KR100991867B1 - Method for measuring bridge scour using optical fiber sensor - Google Patents

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Abstract

광섬유센서의 온도 계측 원리에 의해 기온, 수온 및 수중 지표면 온도를 측정하고, 각각의 온도 변화에 대응하여 교량 세굴을 파악함으로써, 교량 상시 계측 시스템에 적용할 수 있고, 또한, 간단한 구성으로 분석 시간을 대폭 단축시킴으로써 실시간으로 교량 세굴을 측정할 수 있는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법이 제공된다. 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법은, 온도를 측정할 수 있는 광섬유센서를 교량 바닥판 하부로부터 수중 지표면까지 설치하여 교량 세굴을 측정하는 방법에 있어서, a) 온도에 대한 기준 데이터 및 세굴량 관련 기준 위치 데이터를 설정하는 단계; b) 광섬유센서를 이용하여 수면 및 수중 지표면의 온도변화를 감지하는 단계; c) 온도에 대한 기준 데이터에 근거하여 대기온도와 수온의 변화 위치를 파악하고, 수온과 수중 지표면의 온도 변화 위치를 파악하는 단계; d) 교량 바닥판 하부의 기준 위치로부터 수면 및 수중 지표면의 높이를 산출하는 단계; 및 e) 산출된 수면 및 수중 지표면의 높이와 기설정된 세굴량 관련 기준 위치 데이터와 비교하여 교량 세굴량을 계산하는 단계를 포함한다.

Figure R1020080136013

교량 세굴 측정, 광섬유센서, 상시계측, 온도 측정, 세굴량

By measuring the temperature, water temperature, and underwater surface temperature according to the temperature measurement principle of the optical fiber sensor, and grasping the bridge scour in response to each temperature change, it can be applied to the continuous measurement system of the bridge. A bridge scour measuring method using an optical fiber sensor that can measure bridge scour in real time by greatly shortening is provided. In the method of measuring bridge scour using optical fiber sensor, a method of measuring bridge scour by installing an optical fiber sensor capable of measuring temperature from the bottom of the bridge deck to the underwater surface includes: a) reference data about the temperature and criteria related to scour amount Setting location data; b) detecting a change in temperature of the surface of the water and the surface of the water using an optical fiber sensor; c) determining the change position of the atmospheric temperature and the water temperature based on the reference data on the temperature, and identifying the change position of the water temperature and the surface of the water surface; d) calculating the heights of the water surface and the underwater surface from the reference position below the bridge deck; And e) calculating a bridge scour amount by comparing the calculated heights of the surface of the water and the surface of the water with reference position data related to the predetermined scour amount.

Figure R1020080136013

Bridge scour measurement, fiber optic sensor, phase clock side, temperature measurement, scour amount

Description

광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법 {Method for measuring bridge scour using optical fiber sensor}Method of measuring bridge scour using optical fiber sensor {Method for measuring bridge scour using optical fiber sensor}

본 발명은 교량 세굴 측정 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 교량 세굴(Bridge Scour)의 상시 계측을 위해 광섬유센서를 이용하여 교량 세굴을 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring bridge scour, and more particularly, to a method for measuring bridge scour using an optical fiber sensor for continuous measurement of bridge scour.

교량 세굴(Bridge Scour)이란 유체의 흐름에 의해 교량의 교각 및 교대 주변의 하상재료가 유실되는 현상을 말하며, 이로 인해 낮아진 하상고와 자연 하상고와의 차이를 세굴심이라고 한다. 예를 들면, 유속과 그로 인해 하상에 야기되는 전단응력은 하천유역 내에 홍수가 발생하였을 때 급격히 증가하며, 이로 인해 하천 경계면의 토사는 더 많이 침식되어 이동하게 된다. 특히, 하천 내에 위치한 교각이나 교대와 같은 수리학적 구조물은 흐름을 가속시키거나 와류를 형성시켜 흐름 유형의 변화를 야기함으로써 그 구조물 주위에 세굴을 발생시킨다.Bridge scour refers to a phenomenon in which the flow of fluid loses riverbed material around bridge bridges and bridges, and the difference between the lowered riverbed and the natural riverbed is called scouring. For example, the flow velocity and thus the shear stress caused by the riverbed increase rapidly when a flood occurs in the river basin, causing more soil to erode and move along the river boundary. In particular, hydraulic structures, such as piers or shifts, located within a stream, generate scour around the structure by accelerating the flow or forming vortices, causing a change in flow type.

이러한 세굴의 양상은 흐름 특성뿐만 아니라 하상재료의 구성 성분에 따라 달라질 수 있다. 느슨한 입자의 토양은 유수에 의해 세굴이 급격히 일어나지만, 점착성이 있거나 다져진 토양은 세굴에 보다 잘 견딘다. 그러나 점착성 혹은 다져 진 토양의 경우도 홍수사상이 충분히 오랜 시간 지속될 경우, 사질토 하상과 비슷한 정도의 최종 세굴 깊이를 가질 수 있다. 이때, 세굴량을 결정하는 것은 세굴 과정의 주기적인 속성 때문에 매우 복잡하다. 홍수시의 최대 유량 근처에서 세굴심은 최대일 수 있지만, 유량과 유속이 감소함에 따라 세굴공은 침전물로 다시 채워져 최대 세굴심보다 작아지기 때문이다.The pattern of scouring may vary depending on the flow characteristics as well as the composition of the bed material. Loose particles of soil are scoured rapidly by running water, but cohesive or compacted soils are more resistant to scour. However, cohesive or compacted soils may have a final scour depth similar to that of sandy soils if flood events last long enough. At this time, determining the amount of scour is very complicated because of the periodic nature of the scour process. The scour depth can be maximum near the maximum flow rate during flooding, but as the flow rate and flow rate decrease, the scour hole refills with sediment and becomes smaller than the maximum scour depth.

한편, 교량 횡단부에서 발생할 수 있는 세굴의 형태는 크게 장기하상 변동(long term streambed elevation change), 단면축소 세굴(contraction scour) 그리고 국부 세굴(local scour)로 구분될 수 있다. 여기서, 장기하상 변동이란 교량의 유무에 상관없이 장기간 또는 단기간에 발생하는 하상고의 변동을 말하고, 단면축소 세굴은 교량 등의 인공구조물 또는 자연적인 요인에 의해 하천내의 통수 단면적이 축소되어 발생하는 세굴을 말하며, 또한, 국부 세굴은 구조물에 의한 흐름의 방해와 가속된 흐름에 의해 야기된 와류(vortex)의 발달에 의해 생긴 세굴을 말한다. 통상적으로, 교각, 또는 교대 주변의 총 세굴은 이상의 세 가지 세굴 성분인 장기하상 변동, 단면축소 세굴, 국부 세굴을 모두 합하여 산정하게 된다.On the other hand, the type of scour that can occur in the bridge cross section can be classified into long term streambed elevation change, section scour and local scour. Here, long-term river fluctuations are fluctuations in riverbed heights occurring in a long or short term regardless of the existence of bridges. Sectional scouring is a scour caused by the reduction of the cross-sectional area of the river due to natural structures or natural factors such as bridges. In addition, local scour refers to scour caused by the development of vortex caused by disturbed flow by the structure and accelerated flow. Typically, the total scour around the piers, or alternations, is calculated by adding all three scour components, long-term bed fluctuations, cross-sectional scour, and local scour.

한편, 전술한 세굴로 인한 교량의 피해를 줄이기 위해서는 교량 하부구조에 대한 지속적인 유지관리가 필요하며, 이를 통해 세굴의 진행 상태와 교량의 건전도를 정확히 조사하고 평가해야 한다.On the other hand, to reduce the damage of the bridge due to the aforementioned scour, continuous maintenance of the bridge infrastructure is required, and through this, the progress of scour and the integrity of the bridge must be accurately investigated and evaluated.

교량 기초 주변의 세굴 상태 조사 방법에는 작업원이 방수복을 착용한 채 교량 하부나 물속에 들어가 수심측정 막대기(sounding pole)로 수심을 직접 재는 방법, 및 보트를 타고 세굴심도를 조사하는 등의 기초적인 방법이 있다. 전자의 경 우, 수심과 유속에 따라 측정 가능한 공간범위가 제한적이고, 시간이 오래 걸리며 작업자의 안전성이 문제이다. 후자의 경우, 공간적 측정 범위와 정확도는 전자에 비해 높지만, 준비 과정을 포함한 전체 작업시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 또한, 잠수부를 이용한 수중조사 방법은 현재 건설교통부가 관리하는 국도상 교량에서 항시 기초가 물속에 잠겨있는 수중교의 기초상태 조사 및 세굴심 측정에 사용되고 있다. 이 방법은 유속이 빠를 경우 조사가 어렵고 진행속도가 느리며 비용이 많이 든다는 단점이 있다.The method of investigating scour conditions around the foundation of the bridge includes basic methods such as a worker entering the lower part of the bridge or the water while wearing a waterproof suit, measuring the depth with a sounding pole, and investigating the scour depth in a boat. There is a way. In the former case, the measurable space range is limited, time consuming and operator safety depending on the depth and flow rate. In the latter case, the spatial measurement range and accuracy are higher than the former, but the overall work time including preparation is long. In addition, the underwater survey method using a diver is currently used for the basic condition investigation and scour depth measurement of the underwater bridge where the foundation is always submerged in the bridge on the national road managed by the Ministry of Construction and Transportation. This method has the disadvantage of being difficult to investigate at high flow rates, slow progress, and expensive.

구체적으로 종래기술에 따른 교량 세굴 조사 방법은, 휴대용 세굴 측정장치, 부유대를 이용한 세굴 측정장치, 고정막대를 이용한 세굴 조사장치, 로봇팔을 이용한 세굴 조사장치 및 원격조정 보트 시스템 등이 있다.Specifically, the bridge scrubbing method according to the related art includes a portable scour measuring device, a scour measuring device using a floating rod, a scour irradiation device using a fixed rod, a scouring device using a robot arm, and a remotely controlled boat system.

먼저, 휴대용 세굴 측정장치는 비교적 소규모의 교량에서 교량 하부의 세굴 상태를 조사하기 위해 사용된다. 이 장비는 측정막대(sounding pole)를 수면까지 접근시킨 후 작업원이 손으로 들고 있는 상태에서 측정막대 하단에 장착한 세굴측정 센서(sounding device)를 사용하여 교각 주변의 세굴심도를 측정한다. 그런데, 휴대용 세굴측정 장치는 작업봉(rod)을 포함하여 무게가 최대 75kg이며, 세굴측정 데이터를 현장에서 실시간으로 수집할 수 있다. 그러나 수심이 깊은 곳이나 교량의 규모가 큰 곳, 유속이 빠른 곳에서는 세굴 측정이 어려우며 교량 상부에서의 수직방향 측정만 가능하므로 교각 주변의 여러 지점을 측정할 수 없다는 단점이 있다. First, a portable scour measuring device is used to investigate the scour state under the bridge in a relatively small bridge. The instrument measures the scour depth near the piers using a sounding device mounted near the bottom of the bar while the worker is holding the hand near the water pole. By the way, the portable scour measuring device has a weight of up to 75kg including a rod (rod), the scour measurement data can be collected in real time in the field. However, it is difficult to measure scour in deep water, large bridges, and high speeds, and it is impossible to measure several points around the bridge because only vertical measurements can be performed at the top of the bridge.

다음으로, 부유대를 이용한 세굴측정 장치는 수면에 뜰 수 있는 부유 대(Float platforms)에 어군탐지 초음파센서(fish-finder type sonar instrument)를 장착하여 적은 비용으로 교량 주변의 세굴심도를 측정할 수 있다. 또한, 교량 주변을 부유대가 자유롭게 움직이므로 세굴 탐사지역을 광범위하게 조사할 수 있다. 하지만 이 방법은 대형 하천이나 유속이 빠른 곳, 바람의 영향을 많이 받는 곳에서는 적용성이 낮다.Next, the scour measuring device using the float is equipped with a fish-finder type sonar instrument on the float platform that can float on the surface, and can measure the scour depth around the bridge at a low cost. have. In addition, the floating zone moves freely around the bridge, allowing extensive scrutiny of scour exploration sites. However, this method is not applicable to large rivers, high speed flows, or places affected by wind.

다음으로, 고정막대(fixed pole)를 이용한 세굴 조사 장치(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 작업자(12)가 고정막대(13)를 교각/교대(11) 하부로 내려 보낸 후, 초음파 세굴 측정센서(14)를 통해 교각/교대(11) 주변의 세굴 상태를 측정하며, 주로 단일 지점에 대한 세굴 상태를 장기적인 계측을 통해 시간에 따른 세굴심도의 변화를 분석할 때 사용된다. 도 1은 종래의 기술에 따른 고정막대를 이용한 세굴조사 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 각각 도 1의 고정막대가 링 타입, 전자기형 타입 및 칼라 이미지 음파 타입인 경우를 예시는 도면들이다.Next, in the scour irradiation device 10 using a fixed pole, as shown in FIG. 1, after the operator 12 sends the fixed rod 13 down to the pier / shift 11, The ultrasonic scour sensor 14 measures the scour state around the piers / shifts 11 and is mainly used to analyze the scour depth over time through long term measurement of scour conditions for a single point. 1 is a view for explaining a scour irradiation method using a fixed bar according to the prior art, Figures 2a to 2c is a case of the fixed bar of Figure 1 is a ring type, electromagnetic type and color image sound wave type respectively Are drawings.

이러한 장기 계측에 사용되는 세굴 측정 기법에는, 도 2a에 도시된 바와 같이 바닥면의 변화에 따라 링이 움직여 그 변화를 세굴심도로 결정하는 링 타입(Ring type)의 방법, 도 2b에 도시된 바와 같이 전자기파(electromagnetic wave) 감지센서를 장착하여 유속과 수심을 측정할 수 있는 전자기형 타입의 방법, 및 도 2c에 도시된 바와 같이 측정지점의 단면을 영상으로 나타내는 컬러 이미지 음파 타입(Color-imaged sonar type)의 방법 등이 있다.In the scour measurement technique used for long-term measurement, as shown in FIG. 2A, the ring moves according to the change of the bottom surface to determine the change as the scour depth, as shown in FIG. 2B. Electromagnetic type method that can measure flow velocity and depth by mounting electromagnetic wave sensor, and color-imaged sonar type that shows the cross section of measurement point as an image as shown in Fig. 2c. ) And the like.

이러한 고정막대(13)를 이용한 세굴조사 방법은, 측정 결과가 비교적 정확 하고 다양한 센서 활용이 가능하며, 장기 계측이 가능하다는 장점이 있지만, 분석 시간이 비교적 오래 걸리고 설치 위치가 제한적이라는 단점이 있다. 또한, 세굴조사 장치의 주기적인 관리가 매우 중요하며, 수위가 큰 폭으로 변하는 현장에서는 이에 대한 고려가 필요하다. The scour irradiation method using the fixed bar 13 has a merit that the measurement result is relatively accurate, various sensors can be used, and long-term measurement is possible, but the analysis time is relatively long and the installation location is limited. In addition, the periodic management of the scrubbing device is very important, and it is necessary to consider this in the site where the water level changes significantly.

다음으로, 로봇팔을 이용한 세굴 조사 장치는 로봇팔을 교량 상부의 차량에서 조절하여 원하는 위치에서 세굴심도를 조사할 수 있다. 이 장치는 교량 상단에서 수면까지 약 5~15m 높이에서 측정이 가능하여 안전하며, 시간 효율적이고 현장에서 측정 결과를 분석할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 장비가 고가이고, 우리나라와 같이 교통량이 많은 곳에서는 측정중 장비 차량으로 인해 주변 교통에 장애를 가져올 수 있는 단점이 있다.Next, the scour irradiation apparatus using the robot arm may be adjusted to the scour depth at a desired position by adjusting the robot arm in the vehicle above the bridge. The device can be measured at a height of about 5 to 15 meters from the top of the bridge to the surface of the water, which is safe, time efficient, and can be analyzed in the field. However, the equipment is expensive, and in places with a lot of traffic, such as Korea, there is a disadvantage that can cause obstacles in the surrounding traffic due to the equipment vehicle during the measurement.

다음으로, 원격조정 보트 시스템(30)은 세굴 깊이를 자동으로 측정하여 교량 주변의 세굴 상태를 광범위하게 해석할 수 있다. 이러한 원격조정 보트 시스템(30)은 세굴측정 센서(32), 약 1m 길이의 원격조정 보트(31), 측정자료 전송장치(34) 및 원격조정 보트의 위치정보장치(33), 데이터 저장 및 분석장치(PC 및 해석프로그램: 36)로 구성된다. 도 3은 종래의 기술에 따른 원격조정 시스템에 의해 하천의 세굴 상태를 측정하는 것을 예시하는 도면이고, 도 4는 종래의 기술에 따른 조사 지역의 세굴 상태를 2차원 및 3차원 영상으로 분석한 것을 예시하는 도면이다.Next, the remote controlled boat system 30 can automatically measure the depth of scour depth and can extensively analyze the scour conditions around the bridge. The remote control boat system 30 includes a scour measurement sensor 32, a remote control boat 31 of about 1 m length, a measurement data transmission device 34 and a location information device 33 of a remote control boat, and data storage and analysis. It consists of a device (PC and analysis program: 36). 3 is a view illustrating the measurement of the scour state of the river by a remote control system according to the prior art, Figure 4 is a analysis of the scour state of the irradiation area according to the prior art in a two-dimensional and three-dimensional image It is an illustration to illustrate.

도 3에 도시된 바와 같이, 원격조정 보트(31) 하부에 세굴측정 초음파센서인 음파 측심기(Fathometer: 32)를 장착한 후, 인근 육상에서 작업원이 전송장치(34) 에 의해 원격 조정하면서 하천의 세굴 상태를 측정하며, 도 4에 도시된 바와 같이 조사지역 세굴 상태를 2차원 및 3차원 영상으로 분석할 수 있다. 즉, 작업원의 전송장치(34)는 원격조정 보트(31) 내의 위치정보장치(33)와 통신하여 자료 수집 및 위치를 측정한 후, 원격조정 보트(31)의 위치정보를 데이터 저장 및 분석장치(36)에 전송하여 세굴 상태를 분석 및 디스플레이할 수 있다. 이때, 데이터 저장 및 분석장치(36)는 수신기(35)를 통해 세굴심도 데이터를 전송받을 수 있다.As shown in FIG. 3, after installing a sonic echometer (Fathometer) 32, which is a scour measuring ultrasonic sensor, below the remote control boat 31, a worker remotely controls the stream by a transmitter 34 in a nearby land. The scour state is measured, and the scrubbing state of the irradiated area can be analyzed by 2D and 3D images as shown in FIG. 4. That is, the worker's transmission device 34 communicates with the location information device 33 in the remote control boat 31 to collect and measure data, and then stores and analyzes the location information of the remote control boat 31. Transmitted to device 36 to analyze and display the scour state. At this time, the data storage and analysis device 36 may receive the scour depth data through the receiver 35.

도 5는 종래의 기술에 따른 세굴 조사 장치들의 특징 및 단점을 비교하기 위한 도면들로서, 전술한 휴대용 세굴 측정장치, 부유대를 이용한 세굴 측정장치, 고정막대를 이용한 세굴 조사장치, 로봇팔을 이용한 세굴 조사장치 및 원격조정 보트 시스템에 대한 특징 및 단점을 각각 나타낸다.5 is a view for comparing the characteristics and disadvantages of the scour irradiation apparatus according to the prior art, the above-described portable scour measuring device, scour measuring device using a float, scour irradiation device using a fixed rod, scour using a robot arm Features and disadvantages of the irradiator and remote control boat system are shown, respectively.

한편, 관련기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2006-90335호(출원일: 2006년 09월 18일)에는 "교량 세굴 측정장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있다. 관련기술에 따른 교량 세굴 측정장치는, 교량이 설치된 하천의 바닥면에 단부가 위치하며 하천의 상측에 설치되는 본체에 가이드되어 하천 바닥면의 세굴에 따라 자중에 의해 하강하는 탐촉자와, 본체에 설치되며 탐촉자와 연결되어 탐촉자의 하강 깊이를 측정하는 측정수단, 및 본체에 설치되며 탐촉자를 승강시키는 승강수단을 구비함으로써, 작업자가 직접 교량의 하부에 내려가거나 수중으로 입수하지 않고도 교량이 설치된 하천 바닥의 세굴 깊이를 간단하고 정확하게 측정할 수 있다. 하지만, 이러한 교량 세굴 측정장치는 전술한 고정막대를 이용한 세굴 조사 장치와 유사하며, 분석 시간이 비교적 오래 소요되며, 국부적인 세굴심만을 측정할 수 있다는 문제점 이 있다.On the other hand, as a related technology, Korean Patent Application No. 2006-90335 (Application Date: September 18, 2006) discloses the invention named "bridge scour measuring device". Bridge scour measuring device according to the related art, the end is located on the bottom surface of the river with the bridge is guided to the main body is installed on the upper side of the river and the descending by the weight according to the scour on the bottom of the river and installed in the main body And measuring means connected to the transducer to measure the depth of descent of the transducer, and elevating means installed on the main body to elevate the transducer, so that an operator can not directly descend to the lower portion of the bridge or obtain water underwater. The scour depth can be measured simply and accurately. However, such a bridge scour measuring device is similar to the scour irradiation device using the fixed rod described above, there is a problem that the analysis takes a relatively long time, and can only measure the local scour depth.

그러나 종래의 기술에 따른 교각 및 교대 세굴 측정/조사 장치들은 도 4에 도시된 바와 같은 단점들이 있고, 특히 교량 상시 계측 시스템에 적용하기 어렵다는 문제점이 있다.However, the pier and alternating scour measurement / irradiation apparatuses according to the prior art have disadvantages as shown in FIG. 4, and in particular, are difficult to apply to the bridge measurement system.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광섬유센서의 온도 계측 원리에 의해 기온, 수온 및 수중 지표면 온도를 측정하고, 각각의 온도 변화에 대응하여 교량 세굴을 파악함으로써, 교량 상시 계측 시스템에 적용할 수 있는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.The technical problem to be solved by the present invention to solve the above problems is to measure the temperature, water temperature and underwater surface temperature according to the temperature measurement principle of the optical fiber sensor, and to identify the bridge scour in response to each temperature change, An object of the present invention is to provide a method for measuring bridge scour using an optical fiber sensor applicable to a measurement system.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 간단한 구성으로 분석 시간을 대폭 단축시킴으로써, 실시간으로 교량 세굴을 측정할 수 있는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법을 제공하기 위한 것이다.Another technical problem to be achieved by the present invention is to provide a bridge scour measuring method using an optical fiber sensor that can measure bridge scour in real time by greatly reducing the analysis time with a simple configuration.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법은, 온도를 측정할 수 있는 광섬유센서를 교량 바닥판 하부로부터 수중 지표면까지 설치하여 교량 세굴을 측정하는 방법에 있어서, a) 온도에 대한 기준 데이터 및 세굴량 관련 기준 위치 데이터를 설정하는 단계; b) 상기 광섬유센서를 이용하여 수면 및 수중 지표면의 온도변화를 감지하는 단계; c) 상기 온도에 대한 기준 데이터에 근거하여 대기온도와 수온의 변화 위치를 파악하고, 수온과 수중 지표면의 온도 변화 위치를 파악하는 단계; d) 상기 교량 바닥판 하부의 기준 위치로부터 수면 및 수중 지표면의 높이를 산출하는 단계; 및 e) 상기 산출된 수면 및 수중 지표면의 높이와 상기 기설정된 세굴량 관련 기준 위치 데이터와 비교하여 교량 세굴량을 계산하는 단계를 포함하여 이루어진다.As a means for achieving the above technical problem, the method of measuring bridge scour using the optical fiber sensor according to the present invention is a method of measuring the bridge scour by installing an optical fiber sensor capable of measuring temperature from the bottom of the bridge deck to the underwater surface A method comprising: a) setting reference data for temperature and reference position data related to scour amount; b) detecting temperature changes of water surface and underwater surface using the optical fiber sensor; c) determining a change position of the atmospheric temperature and the water temperature based on the reference data for the temperature, and identifying a change position of the water temperature and the underwater surface; d) calculating the heights of the water surface and the underwater surface from the reference position below the bridge deck; And e) calculating a bridge scour amount by comparing the calculated heights of the water surface and the underwater surface with the predetermined reference position data related to the amount of scour.

여기서, 상기 e) 단계의 교량 세굴량은 지온, 수온 및 기온의 차이를 구분하여 상기 수면과 수중 지표면의 경계를 상기 교량 바닥판 하부의 기준 위치로부터의 거리로 환산된 것을 특징으로 한다.Here, the bridge scrubbing amount of step e) is characterized in that the boundary between the water surface and the water surface is divided into the distance from the reference position below the bridge bottom plate by distinguishing the difference between the geothermal temperature, water temperature and air temperature.

여기서, 상기 e) 단계의 교량 세굴량은 세굴전 데이터인 상기 교량 바닥판 하부로부터 지표면까지의 기준 데이터와 세굴후 데이터인 상기 온도 변화에 따라 산출된 수면 및 수중 지표면의 높이 데이터의 차이값인 것을 특징으로 한다.Here, the bridge scour amount of step e) is a difference value between the height data of the water surface and the underwater surface surface calculated according to the reference data from the lower part of the bridge bottom plate to the ground surface before the scour data and the temperature change after the scour data. It features.

여기서, 상기 세굴전 데이터 및 세굴후 데이터는 기온, 수온 및 지온의 일온도 변화량에 따라 달라질 수 있고, 또는 계절온도 변화량에 따라 달라질 수 있다.Here, the data before and after scouring may vary according to changes in daily temperature of air temperature, water temperature, and geothermal temperature, or may vary according to seasonal temperature changes.

여기서, 상기 c) 단계의 대기온도와 수온의 변화 위치는 상기 교량 바닥판 하부로부터의 수위를 나타내며, 상기 c) 단계의 수온과 수중 지표면의 온도 변화 위치는 상기 수면으로부터의 수심을 나타내는 것을 특징으로 한다.Here, the change position of the atmospheric temperature and the water temperature of step c) represents the water level from the bottom of the bridge deck, and the temperature change position of the water temperature and the underwater surface of the step c) represents the water depth from the water surface. do.

여기서, 본 발명에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법은, f) 상기 계산된 교량 세굴량에 따라 2차원 또는 3차원으로 표시하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.Here, the method of measuring bridge scour using the optical fiber sensor according to the present invention may further include f) displaying in two or three dimensions according to the calculated bridge scour amount.

본 발명에 따르면, 광섬유센서의 온도 계측 원리에 의해 기온, 수온 및 수중 지표면 온도를 측정하고, 각각의 온도 변화에 대응하여 교량 세굴을 파악함으로써, 교량 상시 계측 시스템에 적용할 수 있다.According to the present invention, by measuring the air temperature, water temperature and underwater surface temperature according to the temperature measurement principle of the optical fiber sensor, and grasps the bridge scour in response to each temperature change, it can be applied to the bridge measurement system.

본 발명에 따르면, 비교적 간단한 구성으로 분석 시간을 대폭 단축시킴으로 써, 실시간으로 교량 세굴을 측정할 수 있다.According to the present invention, bridge scour can be measured in real time by drastically shortening the analysis time with a relatively simple configuration.

본 발명에 따르면, 광섬유센서를 기반으로 하여 교량 세굴을 측정함으로써, 다른 광섬유센서 기반의 교량 계측 시스템들과 우수한 호환성을 나타낼 수 있다.According to the present invention, by measuring the bridge scour based on the optical fiber sensor, it can exhibit excellent compatibility with other optical fiber sensor-based bridge measurement systems.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise.

본 발명의 실시예로서, 광섬유센서의 온도 계측 원리에 의해 기온, 수온 및 수중 지표면 온도를 측정하고, 각각의 온도 변화에 대응하여 교량 세굴을 실시간으로 파악할 수 있는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법이 제공된다.As an embodiment of the present invention, the bridge scour measurement method using an optical fiber sensor that can measure the air temperature, water temperature and the surface water surface temperature according to the temperature measurement principle of the optical fiber sensor, and can grasp the bridge scour in real time corresponding to each temperature change Is provided.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법의 동작흐름도이다.6 is a view illustrating a principle of measuring bridge scour using an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of measuring bridge scour using an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 시스템(100)은, 교량 상판(110), 교각 또는 교대(120a, 120b), 데이터 로거 또는 무선통신 장치(130), 광섬유센서(140a, 140b), 세굴량 산출부(150) 및 표시부(160)를 포함할 수 있다. 여기서, 광섬유센서(140a, 140b)는 교량 바닥판 하부로부터 수중 지표면까지 설치되어 기온, 수온 및 지온을 측정한다.Referring to FIG. 6, a bridge scour measuring system 100 using an optical fiber sensor according to an exemplary embodiment of the present invention may include a bridge upper plate 110, a bridge or a bridge 120a and 120b, a data logger or a wireless communication device 130. , Optical fiber sensors 140a and 140b, a scour amount calculating unit 150, and a display unit 160. Here, the optical fiber sensors 140a and 140b are installed from the bottom of the bridge bottom plate to the underwater ground surface to measure air temperature, water temperature, and geothermal temperature.

데이터 로거 또는 무선통신 장치(130)가 데이터 로거인 경우, 상기 광섬유센서(140a, 140b)로부터 측정된 온도 데이터에 따라 직접 세굴량을 산출하며, 또한, 데이터 로거 또는 무선통신 장치(130)가 무선통신 장치인 경우, 상기 광섬유센서(140a, 140b)로부터 측정된 온도 데이터를 상기 세굴량 산출부(150)로 전송하게 되며, 이와 같이 산출된 교량 세굴량은 표시부(160)를 통해 2차원 또는 3차원으로 표시될 수 있다. 구체적으로, 상기 데이터 로거(130)는 근거리 또는 원거리 시스템으로부터 실시간으로 온도 데이터를 실시간 또는 일정 주기로 데이터를 취득하게 된다. 또한, 무선통신부는 무선통신 모듈의 형태로 구현될 수 있으며, 1.2km 미만의 근거리 통신을 위한 블루투스 모듈(Bluetooth Module)이거나 또는 원거리 통신을 위한 부호분할 다중접속(Code Division Multiple Access: CDMA) 방식의 모뎀일 수 있다. When the data logger or the wireless communication device 130 is a data logger, the amount of scour is directly calculated according to the temperature data measured by the optical fiber sensors 140a and 140b, and the data logger or the wireless communication device 130 is wireless. In the case of a communication device, the temperature data measured by the optical fiber sensors 140a and 140b is transmitted to the scour amount calculation unit 150, and the bridge scour amount calculated as described above is two-dimensional or three-dimensional through the display unit 160. Can be displayed in dimensions. In detail, the data logger 130 acquires data in real time or at regular intervals from the local or remote system in real time. Also, the wireless communication unit may be implemented in the form of a wireless communication module, and may be a Bluetooth module for short range communication of less than 1.2 km or a code division multiple access (CDMA) method for long distance communication. It may be a modem.

이러한 교각 세굴 측정 시스템(100)은 광섬유센서(140a, 140b)의 온도 계측원리를 응용한 기술로 기존 고정막대를 이용한 세굴조사 거동장치를 개선하고, 기존 방법에 비하여 단순한 구조로 분석 시간을 대폭 단축하여 실시간으로 세굴을 측정할 수 있다. 이러한 구성에 따른 교량 세굴 측정 방법에 대해서 이하 구체적으로 설명한다.The pier scour measurement system 100 is a technology that applies the temperature measurement principle of the optical fiber sensor (140a, 140b) to improve the scour irradiation behavior device using the existing fixed rod, and significantly shorten the analysis time with a simple structure compared to the existing method The scour can be measured in real time. Bridge scour measuring method according to such a configuration will be described in detail below.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법은, 먼저 온도를 측정할 수 있는 광섬유센서(140a, 140b)를 교량 바닥판 하부로부터 수중 지표면까지 설치한다(S110). 구체적으로, 광섬유센서(140a, 140b)는 교량 세굴을 감안하여 수중 지표면의 소정 깊이까지 설치된다.6 and 7, in the method of measuring bridge scour using an optical fiber sensor according to an exemplary embodiment of the present invention, first, optical fiber sensors 140a and 140b capable of measuring temperature are installed from a bottom of a bridge deck to an underwater surface. (S110). Specifically, the optical fiber sensors 140a and 140b are installed to a predetermined depth of the underwater surface in consideration of bridge scour.

다음으로, 온도에 대한 기준 데이터 및 세굴량 관련 기준 위치 데이터를 설정한다(S120). 이때, 세굴전 데이터 및 세굴후 데이터는 기온, 수온 및 지온의 일온도 변화량에 따라 달라질 수 있고, 또는 계절온도 변화량에 따라 달라질 수 있으므로, 온도에 대한 기준 데이터 및 세굴량 관련 기준 위치 데이터를 상기 데이터 로거 또는 무선통신 장치(130), 또는 세굴량 산출부(150)의 데이터 저장부(도시되지 않음)에 저장하게 된다.Next, reference data about the temperature and reference position data related to the amount of scour are set (S120). In this case, the data before and after scrubbing may vary according to the change in daily temperature of the air temperature, water temperature, and geothermal temperature, or may vary according to the seasonal temperature change. The data may be stored in the logger or the wireless communication device 130 or the data storage unit (not shown) of the scour amount calculator 150.

다음으로, 상기 광섬유센서(140a, 140b)를 이용하여 수면 및 수중 지표면의 온도변화를 감지한다(S130).Next, the temperature change of the water surface and the underwater surface is detected using the optical fiber sensors 140a and 140b (S130).

다음으로, 상기 온도에 대한 기준 데이터에 근거하여 대기온도와 수온의 변화 위치를 파악하고(S140), 수온과 수중 지표면의 온도 변화 위치를 파악한다(S150). 이때, 상기 대기온도와 수온의 변화 위치는, 예를 들면, 도 6에서 도면부호 A로 도시된 지점으로서, 상기 교량 바닥판 하부로부터의 수위(도 6의 L1)를 나타내며, 상기 수온과 수중 지표면의 온도 변화 위치는, 예를 들면, 도 6에서 도면부호 B로 도시된 지점으로서, 상기 수면으로부터의 수심(도 6의 L2)을 나타낸다.Next, the position of change of the atmospheric temperature and the water temperature is determined based on the reference data for the temperature (S140), and the position of the temperature change of the water temperature and the underwater surface is determined (S150). In this case, the change position of the atmospheric temperature and the water temperature is, for example, a point indicated by reference numeral A in FIG. 6, indicating a water level (L1 in FIG. 6) from the bottom of the bridge deck, and the water temperature and the underwater surface of the water. The temperature change position of is, for example, a point indicated by reference numeral B in FIG. 6, and represents the depth of water (L2 in FIG. 6) from the water surface.

다음으로, 상기 교량 바닥판 하부의 기준 위치로부터 수면 및 수중 지표면의 높이(도 6의 D1)를 산출한다(S160).Next, the height (D1 of FIG. 6) of the water surface and the underwater ground surface is calculated from the reference position under the bridge bottom plate (S160).

다음으로, 상기 산출된 수면 및 수중 지표면의 높이와 상기 기설정된 세굴량 관련 기준 위치 데이터와 비교하여 교량 세굴량(도 6의 D2)을 계산한다(S170). 여기서, 상기 교량 세굴량은 지온, 수온 및 기온의 차이를 구분하여 상기 수면과 수중 지표면의 경계를 상기 교량 바닥판 하부의 기준 위치로부터의 거리로 환산된다. 또한, 상기 교량 세굴량은, 도 6에서 도면부호 C로 도시된 바와 같이, 세굴전 데이터인 상기 교량 바닥판 하부로부터 지표면까지의 기준 데이터와 세굴후 데이터인 상기 온도 변화에 따라 산출된 수면 및 수중 지표면의 높이 데이터의 차이값이다. Next, a bridge scrubbing amount (D2 of FIG. 6) is calculated by comparing the calculated heights of the water surface and the underwater surface with the predetermined scouring quantity-related reference position data (S170). Here, the bridge scour amount is divided into the difference between the geothermal temperature, water temperature and air temperature is converted into the distance from the reference position of the bottom of the bridge bottom plate the boundary between the water surface and the underwater surface. In addition, the bridge scour amount, as shown by the reference numeral C in FIG. 6, the water surface and the water calculated according to the temperature change that is the reference data from the bottom of the bridge bottom plate, which is the pre-cleaning data to the ground surface, and the data after the scouring The difference between the height data of the earth's surface.

다음으로, 상기 계산된 교량 세굴량에 따라 2차원 또는 3차원으로 표시할 수 있다(S180).Next, it may be displayed in two or three dimensions according to the calculated bridge scour amount (S180).

한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 개념을 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 데이터를 예시하는 도면이다.On the other hand, Figure 8 is a view for explaining in detail the bridge scrubbing measurement concept using the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 9 is a view illustrating the bridge scour measurement data using the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention Drawing.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정시, 수면의 위치와 수중 지표면의 위치를 산정하는 방법은 다음과 같다First, when measuring bridge scour using the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention, the method of calculating the position of the surface of the water surface and the surface of the underwater surface is as follows.

1일 온도의 변화량은 지온, 수온 및 기온은 동일한 날의 기온에도 모두 다른 온도를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 일반적으로 기온의 변화량이 가장 크고, 다음으로 크게 변화하는 것이 수온이며, 지온의 변화량은 거의 미미하다. 또한, 온도의 변화량은 계절에 따라 달라질 수 있는데, 예를 들면, 일반적으로, 여름철의 경우 기온이 가장 높고, 수온이 다음으로 높으며, 지온이 가장 낮다. 겨울철의 경우 기온이 가장 낮고, 수온이 다음으로 낮으며, 지온이 가장 높다.The daily temperature change can be different in geothermal temperature, water temperature and temperature even on the same day. For example, in general, the temperature change is the largest, the next large change is the water temperature, and the change in the geothermal temperature is almost insignificant. In addition, the amount of change in temperature may vary depending on the season, for example, in general, in summer, the temperature is the highest, the water temperature is the next highest, and the lowest temperature. In winter, the temperature is the lowest, the water temperature is the next lowest, and the highest.

이와 같이 일별 또는 계절별 온도를 개별적으로 이용하거나 또는 조합함으로써, 수면의 위치와 수중 지표면의 위치를 실시간 또는 일별로 측정하여 세굴량과 수심을 측정할 수 있다.As such, by using or combining the daily or seasonal temperatures individually, the amount of scour and depth can be measured by measuring the position of the water surface and the position of the underwater surface in real time or daily.

예를 들면, 일별 또는 계절별 지온, 수온 및 기온의 차이를, 도 8에 도시된 바와 같이, 세굴전 겨울 온도(810), 세굴전 여름 온도(820), 세굴후 겨울 온도(830), 세굴후 여름 온도(840), 세굴전 일온도 변화량(850) 및 세굴후 일온도 변화량(860)으로 구분하여 수면과 수중 지표면의 경계를 상기 교량 바닥판 하부의 기준 위치로부터의 거리로 환산하게 되는데, 도 9는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 데이터를 예시하며, 이에 국한되는 것은 아니다.For example, daily or seasonal differences in geothermal temperature, water temperature and temperature, as shown in Figure 8, pre-winter temperature 810, pre-summer temperature 820, post-winter winter temperature 830, after washing The boundary between the water surface and the underwater surface is divided into the distance from the reference position under the bridge deck by dividing it into a summer temperature 840, a change in the temperature before the scour 850 and a change in the temperature after the scour 860. 9 illustrates, but is not limited to, bridge scour measurement data using an optical fiber sensor.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정시, 광섬유센서를 이용할 경우 1개의 광센서로 모든 게이지의 온도 변화량을 측정할 수 있다. 또는, 광섬유센서를 이용하는 대신에 일정한 간격으로 온도게이지를 설치하여 교각 및 교대의 높이에 따른 온도를 측정할 수도 있다는 점은 당업자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략한다.In addition, when measuring the bridge scour using the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention, when using the optical fiber sensor, it is possible to measure the temperature change of all the gauges with one optical sensor. Or, it will be apparent to those skilled in the art that temperature gauges can be measured at regular intervals instead of using optical fiber sensors to measure the temperature according to the height of bridges and bridges.

예를 들면, 상기 광섬유센서는, 현재 상용화된 제품의 경우, 1개의 광섬유센서로는 1m 간격으로 수십 km의 온도의 변화량을 감지할 수 있으며, 온도 광섬유센서를 직렬로 연결하여 측정할 경우, 약 30cm 간격으로 온도 변화량을 감지할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.For example, in the case of the current commercially available products, one optical fiber sensor can detect a change in temperature of several tens of kilometers at an interval of 1 m, and when the temperature optical fiber sensor is connected in series, Temperature changes can be detected at 30 cm intervals, but are not limited to this.

한편, 광섬유센서는 광섬유를 통과하는 빛의 진폭, 위상, 혹은 편광 등을 이 용하여 측정하고자 하는 물리량의 변화를 감지함으로써 구조물의 거동을 관측할 수 있다. 광섬유센서 중에서, 광섬유 격자(fiber Bragg Grating: FBG)를 이용한 센서는 새로운 광섬유센서로 최근 각광받고 있다. 이러한 FBG 센서는 광섬유 코어에 주기적인 굴절률 변조를 주어 특정 파장의 빛을 반사시키는데, 삽입 손실이 적고, 파장 선택도가 높은 특성을 보인다.On the other hand, the optical fiber sensor can observe the behavior of the structure by detecting a change in the physical quantity to be measured using the amplitude, phase, or polarization of the light passing through the optical fiber. Among optical fiber sensors, a sensor using a fiber Bragg Grating (FBG) has recently been spotlighted as a new optical fiber sensor. The FBG sensor gives a periodic refractive index modulation to the optical fiber core to reflect light of a specific wavelength, and shows low insertion loss and high wavelength selectivity.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 각각 광섬유센서의 구조 및 원리를 예시하는 도면들이다.10A and 10B are diagrams illustrating the structure and principle of an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention, respectively.

도 10a는 광섬유센서의 원리를 도시한 것으로, 클래딩(Cladding: 141) 및 코어(Core: 142)로 이루어진 광섬유센서(140)에 광원을 입사시킬 경우, 브래그 조건에 의한 특정한 파장 성분은 광섬유 브래그 격자(143)에서 반사되고, 나머지 파장 성분은 그대로 통과한다.FIG. 10A illustrates a principle of an optical fiber sensor. When a light source is incident on an optical fiber sensor 140 including a cladding 141 and a core 142, a specific wavelength component due to Bragg conditions is an optical fiber Bragg grating. Reflected at 143, the remaining wavelength components pass through as they are.

구체적으로, 광섬유 내에서 빛의 전파 원리는 굴절률이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리이며, 광섬유 코어(142)로 입사된 빛은 굴절률이 높은 코어층과 굴절률이 낮은 클래딩(141)층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어(142) 부분을 따라 전파되게 된다. 이러한 광섬유의 주성분은 실리카 유리로 이루어져 있으며, 그 구조는 굴절률이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 코어(142) 부분과 중심을 보호하는 클래딩(141) 부분으로 구성되어 있다. 브래그 격자(143)는 게르마늄이 첨가된 광섬유 코어부분이 자외선 영역의 빛에 노출되면, 굴절률이 10-5 정도 증가하게 되 는 현상을 이용하여 주기적인 굴절률 변화를 갖는 격자를 광섬유에 새긴 것이다.In detail, the propagation principle of light in the optical fiber is a total reflection principle in which all light within a predetermined angle is reflected at the interface when light travels from a high refractive index material to a low material. It is reflected at the interface between the high refractive index core layer and the low refractive index cladding 141 layer and propagates along the optical fiber core 142. The main component of the optical fiber is made of silica glass, and its structure is composed of a portion of the optical fiber core 142 with germanium and a portion of the cladding 141 which protects the center so that the refractive index is slightly higher. The Bragg grating 143 inscribes a grating having periodic refractive index changes to the optical fiber by using a phenomenon in which the refractive index increases by about 10 −5 when the germanium-doped optical fiber core portion is exposed to light in the ultraviolet region.

이때, 브래그 격자(143)에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수로서, 브래그 격자(143)에 단거리 변형률 등의 외부 물리량을 가할 경우, 이들 값에 의하여 브래그 파장이 달라진다. 이 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정함으로써, 광섬유 격자에 가해진 미지의 물리량이 구해질 수 있다.At this time, the Bragg wavelength reflected by the Bragg grating 143 is a function of the effective refractive index and the grating spacing, and when Bragg grating 143 is subjected to an external physical quantity such as a short distance strain, the Bragg wavelength is changed by these values. By accurately measuring the change in Bragg wavelength, an unknown physical quantity applied to the optical fiber grating can be obtained.

광섬유센서(140)는 측정량이 브래그 반사파장의 변화량이므로 측정이 간편하며, 브래그 격자(143)의 반사 파장의 선폭이 좁기 때문에 분해능이 높은 센서를 구성할 수 있다. 또한, 브래그 반사 파장이 서로 다른 광섬유들은 서로 영향을 받지 않으므로 하나의 광섬유를 이용한 다중점 측정이 가능하다.Since the measurement amount of the optical fiber sensor 140 is a change amount of the Bragg reflection wavelength, the measurement is easy, and since the line width of the reflection wavelength of the Bragg grating 143 is narrow, a sensor having high resolution may be configured. In addition, since optical fibers having different Bragg reflection wavelengths are not affected by each other, multi-point measurement using one optical fiber is possible.

도 10b를 참조하면, 광섬유센서(140)는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우, 각 격자(143)의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 광원의 스펙트럼으로부터 특정 격자(143)가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장 분할 방식이라 한다.Referring to FIG. 10B, in the optical fiber sensor 140, a plurality of gratings are used for one strand of optical fiber. In this case, by varying the reflection wavelength of each grating 143, a specific grating 143 from the spectrum of the reflected light source is used. You can easily distinguish the physical quantity that) undergoes. This method is called a wavelength division method.

브래그 파장( λ B )은 λ B = 2nΛ 에 의해 구해질 수 있는데, 여기서, n은 광섬유 코어의 유효 굴절률(effective refractive index)이며, Λ는 격자(83)와 격자(143) 사이의 간격(grating period)이다.Bragg Wavelength ( λ B ) Can be obtained by λ B = 2nΛ , where n is the effective refractive index of the optical fiber core and Λ is the grating period between the grating 83 and the grating 143.

브래그 격자(143)에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이며, 광섬유센서(140)에 외부 물리량을 인가할 경우, 브래그 파장이 달라지므로, 브래그 파장의 변화를 측정한다면 FBG에 인가되는 물리량을 구할 수 있다.The Bragg wavelength reflected by the Bragg grating 143 is a function of the effective refractive index and the lattice spacing. When an external physical quantity is applied to the optical fiber sensor 140, the Bragg wavelength is changed. Therefore, if the Bragg wavelength is measured, the Bragg wavelength is applied to the FBG. The physical quantity can be found.

광섬유센서(140)의 경우, 측정된 변형률 정보가 경로차 대신 파장(wave length)의 변화로 나타난다는 것이다. 가해진 물리량에 대한 브래그 파장의 변화율은 선형적이며 따라서 파장의 변화량을 정밀히 측정하면 가해진 물리량에 대한 정보를 역으로 계산해낼 수 있다. 또한, 변형률이 파장의 변위로 측정되기 때문에 간섭계 광섬유 시스템에서 흔히 발생하는 광원, 광분할기, 그리고 광 결합기에 의한 광 세기의 요동 현상에 무관하고 변형의 절대량 측정이 가능하다. 또한, FBG 센서(140)는 조금씩 파장을 달리한 광섬유 격자를 이용하여 다중점(multi-point) 센서로의 확장이 용이하며, 이를 이용하면 교량 및 건축물의 사전감시 시스템을 구성할 수 있다.In the case of the optical fiber sensor 140, the measured strain information is represented as a change in wave length instead of a path difference. The rate of change of Bragg wavelength with respect to the applied physical quantity is linear, and thus, by accurately measuring the amount of change in the wavelength, information about the applied physical quantity can be calculated in reverse. In addition, since the strain is measured by the displacement of the wavelength, it is possible to measure the absolute amount of deformation irrespective of the fluctuation of the light intensity by the light source, the light splitter, and the optical coupler, which are common in the interferometric optical fiber system. In addition, the FBG sensor 140 can be easily expanded to a multi-point sensor using a fiber grating of which wavelengths are slightly changed, and it can be used to construct a pre-monitoring system for bridges and buildings.

이러한 광섬유센서(140)는 현재 실제 교량이나 터널 등과 같은 토목구조물의 감시 시스템으로 사용되고 있다. 즉, 광섬유센서(140)의 가장 큰 응용 중의 하나는 구조물의 상태를 진단하는 것이다. 예를 들면, 교량, 댐, 건축물 등의 제작시에 콘크리트 내에 FBG 센서를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도를 감지하여 구조물의 안전 상태를 진단할 수 있다.The optical fiber sensor 140 is currently used as a monitoring system for civil structures, such as actual bridges and tunnels. That is, one of the biggest applications of the optical fiber sensor 140 is to diagnose the state of the structure. For example, when manufacturing a bridge, a dam, a building, etc., an FBG sensor may be installed in concrete, and the safety state of the structure may be diagnosed by detecting a tension distribution or bending degree inside the structure.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 교량 세굴 측정 방법에서 광섬유센서가 사용되었지만, 일정 간격으로 설치된 온도 게이지를 통해서 교각 및 교대의 높이에 따른 온도를 측정하는 것도 가능하다.On the other hand, although the optical fiber sensor is used in the bridge scrubbing measuring method according to an embodiment of the present invention, it is also possible to measure the temperature according to the height of the bridge and the alternating through a temperature gauge installed at a predetermined interval.

결국, 본 발명의 실시예는 교량 바닥판 하부에서부터 교각 및 교대를 거처 소정의 지하까지 설치된 광섬유센서 또는 온도게이지를 통해 획득된 온도를 분석하여 수면의 위치와 수중 지표면의 위치를 산정하는 방법으로서, 이를 통하여 하천에 설치된 교각 및 교대의 세굴량과 수심의 변화를 실시간으로 용이하게 측정할 수 있다.As a result, an embodiment of the present invention is a method for estimating the position of the surface of the water surface and the surface of the water surface by analyzing the temperature obtained through the optical fiber sensor or temperature gauge installed from the bottom of the bridge deck to the predetermined basement through the bridge and alternating, Through this, it is possible to easily measure the amount of scour and the depth of the piers and bridges installed in the river in real time.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.

도 1은 종래의 기술에 따른 고정막대를 이용한 세굴조사 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a scour irradiation method using a fixed rod according to the prior art.

도 2a 내지 도 2c는 각각 도 1의 고정막대가 링 타입, 전자기형 타입 및 칼라 이미지 음파 타입인 경우를 예시는 도면들이다.2A to 2C are diagrams illustrating a case where the fixing bar of FIG. 1 is a ring type, an electromagnetic type, and a color image sound wave type, respectively.

도 3은 종래의 기술에 따른 원격조정 시스템에 의해 하천의 세굴 상태를 측정하는 것을 예시하는 도면이다.3 is a diagram illustrating measuring the scour state of a river by a remote control system according to the prior art.

도 4는 종래의 기술에 따른 조사 지역의 세굴 상태를 2차원 및 3차원 영상으로 분석한 것을 예시하는 도면이다.4 is a diagram illustrating a two-dimensional and three-dimensional image analysis of the scour state of the irradiation area according to the prior art.

도 5는 종래의 기술에 따른 세굴 조사 장치들의 특징 및 단점을 비교하기 위한 도면이다.5 is a view for comparing the features and disadvantages of scour irradiation apparatus according to the prior art.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 원리를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view illustrating a principle of measuring bridge scour using an optical fiber sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법의 동작흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a method of measuring bridge scour using an optical fiber sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 개념을 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.8 is a view for explaining in detail the concept of the bridge scour measurement using the optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 데이터를 예시하는 도면이다.9 is a diagram illustrating bridge scour measurement data using an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 각각 광섬유센서의 구조 및 원 리를 예시하는 도면들이다.10A and 10B are diagrams illustrating the structure and principle of an optical fiber sensor according to an embodiment of the present invention, respectively.

< 도면부호의 간단한 설명 ><Brief Description of Drawings>

100: 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 시스템100: bridge scour measurement system using optical fiber sensor

110: 교량 상판 120a, 120b: 교각/교대110: bridge deck 120a, 120b: pier / shift

130: 데이터 로거/무선통신 장치 140, 140a, 140b: 광섬유센서130: data logger / wireless communication device 140, 140a, 140b: fiber optic sensor

150: 세굴량 산출부 160: 표시부150: scour amount calculation unit 160: display unit

Claims (8)

온도를 측정할 수 있는 광섬유센서를 교량 바닥판 하부로부터 수중 지표면까지 설치하여 교량 세굴을 측정하는 방법에 있어서,In the method of measuring bridge scour by installing an optical fiber sensor capable of measuring temperature from the bottom of the bridge deck to the underwater surface a) 온도에 대한 기준 데이터 및 세굴량 관련 기준 위치 데이터를 설정하는 단계;a) setting reference data for temperature and reference position data related to the amount of scour; b) 상기 광섬유센서를 이용하여 수면 및 수중 지표면의 온도변화를 감지하는 단계;b) detecting temperature changes of water surface and underwater surface using the optical fiber sensor; c) 상기 온도에 대한 기준 데이터에 근거하여 대기온도와 수온의 변화 위치를 파악하고, 수온과 수중 지표면의 온도 변화 위치를 파악하는 단계;c) determining a change position of the atmospheric temperature and the water temperature based on the reference data for the temperature, and identifying a change position of the water temperature and the underwater surface; d) 상기 교량 바닥판 하부의 기준 위치로부터 수면 및 수중 지표면의 높이를 산출하는 단계; 및d) calculating the heights of the water surface and the underwater surface from the reference position below the bridge deck; And e) 상기 산출된 수면 및 수중 지표면의 높이와 상기 기설정된 세굴량 관련 기준 위치 데이터와 비교하여 교량 세굴량을 계산하는 단계e) calculating a bridge scour amount by comparing the calculated heights of the water surface and the water surface with the reference position data related to the predetermined scour amount; 를 포함하는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법.Bridge scour measurement method using an optical fiber sensor comprising a. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 e) 단계의 교량 세굴량은 지온, 수온 및 기온의 차이를 구분하여 상기 수면과 수중 지표면의 경계를 상기 교량 바닥판 하부의 기준 위치로부터의 거리로 환산된 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법.The bridge scrubbing amount of step e) is a bridge using an optical fiber sensor, characterized in that the boundary between the water surface and the water surface is converted into a distance from a reference position below the bridge bottom plate by dividing the difference between geothermal temperature, water temperature and air temperature. Scour measurement method. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 e) 단계의 교량 세굴량은 세굴전 데이터인 상기 교량 바닥판 하부로부터 지표면까지의 기준 데이터와 세굴후 데이터인 상기 온도 변화에 따라 산출된 수면 및 수중 지표면의 높이 데이터의 차이값인 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법.The bridge scour amount of step e) is a difference value between the height data of the water surface and the underwater surface surface calculated according to the reference data from the bottom of the bridge bottom plate, which is the data before the scour, to the ground surface, and the temperature change that is the data after the scour. Bridge scour measurement method using optical fiber sensor. 제3항에 있어서, The method of claim 3, 상기 세굴전 데이터 및 세굴후 데이터는 기온, 수온 및 지온의 일온도 변화량에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법.The method before and after scrubbing data depends on the amount of change in daily temperature of air temperature, water temperature and geothermal bridge scrubbing method using the optical fiber sensor. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 세굴전 데이터 및 세굴후 데이터는 기온, 수온 및 지온의 계절온도 변화량에 따라 달라지는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법.The method before and after scouring data is based on the seasonal temperature change of temperature, water temperature and geothermal bridge scrubbing method using the optical fiber sensor. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 c) 단계의 대기온도와 수온의 변화 위치는 상기 교량 바닥판 하부로부터의 수위를 나타내는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방 법.The method of measuring bridge scour using an optical fiber sensor, characterized in that the change position of the atmospheric temperature and the water temperature of step c) indicates the water level from the bottom of the bridge deck. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 c) 단계의 수온과 수중 지표면의 온도 변화 위치는 상기 수면으로부터의 수심을 나타내는 것을 특징으로 하는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법.The method of measuring bridge scrubbing using an optical fiber sensor, characterized in that the position of the water temperature and the temperature change position of the underwater surface of the step c) represents the depth from the water surface. 제1항에 있어서,The method of claim 1, f) 상기 계산된 교량 세굴량에 따라 2차원 또는 3차원으로 표시하는 단계를 추가로 포함하는 광섬유센서를 이용한 교량 세굴 측정 방법.f) Bridge scouring measurement method using an optical fiber sensor further comprising the step of displaying in two or three dimensions according to the calculated bridge scour amount.
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