KR100943166B1 - 광섬유 변위계 및 이를 이용한 사면 안전 감시 시스템 - Google Patents

Abstract

이 발명은 광섬유 변위계와 이것을 이용한 사면 안전 감시 시스템에 대한 것이다. 이 발명의 광섬유 변위계는, 터널의 시·종점부의 사면(斜面)이나 도로의 좌·우측 사면 등의 거동과 과다한 변형에 의한 사면의 붕괴를 미리 예측하여 대처하기 위해 사면 중 지반이나 암반이 약한 곳에 설치되어 토사의 압력 변위에 의한 내부 광섬유 격자 센서로 변위를 계측하는 장치로서 그 구성은, 일정 범위 이상의 토사 압력의 변위가 발생하면 해당 변위량을 위 광섬유 격자 센서에 전달하기 위한 텐션 와이어(tension wire); 위 장치와 고정용 말뚝을 위 텐션 와이어로 연결하기 위해 텐션 와이어의 끝에 위치한 텐션 와이어 연결 고리; 위 텐션 와이어의 변위량에 따른 직선 운동을 회전 운동으로 바꾸어주는 풀리(pulley); 위 풀리의 아래쪽에 설치되어 내부 장치를 보호하는 몸체; 위 장치를 말뚝에 부착하기 위한 브라켓 고정부; 위 장치가 측정한 변위 데이터 값을 광섬유 데이터 로거로 전송하는 싱글 모드 광케이블(single mode optical cable); 위 싱글 모드 광케이블과 위 장치를 연결하며 위 몸체의 일측면에 위치하는 광케이블 고정부; 위 싱글 모드 광케이블의 한쪽 끝에 부착되어 다른 싱글 모드 광케이블과 서로 연결시켜주기 위한 광 커넥터; 및 위 광케이블 고정부와 연결되는 위 싱글 모드 광케이블을 보호하기 위한 광케이블 보호관(protective tube)을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 발명의 광섬유 변위계를 이용하면 절토 사면 내 암반의 과다한 거동은 물론 미세 거동까지 정밀하게 측정(분해능: 1 micro strain)하는 것이 가능하다.

광섬유 변위계, 광섬유 격자 센서, 변위 전달 장치, 사면, 안전, 감시, 터널, 도로, 수평 변위, 수직 변위, 계측, 계측 소프트웨어, 텐션 와이어, 광 스위치, 광섬유 데이터 로거, 사면 안전 감시 시스템.

Description

광섬유 변위계 및 이를 이용한 사면 안전 감시 시스템 {An optical fiber displacement meter and a slope safety monitoring system using the meter}

이 발명은 터널의 시·종점부의 사면(斜面)이나 도로의 좌·우측 사면 등의 거동과 과다한 변형에 의한 사면의 붕괴를 미리 계측하여 대처하기 위한 기술에 대한 것이다. 특히 이 발명은 사면 중 지반이나 암반이 약한 곳을 지정하여 그 곳을 계측하고 대처하기 위한 기술인 광섬유 변위계와 이를 이용한 사면 안전 감시 시스템에 대한 것이다.

일반적으로 광섬유 격자 센서는 정밀하고, 정확한 변형율을 측정할 수 있다는 장점을 가지고 있어서 건축·토목 계측 분야에 널리 이용되고 있으며, 이를 위해 다양한 형태의 광섬유 센서 패키지들이 나오고 있다. 하지만, 종래의 이러한 광섬유 격자 센서는 측정 범위가 일반적으로 최대 약 10,000με정도이고, 일반적인 사면 현장에 적용되는 광섬유 변위계의 측정 거리가 5m ~ 10m일 때 광섬유 격자 센서가 측정할 수 있는 최대 측정 범위(gage range)는 약 50mm ~ 100mm 정도에 불과하다. 따라서 큰 변형이 일어나는 곳에서 사용하기에는 제한이 있었다. 특히 사면 변위는 광섬유 변위계의 측정 거리가 5m ~ 10m일 때 측정 범위로서 0mm ~ 1000mm 정도를 요구하고 있으므로, 광섬유 격자 센서의 직접 측정 방법을 적용하여 설치하면 광섬유 격자 센서가 끊어지는 문제가 발생한다. 이러한 이유 때문에 광섬유 격자 센서가 갖는 장점을 그대로 살리면서 사면 변위의 측정 범위를 늘릴 수 있는 광섬유 격자 센서 관련 기술 개발의 필요성이 대두되었다.

한편 이 발명에서 사용되는 배경 기술 가운데 하나는 광섬유 브래그 격자 센서(Optical Fiber Bragg Grating Sensor. 이하 '광섬유 FBG 센서'라고 한다.)이며 이 센서의 원리에 대해 잠시 살펴보면 다음과 같다. 광섬유 FBG 센서는, 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건 변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합 구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압축, 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다.

광섬유 브래그 격자 배열형 센서에는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 빛의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다.

광섬유 브래그 격자 센서 어레이의 가장 큰 응용 중 하나는 구조물의 상태를 진단하는 것으로서 교량, 댐, 건축물 등의 제작 시에 콘크리트 내부에 광섬유 브래그 격자 센서 어레이를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도 등을 감지하여 구조물의 안전 상태를 진단할 수 있다. 그리고 브래그 파장의 변화를 측정하여 광섬유 FBG 센서에 인가된 물리량을 구할 수 있다. 또한 이 센서의 장점은, 전자 유도의 영향이 없어 잡음이 없고, 신뢰성과 계측 정밀도의 향상이 가능하고, 한 개의 센서로 화재 감지(온도 센서), 침입자 감지, 건축·토목 구조물의 건전성 감시 등 여러 기능을 동시에 수행할 수 있고, 한 가닥의 광섬유 케이블에 최대 30개 정도의 센서를 종속 접속할 수 있으며, 광섬유 센서 방식은 전기식에 비해 측정 거리를 10배 이상으로 연장할 수 있고, 낙뢰의 영향이 없고 고전압, 강자계 환경에서도 사용이 가능하며, 녹슬거나 부식이 없고, 내구성이 높으며, 발화의 위험이 없어 석유 화학 등의 중요 플랜트 내에서도 안전하게 사용할 수 있고, 기본적으로 방폭 성능을 구비하고 있다는 점들을 들 수 있다.

이 발명은 종래 사면 안전 감시 시스템이 갖는 문제점을 해결할 수 있는 새로운 구조의 광섬유 변위계 및 이것을 이용한 사면 안전 감시 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 발명은 광섬유 변위계를 이용하여 절토 사면 내 암반의 과다한 거동은 물론 미세 거동까지 정밀하게 측정(분해능 : 1 micro strain)하는 기술을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

이 발명은 광섬유 격자 센서 측정 범위가 일반적으로 최대 약 10,000με정도이고, 광섬유 변위계의 측정 거리가 5m ~ 10m일 때, 광섬유 격자 센서가 측정할 수 있는 최대 측정 범위는 약 50mm ~ 100mm 정도이나, 일반적인 사면 현장에 설치한 광섬유 변위계의 측정 범위로 0mm ~ 1,000mm 정도를 요구하므로 광섬유 격자 센서의 직접 측정 방법을 이용하면 광섬유 격자 센서가 끊어지는 문제가 발생하기 때문에 사면 변위를 측정하기 위해 광섬유 격자 센서를 변위 전달 장치에 부착하여 광섬유 격자 센서의 간접 측정 방법을 사용하는 기술을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이 발명은 광섬유에 빛을 전달하는 방식으로 전자기파의 영향을 받지 않는 광섬유 변위계를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이 발명은 광섬유 변위계와 광케이블의 직경을 작게 하여 매설 및 설치가 용이한 기술을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이 발명은 감시 지역 내 다수의 측정 점을 설치하여 경사면 붕괴 지역을 감시할 수 있는 광섬유 변위계를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이 발명은 광케이블 한 라인에 약 10개 정도의 광섬유 변위계를 직렬로 배열하여 보통 5줄이 측정 가능하며, 광 스위치(Optical Switch)를 사용하면 시스템 하나로 200 ~ 300개의 센서를 측정할 수 있는 광섬유 변위계를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이 발명은 실시간 사면의 거동을 모니터링할 수 있으며, 위험 수위 이상의 변위가 발생하면 즉각 경보가 울리고 각 현장의 담당자에게 SMS로 통보가 되는 기술을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

이 발명의 다른 목적과 장점은 하기된 발명의 상세한 설명을 읽고 첨부된 도면을 참조하면 보다 명백해질 것이다.

이 발명에 따른 광섬유 변위계는,

터널의 시·종점부의 사면(斜面)이나 도로의 좌·우측 사면 등의 거동과 과다한 변형에 의한 사면의 붕괴를 미리 예측하여 대처하기 위해 사면 중 지반이나 암반이 약한 곳에 설치되어 토사의 압력 변위에 의한 내부 광섬유 격자 센서로 변위를 계측하는 장치로서,

절토 사면에 일정 범위 이상의 토사 압력의 변위가 발생하면 해당 변위량을 위 광섬유 변위계에 전달하기 위한 텐션 와이어(tension wire);

위 장치와 고정용 말뚝을 위 텐션 와이어로 연결하기 위해 텐션 와이어의 끝 에 위치한 텐션 와이어 연결 고리;

위 텐션 와이어의 변위량에 따른 직선 운동을 회전 운동으로 바꾸어 주는 풀리(pulley);

위 풀리의 아래쪽에 설치되어 내부 장치를 보호하는 몸체;

위 장치를 말뚝에 부착하기 위한 브라켓 고정부;

위 장치가 측정한 변위 데이터 값을 광섬유 데이터 로거로 전송하는 싱글 모드 광케이블(single mode optical cable);

위 싱글 모드 광케이블과 위 장치를 연결하며 위 몸체의 일측면에 위치하는 광케이블 고정부;

위 싱글 모드 광케이블의 한쪽 끝에 부착되어 다른 싱글 모드 광케이블과 서로 연결시켜주기 위한 광 커넥터; 및

위 광케이블 고정부와 연결되는 위 싱글 모드 광케이블을 보호하기 위한 광케이블 보호관(protective tube)을 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고 이 발명의 광섬유 변위계를 이용한 사면 안전 감시 시스템의 구성은, 위에서 정의되는 광섬유 변위계를 이용하여 일정한 구배를 갖는 사면에 크랙(crack)이 있고, 이러한 크랙을 포함하고 사태가 일어날 가능성이 있는 특정 사면 지역을 감시하고자 하는 경우에 사면 안전을 감시하기 위한 시스템으로서,

터널의 시·종점부의 사면(斜面)이나 도로의 좌·우측 사면 등의 거동과 과다한 변형에 의한 사면의 붕괴 위험이 있는 곳 가운데 사면 지반이나 암반이 약한 곳에 다수 개가 설치되어 토사의 압력 변위에 의한 내부 광섬유 격자 센서로 변위를 계측하는 광섬유 변위계;

위 다수 개의 광섬유 변위계가 측정한 데이터 값을 읽어 들이기 위한 광섬유 데이터 로거(optical data logger);

위 광섬유 데이터 로거가 보내준 데이터를 처리하기 위한 계측용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템;

위 광섬유 변위계를 부착하거나 고정된 각각의 광섬유 변위계와 별도의 텐션 와이어에 의해 연결하여 텐션 와이어를 당겨주는 다수의 고정용 말뚝;

다수 개의 광섬유 변위계마다 하나의 회선으로 묶어 각 광섬유 변위계를 상호 직렬로 연결하여 광섬유 데이터 로거 또는 광 스위치로 연결시켜주는 광케이블;

위 광케이블 회선이 다수 개일 때 사용되며 위 광섬유 데이터 로거의 앞쪽에 설치되어 광섬유 데이터 로거가 한번에 읽을 수 있는 용량의 회선만큼 회선마다 설치된 광 스위치를 온오프하여 선택함으로써 위 광섬유 데이터 로거가 데이터를 읽어올 수 있도록 해주는 광 스위치;

위 광섬유 데이터 로거가 읽어 들인 데이터를 위 계측 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템으로 전송하기 위한 데이터 전송 DAQ용 케이블(data acquisition cable); 및

위 계측 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템이 처리한 결과를 유선 또는 무선 통신선을 이용하여 전송하면 이를 수신하여 절토 사면에서 위험 수위 이상의 변위가 발생했으면 자동으로 경보를 울리고 각 현장의 담당자에게 자동으로 SMS를 보 내 이상 변위 발생을 통보하는 중앙 감시 장치를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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이 발명의 실시로부터 기대되는 주요 효과들은 다음과 같다:

첫째, 광섬유 변위계를 이용하여 절토 사면 내 암반의 과다한 거동은 물론 미세 거동까지 정밀하게 측정(분해능 : 1 micro strain)하는 것이 가능하다.

둘째, 광섬유 변위계의 측정 거리가 5m ~ 10m일 때, 광섬유 격자 센서가 측정할 수 있는 최대 측정 범위는 약 50mm ~ 100mm 정도이나, 광섬유 변위계의 측정 범위를 0mm ~ 1,000mm 정도를 요구하므로 광섬유 격자 센서의 직접 측정 방법을 이용하면 광섬유 격자 센서가 끊어지는데 이 광섬유 격자 센서를 변위 전달 장치에 부착하여 광섬유 격자 센서의 간접 측정 방법을 사용하면 광섬유 격자 센서가 끊어지지 않고 안전하다.

둘째, 광섬유 변위계는 광섬유에 빛을 전달하는 방식으로 전자기파의 영향을 받지 않는다.

셋째, 광섬유 변위계와 광케이블의 직경이 작기 때문에 매설 및 설치가 용이하다.

넷째, 광섬유 변위계는 감시 지역 내 다수의 측정 점을 설치하여 경사면 붕괴 지역을 감시할 수 있다.

다섯째, 광섬유 변위계는 광케이블 한 라인에 10개 정도의 센서를 직렬로 배열하여 측정 가능하다. 이 발명에서는 보통 5줄이 측정 가능하며, 광 스위치(Optical Switch)를 사용하면 시스템 하나로 200 ~ 300개의 센서를 측정할 수 있다.

여섯째, 유지 관리 자동화 계측 시스템 구축으로 실시간 사면의 거동을 모니터링할 수 있으며, 위험 수위 이상의 변위가 발생하면 즉각 경보가 울리고 각 현장의 담당자에게 SMS로 통보가 된다.

1. 광섬유 변위계

이제 이 발명에서 사용하는 광섬유 변위계의 내부 구성에 대하여 별첨 도면들을 참조하여 설명한다.

종래 기술에 따른 광섬유 격자 센서들은 측정 범위가 일반적으로 최대 약 10,000με정도이고, 일반적인 사면 현장에 적용되는 광섬유 변위계의 측정 거리가 5m ~ 10m일 때 광섬유 격자 센서의 최대 측정 범위는 약 50mm ~ 100mm 정도이므로 큰 변형이 일어나는 곳에서는 사용하는데 제한이 있었다. 특히 사면 변위는 측정 범위로서 0 ~ 1,000mm 정도를 요구하고 있으므로 광섬유 격자 센서의 직접 측정 방법을 적용하여 설치하면 광섬유 격자 센서가 끊어지는 문제가 발생하였다.

이에 대해 이 발명에서 제시하는 광섬유 변위계는 광섬유 격자 센서가 가지는 장점을 그대로 살리면서, 측정 범위를 늘릴 수 있다는 장점이 있다. 도 5는 이 발명에 따른 광섬유 변위계(500)의 외관을 나타낸다. 도 5a와 도 5b는 사각형 모양 의 광섬유 변위계를 나타내고, 도 5c와 도 5d는 원형 모양의 광섬유 변위계를 나타낸다.

도 5a에서 520은 광섬유 변위계(500)의 광섬유 변위계 텐션 와이어(tension wire)(520), 510은 광섬유 변위계(500)의 텐션 와이어 연결 고리로서 광섬유 변위계 텐션 와이어(520)의 한쪽 끝에 부착되어 광섬유 변위계 텐션 와이어(520)를 연결하는 고리, 530은 풀리(pulley), 540은 광섬유 변위계 몸체, 550은 광섬유 변위계 광케이블 고정부, 560은 광섬유 변위계 브라켓 고정부를 각각 나타낸다. 도 5b ~ 도 5d에서도 모양만 다를 뿐 같은 참조 번호를 갖는 각각의 대응부는 도 5a의 경우와 명칭과 기능은 같다.

그리고 도 6은 이 발명에 따른 광섬유 변위계의 상세 외관도를 나타낸다. 도 6a에서 522는 광케이블 보호관(protective tube), 523은 싱글 모드 광케이블(single mode optical cable) 525는 FC/APC(Ferrule Contact/Angled Physical Contact type optical connector)형 광섬유 커넥터 또는 FC/PC(Ferrule Contact/Physical Contact)형 광섬유 커넥터, 530a는 풀리 상면부, 530b는 풀리 외측면부, 530c는 풀리 하면부, 532는 광섬유 변위계 텐션 와이어 입출구, 540a는 광섬유 변위계 몸체(540)의 중심면부, 540b는 광섬유 변위계 몸체(540)의 하면부로 광섬유 변위계 브라켓 고정부(560)와 광섬유 변위계 몸체의 중심면부(540a)의 연결부이다. 이때 광섬유 변위계 텐션 와이어)(520)의 길이 l₁과 싱글 모드 광케이 블(523)의 길이 l₂는 각각 사용자의 필요에 의해 정해진다(도 6b 참조).

도 7은 이 발명에 따른 광섬유 변위계의 내부 구조를 보여준다. 530은 풀리(pulley), 561은 볼 스크류(Ball screw), 562는 슬로프바 고정부, 563은 볼 스크류 너트(ball screw nut), 564는 슬로프 바(slope bar), 565는 광섬유 변위계 변위 전달 장치, 566은 볼 베어링(ball bearing), 567은 광섬유 격자 센서 부착부, 568은 광섬유 변위계 변위 전달 장치 고정부이다.

도 7a는 광섬유 변위계의 내부 구조를 보여주고, 도 7b에서는 광섬유 변위계 텐션 와이어(tension wire)(520)에 어떤 외부적인 원인에 의해 텐션이 가해져서 우측으로 변위가 일어날(즉, 우측으로 텐션 와이어를 잡아당길) 경우, 슬로프바 고정부(562)의 측면에 부착된 광섬유 변위계 변위 전달 장치 고정부(568)가 볼 스크류(Ball screw)(561)에 의해 아래쪽으로 이동하고 이와 동시에 슬로프 바(slope bar)(564)도 아래쪽으로 이동하며 광섬유 변위계 변위 전달 장치(565)는 우측으로 휘게 된다. 반대로 외부에서 가해지던 텐션이 제거되면 풀리(pulley)(530)가 오른쪽으로 돌아가서 광섬유 변위계 텐션 와이어(520)가 풀리(530)에 감기고 광섬유 변위계 텐션 와이어(520)의 길이가 짧아지고 이로 인해 볼 스크류(561)의 수직 운동에 의해 슬로프 바(564)가 위로 이동하므로 휘었던 변위 전달 장치(565)가 원상을 회복하게 된다. 도 8은 도 7에서 사용되는 슬로프 바(564)와 광섬유 변위계 변위 전달 장치(565)의 변위가 전달되는 예를 도시하고 있다.

이제 위에서 간단하게 내부 구조를 설명한 광섬유 변위계(500)의 동작 원리를 도 5 내지 도 8을 참조하여 좀 더 자세히 설명한다. 이 발명의 광섬유 변위계(500)의 광섬유 변위계 텐션 와이어(520)에 작용하는 힘 즉, 수평 방향의 길이 변위는 풀리(530)에 의해 회전 운동으로 전환되며, 회전 운동은 볼 스크류(561)에 의해 다시 수직 운동으로 바뀌게 된다.

볼 스크류(561)에 의해 얻어진 수직 운동은 슬로프 바(564)에 의해 광섬유 격자 센서(도시되어 있지 않음)가 부착되어있는 광섬유 변위계 변위 전달 장치(565)를 밀어 올려서 광섬유 격자 센서에 변위를 전달한다. 그리고 광섬유 변위계 변위 전달 장치(565)는 도 8과 같이 휘게 되고, 변위가 일어나기 전후의 전달 장치(565)의 직선거리의 차에 의해 변형을 측정할 수 있다. 이때 변형율 ε을 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 L₀는 광섬유 변위계 변위 전달 장치(565)의 처음 길이,

L은 변위가 일어난 광섬유 변위계 변위 전달 장치(565)의 직선 길이이다.

2. 사면 안전 감시 시스템

위에서 설명한 바와 같은 구조를 갖는 이 발명에 따른 광섬유 변위계(500)를 이용하여 사면 안전을 감시하기 위한 시스템(1000)에 대하여 설명하면 다음과 같다.

이 발명에 의한 광섬유 변위계(500)를 이용한 사면 안전 감시 시스템(1000)은 광 스위치(50), 광섬유 데이터 로거(100), 계측용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템(200), 광섬유 변위계 고정용 말뚝(300), 텐션 와이어(400), 광케이블(420), 데이터 전송 DAQ용 케이블(440), 유선 또는 무선 통신선(460), 광섬유 브래그 격자 센서(Optical Fiber Bragg Grating Sensor)가 부착된 광섬유 변위계(500) 및 중앙 감시 장치(600)(도시 않됨)를 구비하여 이루어진다.

도 1은 이 발명에 따른 광섬유 변위계를 이용한 사면 안전 감시 시스템의 일 예시도이다. 이 발명에서는 도 1에서 보듯이 다수 개의 광섬유 변위계 S1 ~ S8(500)이 사면에 설치된다. 도 1에서 광섬유 변위계(500) S1 ~ S8은 각각 고정용 말뚝(300) P1 ~ P8과 텐션 와이어(400)로 연결되어 있고, 광섬유 변위계(500) S1 ~ S8은 하나의 광케이블(420)에 의해 직렬로 연결되어 광 스위치(50)로 연결된다. 광 스위치(50)는 이러한 광케이블(420) 회선이 거의 무한대로 접속될 수 있고, 각 회선마다 각각 하나의 스위치를 할당하여 광섬유 데이터 로거(100)가 한번에 읽어 들일 수 있는 회선 수(보통 8회선) 범위 내에서 데이터를 읽어 들이기 원하는 회선을 광 스위치(50)로 선택한 다음 선택된 회선의 광케이블(420)에 연결된 광섬유 변위계(500)들에 의해 측정된 변위 정보를 읽어 들인다. 도 1의 예에서는 하나의 회선 만 나타내었다. 그리고 여기서 각각의 광섬유 변위계(500) S1 ~ S8은 위 고정용 말뚝(300) P1 ~ P8 이외에 S1 ~ S8로 표시된 위치에 별도의 고정용 말뚝(300)을 각각 설치하여 각각의 고정용 말뚝(300)에 부착되어 있다. 따라서 도 1에서는 모두 16개의 고정용 말뚝(300)이 사용되고 있다.

도 1에서 각각의 광섬유 변위계(500)는 자신이 설치된 경사면(slope)의 거동과 과다한 변형에 의한 사면의 붕괴 조짐이 있을 경우 자신과 고정용 말뚝(300) 사이에 연결된 텐션 와이어(400)를 통해 변위를 감지하여 측정한 다음 해당 측정 데이터를 광케이블(420)을 통해 광 스위치(50)와 광섬유 데이터 로거(100)로 전송한다. 이때 전송되는 데이터의 형태는 광신호이다. 광섬유 데이터 로거(100)의 데이터는 다시 데이터 전송 DAQ(data acquisition)용 케이블(440)을 거쳐 컴퓨터 시스템(200)으로 전송되며 컴퓨터 시스템(200)에는 측정한 데이터를 처리할 수 있는 계측용 소프트웨어가 설치되어 있다. 계측용 소프트웨어에 의해 처리된 데이터는 디지털 신호로서 유선 또는 무선 통신선(460)으로 중앙의 감시 장치(600)로 전송된다. 중앙 감시 장치(600)는 전송받은 데이터에 의해 실시간에 사면의 거동을 모니터링할 수 있고 일련의 데이터 송수신 및 모니터링 과정의 유지 관리가 자동화 되어 있다. 따라서 사면에서 위험 수위 이상의 변위가 발생하면 자동적으로 경보가 울리고 각 현장의 담당자에게 자동적으로 SMS를 이용해 통보가 이루어진다.

한편 사면에 위 광섬유 변위계(500)들을 설치하는 과정은 다음과 같다:

① 절토 사면의 선정된 위치에 천공(2m ~ 3m)을 한 뒤 광섬유 변위계 고정용 말뚝(300)을 삽입하고 고정용 말뚝(300) 주변을 레진으로 충진하여 고정용 말 뚝(300)을 고정시킨다.

② 각각의 선정된 위치에 고정시킨 고정용 말뚝(300)에 광섬유 변위계 브라켓 고정부(560)를 부착한다.

③ 광섬유 변위계(500)를 광섬유 변위계 브라켓 고정부(560)를 통해 고정용 말뚝(300)에 고정한다. 그리고 각각의 광섬유 변위계(500)마다 텐션 와이어(400)를 통해 연결되어 광섬유 변위계(500)를 고정시키기 위한 별도의 고정용 말뚝(300)을 절토 사면에 설치한다.

④ 광섬유 변위계(500)를 광케이블(420)에 연결하여 배선하고 광 스위치(50)와 광섬유 데이터 로거(100)를 거쳐 계측용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템(200)에 연결한다. 이때 계측용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템(200)과 광섬유 데이터 로거(100) 사이는 데이터 전송 DAQ 케이블로 연결한다.

⑤ 계측 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템(200)은 유선 또는 무선 통신선(460)으로 중앙의 감시 장치(600)로 데이터를 전송한다.

도 2의 모식도는 절토사면 측정용 광섬유 변위계(500) S1 ~ S4를 설치하여 실시간 유지 관리 계측을 수행하는 예를 도시하고 있다. 도 2의 예에서도 광섬유 변위계(500) S1 ~ S4는 각각 광섬유 변위계 고정용 말뚝(300)에 설치된다. 광섬유 변위계(500) S4는 고정용 말뚝(300) P1에 의해 텐션 와이어(400)로 고정되고, 광섬유 변위계(500) S3은 S4가 설치된 고정용 말뚝(300)에 의해 텐션 와이어(400)로 고정되며, 같은 식으로 광섬유 변위계(500) S2와 S1도 텐션 와이어(400)에 의해 각각 고정된다. 이와는 별도로 광섬유 변위계(500) S1 ~ S4는 하나의 광케이블(420)에 의해 광섬유 데이터 로거(100)로 연결되며 이는 다시 데이터 전송 DAQ용 케이블(440)을 거쳐 계측 소프트웨어가 있는 컴퓨터 시스템(200)에 연결되고 이는 다시 유선 또는 무선 통신선(460)을 통해 중앙의 사면 안전 감시 장치(600)에 연결된다. 특히 도 2의 시스템 구성은 절토 사면에 광섬유 변위계(500) S1 ~ S4를 수직 배열한 경우를 예시하고 있다.

도 3은 이 발명에 의한 구조의 광섬유 변위계(500) S10과 S20이 절토 사면에 설치된 예를 보여주고 있다. 이 예에서는 두 개의 광섬유 변위계(500) S10과 S20이 각각 고정용 말뚝(300)에 부착되어 있다. 이들 고정용 말뚝(300)은 각각 지표면에서 특정 깊이만큼 박혀 있고, 각각의 고정용 말뚝(300)에 부착된 광섬유 변위계(500) S10과 S20 사이의 직선거리는 이 예에서는 2000mm ~ 3000mm이다. 고정용 말뚝(300) P10과 광섬유 변위계(500) S10은 텐션 와이어(400)로 연결되고, 광섬유 변위계(500) S20은 S10이 부착된 고정용 말뚝(300)과 텐션 와이어(400)로 연결되어 있다.

도 4는 도 3의 부분 상세도이다. 즉 고정용 말뚝(300) P10과 광섬유 변위계(500) S10 사이는 텐션 와이어(400)로 연결되어 있고, 고정용 말뚝(300) P10은 단순히 뒷단의 광섬유 변위계(500) S10과 연결된 텐션 와이어(400)를 수평으로 잡아 당겨서 기준점을 만들어주는 역할을 수행한다.

이처럼 이 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 이 발명은 상기 발명의 상세한 설명에서 언급된 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구 범위에 의해 정의되는 이 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이 발명은 지반 경사면의 변위를 계측하거나, 흙이나 암반의 수평수직 변위를 계측하거나, 도로와 철로 등의 절개지 낙석 및 붕괴를 감시하기 위한 변위를 계측하거나, 터널이나 광산의 경구부 사면의 변위를 계측하는데 이용 가능하다. 따라서 이 발명은 산업상 이용 가능성이 매우 높은 기술임을 알 수 있다.

도 1은 이 발명에 따른 광섬유 변위계를 이용한 사면 안전 감시 시스템의 일 모식도.

도 2는 이 발명에 따른 광섬유 변위계를 이용한 사면 안전 감시 시스템의 다른 일 모식도.

도 3은 이 발명에 따른 광섬유 변위계 설치의 일 예시도.

도 4는 도 3의 부분 상세도.

도 5는 이 발명에 따른 광섬유 변위계의 외관도.

도 6은 이 발명에 따른 (원형) 광섬유 변위계의 상세 외관도.

도 7은 이 발명에 따른 광섬유 변위계의 내부 구조도.

도 8은 이 발명에 따른 광섬유 변위계에 사용되는 변위 전달 장치의 변위 전달 예시도.

< 도면의 주요 구성요소에 대한 설명 >

50: 광 스위치

100: 광섬유 데이터 로거(optical data logger)

200: 계측용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템

300: 광섬유 변위계 고정용 말뚝

400: 텐션 와이어(tension wire)

420: 광케이블(optical cable)

440: 데이터 전송 DAQ용 케이블

500, S1 ~ S8, S10 ~ S20: 광섬유 변위계

510: 광섬유 변위계 텐션 와이어 연결 고리

520: 광섬유 변위계 텐션 와이어(tension wire)

522: 광케이블 보호관(protection tube)

523: 싱글 모드 광케이블(single mode optical cable)

525: 광 FC/PC 커넥터(Ferrule Contact/Physical Contact type optical connector) 또는 광 FC/APC 커넥터(Ferrule Contact/Angled Physical Contact type optical connector)

530: 광섬유 변위계 풀리(Pulley)

530a: 광섬유 변위계 풀리 상면부

530b: 광섬유 변위계 풀리 외측면부

530c: 광섬유 변위계 풀리 하면부

532: 광섬유 변위계 텐션 와이어 입출구

540: 광섬유 변위계 몸체

540a: 광섬유 변위계 몸체 중심면부

540b: 광섬유 변위계 몸체 하면부

550: 광섬유 변위계 광케이블 고정부

560: 광섬유 변위계 브라켓 고정부

561: 볼 스크류 (ball screw)

562: 슬로프 바 고정부

563: 볼 스크류 너트(ball screw nut)

564: 슬로프 바(slope bar)

565: 광섬유 변위계 변위 전달 장치

566: 볼 베어링(ball bearing)

568: 광섬유 변위계 변위 전달 장치 고정부

1000: 광섬유 변위계를 이용한 사면 안전 감시 시스템

L₀: 원래 광섬유 변위계 변위 전달 장치의 길이

L: 변형된 광섬유 변위계 변위 전달 장치의 직선 길이

광섬유 FBG 센서: 광섬유 브래그 격자 센서(Optical Fiber Bragg Grating Sensor)

Claims (10)

1. 터널의 시종점부의 사면(斜面)이나 도로의 좌우측 사면 등의 거동과 과다한 변형에 의한 사면의 붕괴를 미리 예측하여 대처하기 위해 사면 중 지반이나 암반이 약한 곳에 설치되어 토사의 압력 변위에 의한 내부 광섬유 격자 센서로 변위를 계측하는 장치로서,

   일정 범위 이상의 토사 압력의 변위가 발생하면 해당 변위량을 위 광섬유 격자 센서에 전달하기 위한 텐션 와이어(tension wire);

   위 장치와 말뚝을 위 텐션 와이어로 연결하기 위해 텐션 와이어의 끝에 위치한 텐션 와이어 연결고리;

   위 텐션 와이어의 변위량에 따른 직선 운동을 회전 운동으로 바꾸어주는 풀리(pulley);

   위 풀리의 아래쪽에 설치되어 내부 장치를 보호하는 몸체;

   위 장치를 말뚝에 부착하기 위한 브라켓 고정부;

   위 장치가 측정한 변위 데이터 값을 데이터 로거로 전송하는 싱글 모드 광케이블(single mode optical cable);

   위 싱글 모드 광케이블과 위 장치를 연결하며 위 몸체의 일측면에 위치하는 광케이블 고정부;

   위 싱글 모드 광케이블의 한쪽 끝에 부착되어 다른 싱글 모드 광케이블과 서로 연결시켜주기 위한 광 커넥터;

   위 광케이블 고정부와 연결되는 위 싱글 모드 광케이블을 보호하기 위한 광케이블 보호관(protective tube);

   위 텐션 와이어의 직선 운동시 텐션 와이어가 위 장치 안팎으로 드나들기 위한 통로인 텐션 와이어 입출구;

   위 풀리가 위 텐션 와이어를 감아주기 위한 수단;

   위 풀리의 회전축;

   위 회전축 외표면에 설치된 볼 스크류;

   볼 스크류 너트를 개재시켜 위 회전축에 설치되어 회전축의 회전시 회전축에 형성된 나사에 의해 회전축의 상하로 움직이고 슬로프 바(slope bar)를 고정하기 위한 슬로프 바 고정부;

   위 슬로프 바 고정부에 부착된 변위 전달 장치 고정부;

   위 변위 전달 장치 고정부에 설치된 슬로프 바;

   위 변위 전달 장치 고정부에 설치되고 위 텐션 와이어에 의해 전달된 변위 값으로 절토 사면의 토사 압력을 측정하며 위 광섬유 격자 센서가 부착된 변위 전달 장치; 및

   위 변위 전달 장치 고정부에 설치되어 위 변위 전달 장치의 변위 정도에 따라 변위 전달 장치와 접촉되어 부드럽게 직선 운동을 할 수 있게 하는 볼 베어링을 를 구비하여 이루어지며,

   이때 위 텐션 와이어의 길이와 싱글 모드 광케이블의 길이는 각각 사용자의 필요에 의해 정해지고,

   위 광 커넥터는 광 FC/PC 커넥터(Ferrule Contact/Physical Contact type optical connector) 또는 광 FC/APC 커넥터(Ferrule Contact/Angled Physical Contact type optical connector)이며,

   위 광섬유 격자 센서는 광섬유 브래그 격자 센서(Optical Fiber Bragg Grating Sensor)인 것을 특징으로 하는, 광섬유 변위계.
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7. 제 1 항에서 정의되는 광섬유 변위계를 이용하여 일정한 구배를 갖는 사면에 크랙(crack)이 있고, 이러한 크랙을 포함하고 사태가 일어날 가능성이 있는 특정 사면 지역을 감시하고자 하는 경우에 사면 안전을 감시하기 위한 시스템에 있어서

   터널의 시종점부의 사면(斜面)이나 도로의 좌우측 사면 등의 거동과 과다한 변형에 의한 사면의 붕괴 위험이 있는 곳 가운데 사면 지반이나 암반이 약한 곳에 다수 개가 설치되어 토사의 압력 변위에 의한 내부 광섬유 격자 센서로 변위를 계측하는 광섬유 변위계;

   위 다수 개의 광섬유 변위계가 측정한 데이터 값을 읽어 들이기 위한 광섬유 데이터 로거(optical data logger);

   위 광섬유 데이터 로거가 보내준 데이터를 처리하기 위한 계측용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템;

   위 광섬유 변위계를 부착하거나 고정된 각각의 광섬유 변위계와 별도의 텐션와이어에 의해 연결하여 텐션 와이어를 당겨주고 절토 사면의 선정된 위치에 설치할 때엔 천공을 한 뒤 삽입되고 그 주변이 레진으로 충진하여 고정되는 다수의 고정용 말뚝;

   다수 개의 광섬유 변위계마다 하나의 회선으로 묶어 각 광섬유 변위계를 상호 직렬로 연결하여 광섬유 데이터 로거 또는 광 스위치로 연결시켜주는 광케이블;

   위 광케이블 회선이 다수 개일 때 사용되며 위 광섬유 데이터 로거의 앞쪽에 설치되어 광섬유 데이터 로거가 한번에 읽을 수 있는 용량의 회선만큼 회선마다 설치된 스위치를 온오프하여 선택함으로써 위 광섬유 데이터 로거가 데이터를 읽어올 수 있도록 해주는 광 스위치;

   위 광섬유 데이터 로거가 읽어 들인 데이터를 위 계측용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템으로 전송하기 위한 데이터 전송 DAQ용 케이블(data acquisition cable); 및

   위 계측용 소프트웨어가 내장된 컴퓨터 시스템이 처리한 결과를 유선 또는 무선 통신선을 이용하여 전송하면 이를 수신하여 사면에서 위험 수위 이상의 변위가 발생했으면 자동으로 경보를 울리고 각 현장의 담당자에게 자동으로 SMS를 보내 이상 변위 발생을 통보하는 중앙 감시 장치를 구비하여 이루어지고,

   이때 위 고정용 말뚝에 부착된 광섬유 변위계들 사이의 직선 거리는 2000 ~ 3000mm 범위 안에서 설치되고, 한 회선의 광케이블에 최대 10개까지의 광섬유 변위계를 직렬로 배열하여 연결할 수 있고, 위 광 스위치는 위 광섬유 데이터 로거가 이러한 회선의 데이터를 한번에 최대 5회선까지 동시에 읽어 들일 수 있도록 하고, 광 스위치의 회선당 스위치 소자 수를 증가시킴으로써 원하는 만큼의 회선을 광 스위치에 연결시킬 수 있는 것을 특징으로 하는, 광섬유 변위계를 이용한 사면 안전 감시 시스템.
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