KR100812309B1 - 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 성분 변형률을 측정할 수 있는 광케이블을 제공하여 이를 이용하여 구조물에 대한 변형의 방향 및 그에 대한 곡률을 산출할 수 있는 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명인 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템은,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하는 측정용 광케이블과;
레이저 광을 보내는 광원부와;
산란광을 계측하는 수신부와;
수신된 광 신호를 분석하여 처리하는 신호처리부;로 이루어지는 성분 분포형 변형률 측정시스템에 있어서,
상기 측정용 광케이블은,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하기 위해서
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 일측에 위치시키는 제1싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 다른 일측에 위치시키는 제2싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 또 다른 일측에 위치시키는 제3싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제3싱글모드광케이블의 위치와는 다른 일측에 위치시키는 제4싱글모드광케이블로 구성되며,
상기 신호처리부는,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제1싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제1변형률측정부와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제2싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제2변형률측정부와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제3싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제3변형률측정부와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제4싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제4변형률측정부와,
상기 제1변형률측정부 내지 제4변형률측정부를 통해 측정된 각각의 변형률 데이터를 획득하여 곡률을 계산하는 곡률계산부를 포함하여 구성되어 상기 각각의 싱글모드 광케이블을 통해 반사되는 광의 파장을 상기 각각의 변형률측정부에 의해 변형률을 측정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통해 광케이블을 이용한 분포 개념의 변형률 측정을 통해 구조물 의 변형 방향 및 곡률을 계측할 수 있어 손쉽게 파악할 수 있기 때문에 탐지반 운영 경비 절감 효과를 제공할 수 있으며, 설치도 비교적 용이하게 할 수 있는 장점을 가진다.
광섬유 센서, 변형률 측정, 싱글모드 케이블, 멀티모드 케이블.
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정의 근본 원리에 관한 도식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블의 구조를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 곡률 반경의 차이에 따른 변형률 값의 크기 변화를 측정한 실험값을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블이 부착된 후 구조물이 임의의 방향으로 굽힘이 발생하였을 경우에 구조물에 부착된 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블에 대한 확대 평면도 및 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블이 부착된 후 구조물의 변형 방향에 대한 정의를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템의 변형률 측정 기본 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 레이저 빛 120 : 레일레이 산란파
130 : 브릴로인 산란파 140 : 라만 산란파
410 : 광원부 420 : 수신부
430 : 신호처리부
본 발명은 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 성분 변형률을 측정할 수 있는 광케이블을 제공하여 이를 이용하여 구조물에 대한 변형의 방향 및 그에 대한 곡률을 산출할 수 있는 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
종래의 광케이블을 이용한 분포 개념의 변형률 계측 기법은 광케이블을 구조물과 일체가 되도록 접착한 후 광케이블이 포설된 전 구간에 대해 연속적으로 1m 간격마다 변형률을 계측하여 구조물의 변형 여부를 판정하는 것이다. 그러나 이러한 계측 결과는 구조물에 변형이 발생된 위치 및 그 변형률 크기는 감지할 수 있으나 그 구조물의 변형 방향이나 그에 대한 곡률을 확인할 수 없다는 문제점이 있었 다.
종래의 기술을 이용하여 구조물의 변형 방향을 계측하기 위해서는 그 구조물이 직육면체라 가정하면 대체로 구조물의 90도 방향으로 노출된 상단과 측면 또는 하단과 측면에 별도의 광케이블을 포설하고 그 두 방향의 변형률을 동시에 측정하여야 한다.
그러나, 구조물의 모든 면이 노출되어 있지 않고 구조물의 한쪽 면에만 광케이블을 포설할 수 있다면 상기 기법을 적용될 수 없다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로,
본 발명의 목적은 성분 변형률을 측정할 수 있는 광케이블을 제공하여 이를 이용하여 구조물에 대한 변형의 방향 및 그에 대한 곡률을 산출할 수 있도록 하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블은,
케이블에 있어서,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하기 위해서 구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 일측에 위치시키는 제1싱글모 드광케이블과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 다른 일측에 위치시키는 제2싱글모드광케이블과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 또 다른 일측에 위치시키는 제3싱글모드광케이블과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제3싱글모드광케이블의 위치와는 다른 일측에 위치시키는 제4싱글모드광케이블;을 포함하는 측정용 광케이블로 구성되어 구조물의 변형 방향 및 그에 대한 곡률을 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명의 부가적인 양상에 따라 상기 측정용 광케이블은,
구조물의 온도를 측정하기 위해 어느 일측에 위치시키는 멀티모드 광케이블;을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,
측정용 광케이블의 중심점을 기준으로 어느 한 싱글모드 광케이블과 다른 싱글모드 광케이블의 사이각이 90도인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,
융착 접속법(Fusion Splicing)을 이용하여 하나의 선으로 연결되도록 하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명인 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 방법은,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하는 측정용 광케이블과;
레이저 광을 보내는 광원부와;
산란광을 계측하는 수신부와;
수신된 광 신호를 분석하여 처리하는 신호처리부;로 이루어지는 성분 분포형 변형률 측정시스템을 이용한 측정 방법에 있어서,
상기 측정용 광케이블은,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하기 위해서
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 일측에 위치시키는 제1싱글모드광케이블과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 다른 일측에 위치시키는 제2싱글모드광케이블과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 또 다른 일측에 위치시키는 제3싱글모드광케이블과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제3싱글모드광케이블의 위치와는 다른 일측에 위치시키는 제4싱글모드광케이블과;
구조물의 온도를 측정하기 위해 어느 일측에 위치시키는 멀티모드 광케이블;을 포함하여 구성되어 수신된 광 신호를 상기 신호처리부에 의해 구조물의 변형 방향 및 그에 대한 곡률을 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,
상기 측정용 광케이블의 중심점을 기준으로 어느 한 싱글모드 광케이블과 다른 싱글모드 광케이블의 사이각이 90도인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명인 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정시스템은,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하는 측정용 광케이블과;
레이저 광을 보내는 광원부와;
산란광을 계측하는 수신부와;
수신된 광 신호를 분석하여 처리하는 신호처리부;로 이루어지는 성분 분포형 변형률 측정시스템에 있어서,
상기 측정용 광케이블은,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하기 위해서
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 일측에 위치시키는 제1싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 다른 일측에 위치시키는 제2싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 또 다른 일측에 위치시키는 제3싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 상기 제1싱글모드광케이 블 내지 제3싱글모드광케이블의 위치와는 다른 일측에 위치시키는 제4싱글모드광케이블로 구성되며,
상기 신호처리부는,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제1싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제1변형률측정부와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제2싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제2변형률측정부와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제3싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제3변형률측정부와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제4싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제4변형률측정부와,
상기 제1변형률측정부 내지 제4변형률측정부를 통해 측정된 각각의 변형률 데이터를 획득하여 곡률을 계산하는 곡률계산부를 포함하여 구성되어 상기 각각의 싱글모드 광케이블을 통해 반사되는 광의 파장을 상기 각각의 변형률측정부에 의해 변형률을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 부가적인 양상에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정시스템은,
구조물의 온도를 측정하기 위해 어느 일측에 위치시키는 멀티모드 광케이블과;
라만(Raman) 산란파를 이용하여 상기 멀티모드 광케이블의 온도를 측정하는 온도측정부;를 더 포함하여 구성되어 상기 멀티모드 광케이블을 통해 반사되는 광의 파장을 상기 온도측정부에 의해 측정하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 곡률계산부는,
상기 각각의 싱글모드 광케이블에 의해 측정된 각 구간의 곡률은 
의 공식을 통하여 측정되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,
상기 구조물의 중심점을 기준으로 어느 한 싱글모드 광케이블과 다른 싱글모드 광케이블의 사이각이 90도인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정의 근본 원리에 관한 도식도이다.
도1을 보면, 광케이블을 이용한 분포 개념의 온도 및 변형률 측정의 근본 원리는 광케이블에 파장이 짧은(1064 nm 또는 1550nm) 레이저 빛(110)을 약 10nsec 정도의 시간 동안 보내면 약 50cm 또는 1m 마다 3가지의 역산란광(Rayleigh, Raman, Brillouin scattering)이 반사되어 돌아온다.
여기서 레일레이(Rayleigh) 산란파(120)는 입사된 빛의 파장과 동일하게 반사되어 오며 이로부터 빛 에너지의 손실율이 측정된다. 이러한 손실율 측정은 바로 광케이블의 단선의 위치를 정확하게 감지하는데 사용된다.
라만(Raman) 산란파(140)는 입사된 빛의 파장과는 달리 두 개의 파장으로 분리되어 반사되는데 입사광보다 큰 파장 영역을 안티스톡스(anti-Stokes)영역이(160)라 하며, 작은 파장 영역을 스톡스(Stokes)영역(150)이라고 한다. 여기서 스톡스 영역(150)의 산란파는 온도 변화에 거의 무관한 반면 안티스톡스 영역(160)은 온도 변화에 따라 그의 진폭이 예민한 반응을 보여준다. 따라서 온도 측정은 바로 스톡스 및 안티스톡스 영역의 라만 산란 조도를 분석함으로써 얻게 된다.
브릴로인(Brillouin)산란파(130)도 입사된 빛의 파장과는 다른 안티스톡스(160) 및 스톡스 영역(150)의 산란파로 분리되어 반사된다. 여기서 온도 변화가 일어나면 두 영역 모두 진폭의 변화가 일어나며 파장(또는 주파수)의 변화는 미세하게 발생되고 변형률이 변하게 되면 두 영역 모두에서 진폭의 변화는 미세하지만 오히려 파장(또는 주파수)가 크게 변하게 된다. 상기 현상을 분석하여 온도 및 변형률 측정한다. 브릴로인(Brillouin)산란파(130)를 이용하여 온도를 측정할 수 있지만 그의 분해능은 라만(Raman)의 것(약 0.01℃)보다 낮으나(약 0.5℃) 온도변화에 따른 변형률 값의 교정을 위해서는 바람직한 자료를 도출할 수 있다.
또한, 브릴로인 산란파는 광케이블에 대한 온도, 변형, 압력의 변화가 가해지게 되면 그 산란파의 진폭 및 파장이 변화하는 특징을 가지고 있다.
광케이블을 이용한 변형률 측정 기법은 바로 브릴로인 산란파의 진폭 및 파장의 변화를 측정하여 온도 및 변형률을 계측하는 것이다. 실제 구조물이나 지반의 변형률을 계측하기 위해서는 온도의 영향을 배제한 변형률 변화를 계측하여야 하기 때문에 상기 온도측정 결과를 이용하여 온도보정을 수행한다. 이러한 기술은 광케이블을 이용한 분포 개념의 변형률 계측 기법이라 하며 예를 들어 광케이블이 대형 구조물에 약 10km 정도 포설되어 있다면 포설된 전 광케이블 구간에 대해 연속적으로 1m 간격마다 변형률을 계측할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블의 구조를 나타낸 예시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블은,
케이블에 있어서,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하기 위해서 구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 일측에 위치시키는 제1싱글모드광케이블(F1)과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 다른 일측에 위치시키는 제2싱글모드광케이블(F2)과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 또 다른 일측에 위치시키는 제3싱글모드광케이블(F3)과;
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제3싱글모드광케이블의 위치와는 다른 일측에 위치시키는 제4싱글모드광케이블(F4);을 포함하는 측정용 광케이블로 구성되어 구조물의 변형 방향 및 그에 대한 곡률을 확인할 수 있는 것을 특징으로 한다.
도 2에서는 싱글모드광케이블을 부호 " 210"으로 도시하였으며, 편의상 제1 싱글모드광케이블을 "F1", 제2싱글모드광케이블을 "F2", 제3싱글모드광케이블을 "F3", 제4싱글모드광케이블을 "F4"로 정의하였다.
이때, 상기 측정용 광케이블(200)은,
구조물의 온도를 측정하기 위해 어느 일측에 위치시키는 멀티모드 광케이블(220);을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,
측정용 광케이블의 중심점을 기준으로 어느 한 싱글모드 광케이블과 다른 싱글모드 광케이블의 사이각이 90도인 것을 특징으로 하게 된다.
이때, 상기 싱글모드 광케이블은,
융착 접속법(Fusion Splicing)을 이용하여 하나의 선으로 연결되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래의 단순한 광케이블을 이용한 분포 개념의 변형률 측정 기술로는 구조물의 변형 방향 및 곡률을 계측할 수 없다는 문제점을 해소하기 위해 성분 변형률을 계측할 수 있는 측정용 광케이블(200)을 이용하여 구조물에 대해 1m 간격으로 연속적인 변형 방향 및 그의 곡률 변화를 계측하게 된다.
도 2는 이를 위해 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블에 대한 모식도를 나타내고 있다. 상기 측정용 광케이블은 성분 변형률 측정을 위해 바람직하게는 싱글모드 광케이블을 정사각형(예: 20mm×20mm)의 각 변에 하나씩 4개를 위치시키고 구조물의 온도 측정을 위해 별도로 한쪽 모서리에 멀티모드 광케이블을 위치시키는 것을 특징으로 하고 있다.
상기와 같이 측정용 광케이블의 외형이 정사각형이외에도 다양한 형태(삼각형, 원형, 마름모형, 직사각형 등등)의 외형을 형성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 곡률 반경의 차이에 따른 변형률 값의 크기 변화를 측정한 실험값을 나타낸 도면이다.
도 3은 곡률반경의 차이에 따른 변형률 값의 크기 변화를 나타내고 있다. 예를 들어, F1 방향으로 광케이블의 곡률 반경이 100m인 경우 단면이 20mm×20mm 정사각형인 본 발명의 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블이 사용된다면 F1과 F2의 변형률 차이는 200με이고, 곡률 반경이 200m로 증가하게 되면 그 변형률 차이는 100με이 된다. 즉, 곡률 반경이 증가할수록 F1과 F2의 변형률 차이가 줄어드는 것을 알 수 있다. 만일 본 발명의 케이블 단면을 10mm×10mm 정사각형으로 하면 상기 변형률 차이는 20mm×20mm 단면의 경우에 비해 절반으로 줄어들게 된다. 따라서 변형률 측정 장치의 측정 분해능에 따라 상기 케이블 단면의 크기는 다양하게 선정될 수 있다. 다만 케이블 단면의 크기가 크면 클수록 구조물의 미소한 변형도 쉽게 감지할 수 있다는 점과 현장에서 구조물에 본 발명의 케이블을 부착하는 상황을 고려하여 그 크기를 선정하여야 한다. 이러한 성분 변형률 광케이블은 정사각형 금형을 제작하여 그 금형을 통해 폴리에틸렌이나 PVC 등을 압출하는 과정에서 광케이블을 삽입함으로써 생산할 수 있다. 압출로 성분 변형률 광케이블을 생산하기 때문에 그 광케이블의 길이를 임의로 조정할 수 있으며 생산된 성분 변형률 케이블을 릴에 감아서 보관할 수 있다.
구조물의 한쪽 면에 본 발명의 성분 분포형 변형률 광케이블이 포설된다면 전 구간에 대해 연속적으로 1m 간격의 변형 방향 및 그 곡률을 계측할 수 있다. 여기서 곡률은 대상 구조물의 응력을 산출하는 주요 기본 자료가 되기 때문에 본 발명은 향후 구조물의 안전진단이나 안정성 평가에 크게 기여할 것이 기대된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블이 부착된 후 구조물이 임의의 방향으로 굽힘이 발생하였을 경우에 구조물에 부착된 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블에 대한 확대 평면도 및 측면도이다.
즉, 성분 분포형 변형률 광케이블이 포설된 구조물이 임의의 방향으로 굽힘(bending)이 발생하였을 경우 그에 대한 평면도 및 측면도를 나타내고 있다.
도 4의 평면도 및 측면도에서 본 발명의 광케이블의 일부 구간을 확대하여 나타내고 있다. 여기서 측면도에서 관찰되는 F1과 F2 싱글모드 광케이블에서 측정된 변형률을 각각 , ε1, ε2라 하면 F1과 F2 싱글모드 광케이블의 길이 L1과 L2는 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서, 
이므로 상기 두 식을 이용하여 곡률 반경 R을 구하면 다음과 같다.
따라서 F1, F2 방향의 곡률을 K12라 하면 곡률 K12는 다음과 같다.
여기서 곡률에는 음의 개념이 없으나 여기서는 방향성을 산출하기 위해 F1 방향으로 변형되면 그 곡률을 양으로, 그 반대 방향인 F2 방향을 변형되는 경우에는 그 곡률을 음으로 정의한다. 따라서 K12 > 0 이면 F1 방향으로, K12 < 0 이면 F2 방향으로 굽힘이 발생하였음을 의미한다.
한편 K12= 0 이면 F1이나 F2 방향으로 변형이 발생되지는 않았음을 의미하는 것이다.
도 4에서 관찰되는 F3와 F4에서 측정된 변형률을 각각 ε3, ε4라 하고 위와 같은 방법으로 계산하면 F3, F4 방향에 대한 곡률 K34는 다음과 같다.
여기서, K34 > 0 이면 F3 방향으로, K34 < 0 이면 F4 방향으로 굽힘이 발생하였음을 의미한다.
한편, K34 = 0 이면 F3이나 F4 방향으로 변형이 발생되지는 않았음을 의미하는 것이다.
따라서, 본 발명의 성분 분포형 변형률 광케이블로 측정된 각 구간의 곡률 K는 곡률 K12 와 곡률 K34의 벡터 합으로 다음과 같이 표현할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블이 부착된 후 구조물의 변형 방향에 대한 정의를 나타낸 도면이다.
도 5는 구조물의 변형 방향을 산출하기 위해 케이블 단면에 대한 방향을 정의하여 표현하고 있다. 구조물의 변형 방향을 F1을 기준으로 반시계방향으로 양의 각도를 갖는 것으로 정의하면 구조물의 변형 방향 벡터 K에 대한 각도 Ø는 다음과 같이 정의할 수 있다.
그리고, K12= 0, K34 = 0 이면 F1, F2, F3, F4 광케이블에 대한 변형률이 모두 같은 경우이며 이는 광케이블이 축 방향으로 인장 또는 수축되었음을 의미한다.
현장에서 구조물의 변형 방향 및 그에 대한 곡률을 측정하기 위해서는 본 발명의 성분 분포형 변형률 광케이블을 구조물에 적절한 접착제(예: 에폭시)를 이용하여 구조물과 일체가 되도록 부착하고 4개의 싱글모드 광케이블이 하나의 선으로 연결되도록 양끝단에서 fusion splicing 작업을 하여 분포 개념의 변형률 측정장치의 신호처리부에 연결하여 측정을 수행한다. 4개의 싱글모드 광케이블에서 측정된 결과에서 구조물의 동일 위치에 해당하는 부분들을 재정돈하여 상기 산출과정을 거치면 구조물에 대한 연속적인 1m 간격마다 변형 방향과 그에 대한 곡률을 얻을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템의 변형률 측정 기본 구성도이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정시스템은,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하는 측정용 광케이블과;
레이저 광을 보내는 광원부와;
산란광을 계측하는 수신부와;
수신된 광 신호를 분석하여 처리하는 신호처리부;로 이루어지는 성분 분포형 변형률 측정시스템에 있어서,
상기 측정용 광케이블은,
고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하기 위해서
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 일측에 위치시키는 제1싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 다른 일측에 위치시키는 제2싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 또 다른 일측에 위치시키는 제3싱글모드광케이블과,
구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 상기 제1싱글모드광케이 블 내지 제3싱글모드광케이블의 위치와는 다른 일측에 위치시키는 제4싱글모드광케이블과,
구조물의 온도를 측정하기 위해 어느 일측에 위치시키는 멀티모드 광케이블을 포함하여 구성되며,
상기 신호처리부는,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제1싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제1변형률측정부(430a)와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제2싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제2변형률측정부(430b)와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제3싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제3변형률측정부(430c)와,
브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제4싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제4변형률측정부(430d)와,
상기 제1변형률측정부 내지 제4변형률측정부를 통해 측정된 각각의 변형률 데이터를 획득하여 곡률을 계산하는 곡률계산부(430e)를 포함하여 구성되어 상기 각각의 싱글모드 광케이블을 통해 반사되는 광의 파장을 상기 각각의 변형률측정부에 의해 변형률을 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 양상에 따라 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정시스템은,
구조물의 온도를 측정하기 위해 어느 일측에 위치시키는 멀티모드 광케이 블(220)과;
라만(Raman) 산란파를 이용하여 상기 멀티모드 광케이블의 온도를 측정하는 온도측정부(미도시);를 더 포함하여 구성되어 상기 멀티모드 광케이블을 통해 반사되는 광의 파장을 상기 온도측정부에 의해 측정하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 곡률계산부는,
상기 각각의 싱글모드 광케이블에 의해 측정된 각 구간의 곡률은 
의 공식을 통하여 측정되는 것을 특징으로 하며,
상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,
상기 구조물의 중심점을 기준으로 어느 한 싱글모드 광케이블과 다른 싱글모드 광케이블의 사이각이 90도인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 신호처리부에 대하여 상세히 다음과 같이 상세히 설명한다.
광케이블에 파장이 짧은(1064 nm 또는 1550nm) 레이저 빛(110) 약 10nsec 정도의 시간 동안 보낼 수 있는 광원부(410)와 약 50cm 또는 1m 마다 3가지의 역산란광(Rayleigh, Raman, Brillouin scattering)이 반사되어 돌아오는 신호를 수신하는 수신부(420)와 수신부로 들어온 신호를 분석하여 온도 및 변형률 측정이 이루어지게 하는 신호처리부(430)로 구성됨을 알 수 있다.
상기 신호처리부(430)는
상기 제1변형률측정부 내지 제4변형률측정부를 통해 측정된 각각의 변형률 데이터를 획득하여 곡률계산부(430e)를 통해 곡률을 계산하게 되는데, 곡률의 계산 은 상기의 수식들을 통해 계산되어진다.
또한, 상기 신호처리부는 라만(Raman) 산란파를 이용하여 멀티모드 광케이블의 온도를 측정하는 온도측정부(미도시);를 포함하여 구성할 수 있게 되는데, 왜냐하면 실제 구조물이나 지반의 변형률을 계측하기 위해서는 온도의 영향을 배제한 변형률 변화를 계측하여야 하기 때문에 상기 온도측정 결과를 이용하여 온도 보정을 수행하게 된다.
상기한 기술은 광케이블을 이용한 분포 개념의 변형률 계측 기법이라 하며 예를 들어 광케이블이 대형 구조물에 약 10km 정도 포설되어 있다면 포설된 광케이블 구간에 대해 연속적으로 1m 간격마다 변형률을 계측할 수 있다.
본 발명의 대략적인 구성은 노후 교체 및 신설 구간에서 광케이블을 에폭시 접착제로 부착하고 한쪽 끝에 커넥터를 설치하여 분포 개념의 온도 및 변형률 측정 시스템(DTS 및 DTSS)에 연결하고 온도 및 변형률을 실시간으로 계측한다. 이때 사용되는 광케이블 내에는 싱글모드 및 멀티모드 두 가지 종류의 광섬유가 내재되어 있다. 여기서 싱글모드 광케이블은 변형률을 측정하는데 사용되며, 멀티모드 광케이블은 온도를 측정하는데 사용된다. 한편 DTS 및 DTSS 측정시스템은 광원부와 산란광을 계측하는 수신부 그리고 수신된 광신호를 분석하여 처리하는 신호처리부로 구성되어 있다.
싱글모드 광케이블에 관한 것으로는 대한민국 공개번호 10-2001-0086668 “인이 첨가되지 않은 싱글모드광섬유 제조방법과 그에 사용되는 외경제어시스템”에서 소개되었으며, 멀티모드 광섬유에 관한 것으로는 대한민국 공개번호 10-2001- 0113708 “멀티모드 섬유 및 그 제조방법”를 참조하면 된다.
이상에서와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시된 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구 범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법은,
광케이블을 이용한 분포 개념의 변형률 측정을 통해 구조물의 변형 방향 및 곡률을 계측할 수 있어 손쉽게 파악할 수 있기 때문에 탐지반 운영 경비 절감 효과를 제공할 수 있으며, 설치도 비교적 용이하게 할 수 있는 장점을 가진다.
Claims (10)
- 케이블에 있어서,고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 구조물의 변형률을 측정하기 위해 케이블 내부 외측으로 케이블의 길이방향을 따라 설치되는 제1싱글모드광케이블과;구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 단면의 중심을 기준으로 상기 제1싱글모드케이블과 90도를 이루는 케이블 내부 외측으로 케이블의 길이방향을 따라 제2싱글모드광케이블과;구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 단면의 중심을 기준으로 상기 제2싱글모드케이블과 180도를 이루는 케이블 내부 외측으로 케이블의 길이방향을 따라 제3싱글모드광케이블과;구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제3싱글모드광케이블의 위치와는 다른 케이블 내부 외측으로 케이블의 길이방향을 따라 설치되는 제4싱글모드광케이블;을 포함하여 구성되는 측정용 광케이블로서 구조물의 변형 방향 및 그에 대한 곡률을 확인할 수 있는 것을 특징으로 하는 성분 분포형 변형률 측정용 특수케이블.
- 제 1항에 있어서,상기 측정용 광케이블은,구조물의 온도를 측정하기 위해 어느 일측에 위치시키는 멀티모드 광케이블; 을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 성분 분포형 변형률 측정용 특수케이블.
- 제 1항에 있어서,상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,측정용 광케이블의 중심점을 기준으로 어느 한 싱글모드 광케이블과 다른 싱글모드 광케이블의 사이각이 90도인 것을 특징으로 하는 성분 분포형 변형률 측정용 특수케이블.
- 제 1항에 있어서,상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,융착 접속법(Fusion Splicing)을 이용하여 하나의 선으로 연결되도록 하는 것을 특징으로 하는 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블.
- 삭제
- 삭제
- 고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 온도 및 변형률을 측정하는 측정용 광케이블과;레이저 광을 보내는 광원부와;산란광을 계측하는 수신부와;수신된 광 신호를 분석하여 처리하는 신호처리부;로 이루어지는 성분 분포형 변형률 측정시스템에 있어서,상기 측정용 광케이블은,고착재에 의하여 구조물에 고정하게 되며 구조물의 변형률을 측정하기 위해 케이블 내부 외측으로 케이블의 길이방향을 따라 설치되는 제1싱글모드광케이블과;구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 단면의 중심을 기준으로 상기 제1싱글모드케이블과 90도를 이루는 케이블 내부 외측으로 케이블의 길이방향을 따라 제2싱글모드광케이블과;구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 단면의 중심을 기준으로 상기 제2싱글모드케이블과 180도를 이루는 케이블 내부 외측으로 케이블의 길이방향을 따라 제3싱글모드광케이블과;구조물의 성분 변형률을 측정하기 위해 케이블 내의 상기 제1싱글모드광케이블 내지 제3싱글모드광케이블의 위치와는 다른 케이블 내부 외측으로 케이블의 길이방향을 따라 설치되는 제4싱글모드광케이블을 포함하여 구성되며,상기 신호처리부는,브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제1싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제1변형률측정부와,브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제2싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제2변형률측정부와,브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제3싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제3변형률측정부와,브릴로인(Brillouin)산란파를 이용하여 상기 제4싱글모드광케이블의 1m 간격으로 변형률을 측정하는 제4변형률측정부와,상기 제1변형률측정부 내지 제4변형률측정부를 통해 측정된 각각의 변형률 데이터를 획득하여 곡률을 계산하는 곡률계산부를 포함하여 구성되어 상기 각각의 싱글모드 광케이블을 통해 반사되는 광의 파장을 상기 각각의 변형률측정부에 의해 변형률을 측정하는 것을 특징으로 하는 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정시스템.
- 제 7항에 있어서,성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정시스템은,구조물의 온도를 측정하기 위해 어느 일측에 위치시키는 멀티모드 광케이블과;라만(Raman) 산란파를 이용하여 상기 멀티모드 광케이블의 온도를 측정하는 온도측정부;를 더 포함하여 구성되어 상기 멀티모드 광케이블을 통해 반사되는 광의 파장을 상기 온도측정부에 의해 측정하는 것을 특징으로 하는 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정시스템.
- 삭제
- 제 7항에 있어서,상기 제1싱글모드광케이블 내지 제4싱글모드광케이블은,상기 구조물의 중심점을 기준으로 어느 한 싱글모드 광케이블과 다른 싱글모드 광케이블의 사이각이 90도인 것을 특징으로 하는 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블을 이용한 변형 방향 및 그에 대한 곡률 측정시스템.
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| KR1020070052247A KR100812309B1 (ko) | 2007-05-29 | 2007-05-29 | 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법 |
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| KR1020070052247A KR100812309B1 (ko) | 2007-05-29 | 2007-05-29 | 성분 분포형 변형률 측정용 광케이블 및 이를 이용한 변형방향 및 그에 대한 곡률 측정 시스템 및 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2007
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| KR101106726B1 (ko) * | 2009-08-14 | 2012-01-18 | 한국광해관리공단 | 광케이블을 이용한 온도보정 변형률 분해능 향상을 위한 계측 방법 |
| KR101090882B1 (ko) | 2009-12-14 | 2011-12-08 | 한국해양연구원 | 광섬유의 마이크로벤드 발생장치 및 이를 이용한 케이블의 곡률 측정방법 |
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