformation generated by the deformation (
Figure 112005069035125-pat00001
) Is set to internal displacement.

절대좌표방식은 한 단면의 연속된 FBG 센서모듈(1)에서 중간에 해당하는 FBG 센서모듈(1)에 고장이 발생할 경우 새로운 좌표 생성을 못하게 되거나 FBG 센서모듈(1)의 오동작으로 인한 오차 값의 전달이 이루어지는 문제점이 있을 수 있다. Absolute coordinate method prevents the generation of new coordinates when the FBG sensor module (1) in the middle of the continuous FBG sensor module (1) in one section fails, or the error value due to malfunction of the FBG sensor module (1). There may be a problem with the delivery.

반면에 상대좌표방식은 앞의 경우에 각 FBG 센서모듈(1)이 독립적 계측을 하므로 정상 FBG 센서모듈(1)에 대하여 내공변위를 모두 구할 수 있으나 수식적 값 축약에 의하여 각도변형이 미세할 경우에 그 정확성을 가진다. On the other hand, in the case of the relative coordinate method, since each FBG sensor module 1 independently measures, the internal displacements can be obtained with respect to the normal FBG sensor module 1, but when the angular deformation is minute due to the formal value reduction. To have that accuracy.

이하 절대좌표방식에 의한 계측법을 보다 상세히 설명하면; Hereinafter, the measurement method based on the absolute coordinate method will be described in detail;

터널의 단면변형 측정을 위한 FBG 센서모듈(1)은 터널(7) 단면의 천단(8)을 따라 도 7과 같이 S1 ~ S4 구간까지 FBG 센서모듈(1)이 설치되었을 때, 단면변형이 일어나는 경우 좌표점의 이동은 B'~D' 좌표로 나타내며, 선행 FBG 센서모듈(1)의 좌표이동에 영향을 받는다. The FBG sensor module 1 for measuring the cross-sectional deformation of a tunnel is a cross-sectional deformation that occurs when the FBG sensor module 1 is installed from S1 to S4 section along the top end 8 of the cross section of the tunnel 7 as shown in FIG. 7. In this case, the movement of the coordinate point is represented by B 'to D' coordinates, and is affected by the coordinate movement of the preceding FBG sensor module 1.

S1구간에 설치된 FBG 센서모듈(1)의 경우를 살펴보면, 선행 FBG 센서모듈(1)이 없으므로 B에서 B'로의 이동을 dx(b), dy(b) 성분만으로 나타낼 수 있다. Looking at the case of the FBG sensor module 1 installed in the S1 section, since there is no preceding FBG sensor module 1, the movement from B to B 'can be represented only by the dx (b) and dy (b) components.

각 설치 좌표점(A~D)은 FBG 센서모듈(1)의 설치점 설계에 의하여 이미 알고 있으며, 변형 좌표점 B'(Xb',Yb')는

Figure 112005069035125-pat00002
Figure 112005069035125-pat00003
에 의한 삼각 함수에 의하여 구할 수 있다. Each installation coordinate point (A to D) is already known by the installation point design of the FBG sensor module (1), the deformation coordinate point B '(Xb', Yb ') is
Figure 112005069035125-pat00002
Wow
Figure 112005069035125-pat00003
It can be obtained by trigonometric function by.

Figure 112005069035125-pat00004
Figure 112005069035125-pat00004

여기서

Figure 112005069035125-pat00005
,
Figure 112005069035125-pat00006
이다.here
Figure 112005069035125-pat00005
,
Figure 112005069035125-pat00006
to be.

따라서 dx, dy는 B(Xb,Yb)와 B'(Xb', Yb')를 이용하여 구할 수 있다.Therefore, dx and dy can be obtained using B (Xb, Yb) and B '(Xb', Yb ').

Figure 112005069035125-pat00007
Figure 112005069035125-pat00007

결과적으로 B점에서의 터널(7)의 단면변화는 위의 수식에 따라

Figure 112005069035125-pat00008
Figure 112005069035125-pat00009
를 구하여 얻을 수 있다.As a result, the cross-sectional change of the tunnel 7 at point B is
Figure 112005069035125-pat00008
Wow
Figure 112005069035125-pat00009
Obtained by

S2구간에 설치된 FBG 센서모듈(1)의 순수한 변형은 C에서 C'로의 이동이며, C' 좌표는 C'좌표에 S1의 B에서 B'점으로의 이동 성분인 dx(b), dy(b)를 더한 값이다. The pure deformation of the FBG sensor module 1 installed in the S2 section is the movement from C to C ', and the C' coordinate is the dx (b) and dy (b, which are the components of the movement from S to B 'of S1 on the C' coordinate. ).

Figure 112005069035125-pat00010
Figure 112005069035125-pat00010

위의 수식과 같이 C'점을 구할 수 있으며, 나머지 D', E' 좌표 역시 같은 방식으로 구하게 된다. You can get the point C 'as shown in the above formula, and the rest of the D' and E 'coordinates are obtained in the same way.

그리고 본 발명의 FBG 센서모듈(1)을 사용하여 라이닝 변형을 상대좌표방식에 의한 계측법은 다음과 같다.And using the FBG sensor module 1 of the present invention the measurement method of the lining deformation by the relative coordinate method is as follows.

도 8에서 곡률변화

Figure 112005069035125-pat00011
와 h', h 는 다음 수식과 같으며 이를 내공변위로 하여 축력 및 휨모멘트를 구하게 된다. 즉, 각
Figure 112005069035125-pat00012
Figure 112005069035125-pat00013
을 구하면 각 FBG 센서모듈(1)에서 각 좌표와 독립적인 내공변위값을 구하게 된다. Curvature change in FIG. 8
Figure 112005069035125-pat00011
And h 'and h are as follows, and the axial force and the bending moment are obtained by using the internal displacement. That is, each
Figure 112005069035125-pat00012
Wow
Figure 112005069035125-pat00013
If we obtain, we obtain the internal displacement value independent of each coordinate in each FBG sensor module (1).

Figure 112007007561549-pat00014
Figure 112007007561549-pat00014

절대좌표방식 및 상대좌표방식의 계측원리에서 결과적으로 각 FBG 센서모듈(1)에서

Figure 112005069035125-pat00015
Figure 112005069035125-pat00016
을 구하면 된다.The measuring principle of absolute coordinate method and relative coordinate method results in each FBG sensor module (1).
Figure 112005069035125-pat00015
Wow
Figure 112005069035125-pat00016
You can find

Figure 112007007561549-pat00017
는 도 1c와 같이, FBG 센서모듈(1)의 양단은 각각 고정편(100,100')에 설치되되, 일단은 볼트 등의 체결부재를 사용하여 A의 베이스(5)와 일체로 고정되며,
Figure 112007007561549-pat00017
As shown in Figure 1c, both ends of the FBG sensor module 1 is installed on each of the fixing piece (100, 100 '), one end is fixed integrally with the base (5) of A using a fastening member such as a bolt,

타단은 A`의 베이스(5)에 삽입된 상태로 길이방향으로만 서로 슬라이딩할 수 있는 접속구조로, 단면변형에 의한 좌표점의 이동 거리가 FBG 변형률센서(2)에 의하여

Figure 112007007561549-pat00018
값을 정밀하게 구하게 된다.The other end is a connection structure which can slide each other only in the longitudinal direction while being inserted into the base 5 of A`, and the movement distance of the coordinate point due to the cross-sectional deformation is determined by the FBG strain sensor 2.
Figure 112007007561549-pat00018
The value is calculated precisely.

또한 단면변형에 의한 전후운동은 FBG 각도변위센서(3)에 의하여

Figure 112005069035125-pat00019
값을 구하게된다.In addition, the front and rear movement by the cross-sectional deformation is performed by the FBG angle displacement sensor (3).
Figure 112005069035125-pat00019
Get the value.

상기에 설명한 2차원 내공변위 측정장치 외에 필요에 따라서는, 유사한 장치로 3차원 내공변위를 계측할 수 있다.
즉, 도 1a에 도시된 바와 같이, FBG 각도변위센서(3)를 한개만 설치하면 2차원 내공변위 측정이 가능하고, 도 1b에 도시된 바와 같이, FBG 각도변위센서(3)를 상이한 각도로 복수개 설치하면 3차원 내공변위 측정이 가능하게 된다.
예를들어, 상부의 FBG 각도변위센서(3)를 정면을 향하도록 설치시키고, 하부의 FBG 각도변위센서(3')는 상기 상부의 FBG 각도변위센서(3)와 90°로 방향으로 전환시켜 설치시키는 것이다.
따라서, 3차원 내공변위를 측정하기 위해서 2개의 FBG 각도변위센서(3,3')는 서로 90°의 사잇각을 두고 설치된다.
그러므로 기존 2차원 내공변위 계측을 위해 설치된 상태에서 FBG 각도변위센서를 추가 설치하면 3차원내공변위 계측이 가능해지게 된다.
In addition to the two-dimensional hole displacement measuring apparatus described above, if necessary, a three-dimensional hole displacement can be measured by a similar device.
That is, as shown in Figure 1a, by installing only one FBG angle displacement sensor (3) can be measured two-dimensional internal displacement, as shown in Figure 1b, the FBG angle displacement sensor (3) at different angles Installation of a plurality of three-dimensional pore displacement measurement is possible.
For example, the upper FBG angle displacement sensor (3) is installed to face the front, the lower FBG angle displacement sensor (3 ') is switched to the direction of 90 degrees with the upper FBG angle displacement sensor (3) To install it.
Therefore, two FBG angle displacement sensors 3 and 3 'are installed at 90 ° angles to each other to measure the three-dimensional internal displacement.
Therefore, if the FBG angular displacement sensor is additionally installed in the state of being installed for the existing two-dimensional pore displacement measurement, the three-dimensional pore displacement measurement becomes possible.

한편, 첨부된 도 4는 FBG 변형률센서와 FBG 각도변위센서가 분리 설치된 본 발명의 내공변위 및 천단침하 측정장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, FBG 각도변위센서(3)는 상기 FBG 변형률센서(2)가 설치된 보호관(4)에서 분리되어, 한 쌍의 고정편(100.100')이 설치된 한쌍의 베이스(5,5')상에 별도의 지지대를 구성하여 그 양끝단을 상기 베이스(5,5')에 고정하고, 상기 지지대의 외부에는 FBG 각도변위센서(3)가 연결샤프트(6)에 의해 하나 이상 설치되어 2차원 또는 3차원의 내공변위 및 천단침하를 상시 계측할 수 있다.
전술한 한 쌍의 베이스(5,5')에 설치된 상기 지지대는 그 일단이 체결부재로 베이스(5)에 일체로 고정되어 베이스(5)와 일체거동을 하며, 타단은 베이스(5')에 길이방향으로만 서로 슬라이딩할 수 있는 접속구조를 가진다.
On the other hand, Figure 4 attached is a view showing another embodiment of the pore displacement and shear settlement measurement apparatus of the present invention installed separately the FBG strain sensor and the FBG angle displacement sensor.
As shown in FIG. 4, the FBG angular displacement sensor 3 is separated from the protective tube 4 in which the FBG strain sensor 2 is installed, and the pair of bases 5 and 5 in which a pair of fixing pieces 100.100 'are installed. A separate support is formed on '), and both ends thereof are fixed to the bases 5 and 5', and at least one FBG angle displacement sensor 3 is installed at the outside of the support by the connecting shaft 6. The two-dimensional or three-dimensional pore displacement and the tip settlement can be measured at all times.
One end of the support installed on the pair of bases 5 and 5 'is fixed to the base 5 by a fastening member so as to be integrated with the base 5, and the other end to the base 5'. It has a connection structure that can slide each other only in the longitudinal direction.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명은 터널 내공변위와 천단침하를 측정하기 위한 FBG 센서모듈을 제공하되, 보호관 상에 FBG 변형률센서와 FBG 각도변위센서를 동시에 설치하여 측정점에 대한 길이와 각을 정확히 센싱할 수 있으며, 종래의 전기식 시스템의 단점인 전자기파의 영향을 완벽히 극복하여 그동안 불가능했던 운행 중인 지하철의 터널 내공 변위를 상시 계측할 수 있는 효과가 있다.
또한, 광섬유격자센서의 우수한 특성으로 인하여 그 정밀도가 향상될 수 있으며, 한 가닥의 광섬유로 최대 40여개의 센서를 직렬 연결할 수 있어 종래의 전기식 시스템 보다 훨씬 적은 공간을 필요로 하며, FBG 센서의 고유한 반사 파장을 계측하므로, 측정방법이 동일하여 하나의 계측시스템으로 상시안전 진단이 가능해 지고, 토목구조물의 초기 값 대비 누적 변형을 계측할 수 있는 매우 큰 장점이 있다.
As described in detail above, the present invention provides an FBG sensor module for measuring the tunnel internal displacement and the tip settlement, and simultaneously installs the FBG strain sensor and the FBG angle displacement sensor on the protective tube to accurately measure the length and angle of the measurement point. Sensing and completely overcoming the influence of electromagnetic waves, which is a disadvantage of the conventional electric system, has the effect of constantly measuring the tunnel displacement of the subway in operation which has been impossible.
In addition, the precision of the optical fiber grating sensor can be improved, and up to 40 sensors can be connected in series with one strand of optical fiber, which requires much less space than the conventional electric system. Since the measurement of one reflection wavelength is the same, the same measurement method can be used for one-time safety diagnosis, and the cumulative deformation compared to the initial value of civil engineering structures can be measured.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발병이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발병의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is limited to the above-described embodiments as various substitutions, modifications, and alterations are possible within the scope of the present invention without departing from the technical spirit of the present invention. It is not.

Claims (4)

FBG 센서모듈(1) 양단의 고정편(100,100')은, 베이스(5,5')에 체결부재로 접속되며; 보호관(4)의 양단이 상기 고정편(100,100')에 설치되고; 상기 보호관(4)의 내부에는 FBG 변형률센서(2)가 상기 고정편(100,100') 사이에 길이 방향으로 설치되며; The fixing pieces 100, 100 'at both ends of the FBG sensor module 1 are connected to the bases 5, 5' by fastening members; Both ends of the protective tube 4 are installed on the fixing pieces 100 and 100 '; An FBG strain sensor (2) is installed in the longitudinal direction between the fixing pieces (100, 100 ') inside the protective tube (4); 상기 보호관(4)의 외부에는 FBG 각도변위센서(3)가 연결샤프트(6)에 의해 하나 이상 설치되어 2차원 또는 3차원의 내공변위 및 천단침하를 상시 계측할 수 있도록 한 것이며, One or more FBG angular displacement sensors 3 are installed at the outside of the protective tube 4 by the connecting shaft 6 so that the two-dimensional or three-dimensional internal displacement and the hem settlement can be measured at all times. 상기 고정편(100,100')에 설치되는 상기 보호관(4)의 일단은 체결부재로 고정편(100)에 고정되어 일체거동을 하며, 타단은 고정편(100')에 설치된 상태로 길이방향으로만 서로 슬라이딩할 수 있는 접속구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 및 천단침하 측정장치.One end of the protective tube (4) installed on the fixing piece (100, 100 ') is fixed to the fixing piece (100) by a fastening member to operate integrally, the other end is installed in the fixing piece (100') in the longitudinal direction only An apparatus for measuring displacement and shear settling using an optical fiber grating sensor, characterized by having a connection structure that can slide with each other. 삭제delete 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 FBG 각도변위센서(3)는 상기 FBG 변형률센서(2)가 설치된 보호관(4)에서 분리되어, 한 쌍의 고정편(100.100')이 설치된 한쌍의 베이스(5,5')상에 별도의 지지대를 구성하여 그 양끝단을 상기 베이스(5,5')에 고정하고; 상기 지지대의 외부에는 FBG 각도변위센서(3)가 연결샤프트(6)에 의해 하나 이상 설치되어 2차원 또는 3차원의 내공변위 및 천단침하를 상시 계측할 수 있는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 및 천단침하 측정장치.The FBG angular displacement sensor 3 is separated from the protective tube 4 in which the FBG strain sensor 2 is installed, and is separated on a pair of bases 5 and 5 'in which a pair of fixing pieces 100.100' are installed. Constructing a support to fix both ends to the base (5,5 '); One or more FBG angular displacement sensors 3 are installed on the outside of the support by the connecting shaft 6 to measure the two-dimensional or three-dimensional pore displacement and the tip settlement. Internal displacement and hem settlement measurement device. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 한 쌍의 베이스(5)에 설치된 상기 지지대는 그 일단이 체결부재로 베이스(5,5')에 일체로 고정되어 베이스(5)와 일체거동을 하며, 타단은 베이스(5,5')에 길이방향으로만 서로 슬라이딩할 수 있는 접속구조를 가지는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 및 천단침하 측정장치.One end of the support installed on the pair of bases 5 is integrally fixed to the bases 5 and 5 'by the fastening member so as to be integrated with the base 5, and the other end thereof is the base 5 and 5'. A device for measuring the displacement and pore settling using an optical fiber grating sensor, characterized in that it has a connection structure that can slide each other only in the longitudinal direction.
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