KR101057309B1 - 광섬유격자센서를 이용한 변위 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유격자센서를 이용하여 변위를 계측할 수 있는 변위 측정장치로써, 보다 상세하게는 변위측정장치에 포함되는 측정장치 내부의 일정한 스프링상수 값을 가지는 장력 전달용 스프링을 포함하여 보다 단순한 구조로 측정장치를 구성하여 스프링의 장력을 이용하여 광섬유격자센서에 파장 천이를 측정함으로써 정밀한 변위를 측정할 수 있도록 하고, 더 나아가 온도에 따른 광섬유격자센서의 오차를 보상할 수 있도록 하는 온도보상용 광섬유격자센세를 추가로 구비하여 보다 정밀한 측정을 할 수 있도록 하여 교량과 같은 구조물의 큰 변위 값을 센서가 갖는 변형 가능 범위 내의 변형으로 변환하여 변위를 측정할 수 있는 광섬유격자센서를 이용한 변위 측정장치에 관한 것이다.
또한, 변위전달부재의 지렛대 원리를 이용하여 장력전달용스프링의 탄성응력을 광섬유격자센서에 인장응력으로 전달하는데, 변위전달부재에 고착되는 광섬유가 절곡되어 파손되지 않도록 만곡부에서 고착되도록 한다.

Description

광섬유격자센서를 이용한 변위 측정장치 { APPARATUS FOR MEASURING CONVERGENCE USING FIBER BRAGG GRATING SENSOR }
본 발명은 광섬유격자센서를 이용하여 변위를 계측할 수 있는 변위 측정장치로써, 보다 상세하게는 변위측정장치에 포함되는 측정장치 내부의 일정한 스프링상수 값을 가지는 장력 전달용 스프링을 포함하여 보다 단순한 구조로 측정장치를 구성하여 스프링의 장력을 이용하여 광섬유격자센서에 파장 천이를 측정함으로써 정밀한 변위를 측정할 수 있도록 하고, 더 나아가 온도에 따른 광섬유격자센서의 오차를 보상할 수 있도록 하는 온도보상용 광섬유격자센세를 추가로 구비하여 보다 정밀한 측정을 할 수 있도록 하여 교량과 같은 구조물의 큰 변위 값을 센서가 갖는 변형 가능 범위 내의 변형으로 변환하여 변위를 측정할 수 있는 광섬유격자센서를 이용한 변위 측정장치에 관한 것이다.
또한, 변위전달부재의 지렛대 원리를 이용하여 장력전달용스프링의 탄성응력을 광섬유격자센서에 인장응력으로 전달하는데, 변위전달부재에 고착되는 광섬유가 절곡되어 파손되지 않도록 만곡부에서 고착되도록 한다.
스트레인 게이지 및 광섬유 센서와 같이 구조물의 변형률 측정에 사용되는 통상의 변형률 측정 센서는 수백 마이크로 스트레인 정도의 변형률을 측정할 수 있다. 따라서 교량의 처짐이나 접속부 벌어짐, 균열부의 균열측정과 같은 매우 큰 변형이 발생하는 구조물의 변형률 측정에는 적합하지 않다.
이러한 대변위 구조물의 변위를 측정하기 위해서 경우에는 소위 캔틸레버를 사용하여 실제 변위를 작은 범위의 변위로 변환하여 측정하는 방법이 보편적으로 적용되고 있다.
도 1a 및 도1b는 종래발명에 의한 캔틸레버에 의한 광섬유격자센서를 이용한 변위 계측장치에 대한 것으로, 캔틸레버의 끝단은 변위변환부재와 접촉해 있는데, 각각의 변위변환부재의 수평 이동에 따라 캔틸레버의 끝단에 모멘트가 발생하게 되고 일단이 고정단(fixed)으로 형성된 캔틸레버의 특성상 캔틸레버 자체가 하중이 가해지는 반대방향으로 휘어지게 된다.
이렇게 휘어지게 되면서 내부에 홈에 삽입된 광섬유격자센서(3a, 3b)는 압축되어 파장 천이를 가지게 되고 이러한 파장을 측정함으로써 전체적인 구조물의 변위를 측정하게 되는 것이다.
보다 상세하게 살펴보면, 도 1a에서는 변위변환부재(2a)가 단면상에 경사면을 가지는 부재로 형성되면서 경사면이 캔틸레버(1a)의 끝단 모서리에 접촉한 상태에서 설치되게 된다. 이와 같이 설치된 상태에서 변위변환부재(2a)와 일체로 있는 구조물(도면에 미도시)의 변형이 발생하게 되면 변위변환부재(2a)가 좌측으로 밀려지게 된다. 이에 따라 캔틸레버(1a)의 끝단에 모멘트 하중을 가하게 되고, 캔틸레버는 하측으로 휘어지면서 내부의 광섬유격자센서(3a)도 압축하게 되면서 광섬유 격자의 간격이 좁아지면서 파장 천이를 발생시키는 것이다.
또한 도 1b는 종래발명의 또 다른 실시예를 보여주는데, 캔틸레버(1b)는 도면에서 보는 것처럼 하측으로 절곡된 형상으로 이루어지며, 하면에는 롤러를 포함하고 있는 변위변환부재(2b)가 롤러에 의해 접촉되어 있다. 그리고, 상기 변위변환부재(2b)는 베이스플레이트(4b)에서 롤러부에 의해 수평 이동할 수 있도록 한다. 이와 같이 롤러가 상기 캔틸레버(1b)의 절곡된 하면에 접촉한 상태에서 변위변환부재(2b)가 우측으로 수평 이동하게 되면 롤러부가 캔틸레버(1b)를 상향으로 모멘트 하중을 가하게 되고, 자연스럽게 휘어지게 된다. 이렇게 상향으로 휘어지는 캔틸레버(1b)에 따라 내부에 포함된 광섬유격자센서(3b)가 압축되게 되고 격자의 간격이 좁아지면서 파장의 천이가 발생되게 된다. 이러한 파장의 변화를 측정하면서 결과적으로 측정 구조물의 변위를 측정할 수 있게 되는 것이다.
그러나, 이러한 캔틸레버의 휘어짐을 이용한 변위측정은 광섬유격자센서가 결합된 캔틸레버의 휨이 광섬유격자센서에 정확히 전달되지 아니할 수 있고, 이에 따라 구조물의 변형을 보다 정밀하게 측정하는데 어려움이 있다.
특히 캔틸레버의 휘어짐에 따라 내입되어 있는 광섬유격자센서의 휘어짐이 그대로 전달되기 실질적으로 어렵고, 고착제에 의해 고정되었다고 하더라도 현장에서 이를 설치하였을 때, 전혀 작동하지 않게 되는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 광섬유격자센서를 이용하여 보다 단순한 구조를 가지고 저비용으로 제작할 수 있고 측정 정밀도가 높은 변위 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 장력탄성스프링을 이용하여 스프링에 인가된 장력을 광섬유격자센서가 전달받도록 하여 각각의 스프링 상수에 따른 탄성스프링에 따라 광섬유격자센서에 인장응력을 가해 파장 천이가 발생되는 경우 이를 측정하여 역으로 구조물의 변형을 미세하고 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 장력탄성스프링과는 별도로 복원탄성스프링을 추가로 구비하여 구조물의 변형이 발생하는 경우 이를 전달하는 변위변환부재인 로드가 구조물의 가변적인 팽창 수축에 따라 탄성 복원력으로 복구되도록 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 비록 광섬유격자센서가 온도변화에 따라 파장의 변화가 거의 없다고 할지라도 미세한 온도 변화에 따라 변화가 있으므로 정밀한 측정을 위하여 이를 보상할 수 있는 온도보상용 광섬유격자센서를 추가하여 보다 정교한 측정수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 통상적으로 스프링에 직접적으로 광섬유격자센서를 연결하는 경우 탄성응력을 인장응력으로 변환 전달할 때, 길이방향으로 연이어져 연결되어 있으므로 변위측정장치의 길이가 길어질 수 밖에 없으므로, 도르래와 변위전달부재 등을 이용하여 탄성응력을 광섬유격자센서에 지렛대의 원리로 전달하도록 하여 측정장치의 전체적인 길이를 줄일 수 있는 경제적 효과를 달성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 변위전달부재의 지렛대 원리를 이용하여 장력전달용스프링의 탄성응력을 광섬유격자센서에 인장응력으로 전달하는데, 변위전달부재가 지렛대의 원리로 회동할 때 여기에 고착된 광섬유가 틀어져 절곡되어 파손되지 않도록 변위전달부재에 만곡부를 부여하고, 당해 만곡부의 요홈에 광섬유가 감겨 고착되도록 함으로써 광섬유의 절곡 및 파손을 방지할 수 있도록 한다.
본 발명은 앞서 상술한 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의하여 구현될 것이며, 하기와 같은 구성을 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치는,
광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치의 외부를 감싸는 케이스; 구조물에 직접 연결되어 구조물의 변형이 일어나는 경우 수평변위를 전달하는 로드; 상기 케이스 내부에서 수평 슬라이딩하고, 상기 로드의 말단에 형성되는 이동부재; 일단이 상기 이동부재에 연결되는 와이어; 상기 와이어가 감겨지는 도르래; 상기 도르래에 감겨져서 연장된 와이어에 일단이 연결되어 로드에 의해 형성된 인장응력을 전달하는 장력탄성스프링; 일단에는 상기 장력탄성스프링이 연결되고 타단에는 광섬유가 고착되어 연결되어, 지렛대의 원리로 상기 장력탄성스프링으로부터의 인장응력을 전달하는 변위전달부재; 상기 장력탄성스프링에서 전달된 응력을 변위전달부재를 통해 전달받아 파장의 변화를 일으키는 변위측정용 광섬유격자센서; 및 상기 변위측정용 광섬유격자센서에서 측정된 파장을 전달하는 광섬유;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 변위전달부재는, 장력탄성스프링에 가해진 탄성응력을 변위측정용 광섬유격자센서에 지렛대의 원리로 전달하기 위한 회동축;을 포함하여 힌지 회동을 하면서 장력탄성스프링에 가해지는 탄성력이 변위측정용 광섬유격자센서에 인장응력으로 전달되도록 하여 구조물의 변형에 따른 변위를 측정하고, 회동축과 광섬유와의 연결단까지의 거리를 L1, 회동축과 장력탄성스프링 측의 연결단까지의 거리를 L2라고 할 때, 상기 회동축은, 변위전달부재의 중앙부에 위치(L1≒L2)하여 장력탄성스프링의 탄성응력값과 동일한 인장응력을 변위측정용 광섬유격자센서에 전달하도록 하거나, L1>L2 인 위치에 설치되어 장력탄성스프링의 탄성응력값보다 더 큰 값의 인장응력이 변위측정용 광섬유격자센서에 전달되도록 하거나, L1>L2 인 위치에 설치되어 장력탄성스프링의 탄성응력값보다 더 작은 값의 인장응력이 변위측정용 광섬유격자센서에 전달되도록 할 수 있다.
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본 발명은 장력탄성스프링 및 온도보상용 광섬유격자센서를 이용하여 보다 정밀하고 상세한 구조물의 변형에 따른 변위를 측정하고, 매우 간단한 구조로 변위를 명확하게 측정할 수 있도록 하는 효과를 도모한다.
이에 따라 본 발명은, 장력탄성스프링을 이용하여 스프링에 인가된 장력을 광섬유격자센서가 전달받도록 하여 각각의 스프링 상수에 따른 탄성스프링에 따라 광섬유격자센서에 인장응력을 가해 파장 천이가 발생되는 경우 이를 측정하여 역으로 구조물의 변형을 미세하고 정밀하게 측정할 수 있는 효과를 도모한다.
본 발명은 또한, 통상적으로 스프링에 직접적으로 광섬유격자센서를 연결하는 경우 탄성응력을 인장응력으로 변환 전달할 때, 길이방향으로 연이어져 연결되어 있으므로 변위측정장치의 길이가 길어질 수 밖에 없으므로, 도르래와 변위전달부재 등을 이용하여 탄성응력을 광섬유격자센서에 지렛대의 원리로 전달하도록 하여 측정장치의 전체적인 길이를 줄일 수 있는 경제적 효과를 달성할 수 있다.
본 발명은, 변위전달부재의 지렛대 원리를 이용하여 장력전달용스프링의 탄성응력을 광섬유격자센서에 인장응력으로 전달하는데, 변위전달부재가 지렛대의 원리로 회동할 때 여기에 고착된 광섬유가 틀어져 절곡되어 파손되지 않도록 변위전달부재에 만곡부를 부여하고, 당해 만곡부의 요홈에 광섬유가 감겨 고착되도록 함으로써 광섬유의 절곡 및 파손을 방지할 수 있도록 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 도시한 내부 사시도.
도 3 및 도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 도시한 내부 사시도.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 도시한 내부 사시도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에서 변위전달부재의 다양한 회동축에 따른 작동을 도시한 도면.
이하에서는 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 도시한 내부 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치(11)는 내부가 비어있는 케이스(110)에 장력탄성스프링(210)을 통해 연결된 광섬유(810)와 그 사이의 변위측정용 광섬유격자센서(610)를 포함한다. 또한, 본 발명은 구조물에 직접 연결되어 구조물의 변형에 따른 변위를 장력 탄성스프링에 전달하는 로드(310)를 포함한다.
상기 케이스(110)는, 통상적으로 내부가 비어있는 상자의 형태로써 딱딱한 금속이나 플라스틱 재질로 이루어지며 내부에 이물질이 들어가지 않도록 밀봉하여 변위측정이 충분히 가능하도록 한다.
상기 장력탄성스프링(210)은, 도 2에서 보는 것처럼 일반적인 탄소강의 용수철 스프링(보다 바람직하게는 산화에 강한 스텐인리스 재질로 형성된 스프링 이용)으로 이루어진다. 당해 용수철 스프링의 스프링 상수값은 정해진 값으로 특정하여 사용할 필요는 없으나, 스프링 상수값에 따른 하중이 측정되어야 하므로 어떠한 스프링상수값의 탄성스프링(210)이 사용될지는 확인되어야 한다. 즉, 도 2에서 보는 것처럼 좌측 일단은 구조물에 고착되어 연결된 로드(310)와 일체로 연결되어 구조물의 변형이 발생되는 경우 로드(310)의 수평 이동에 따라 늘어나게 된다. 그리고, 우측 타단은 광섬유(810)와 고정단(212)에서 일체로 결합되는데, 좌측단의 로드(310)에 의해 당겨진 인장응력을 광섬유(810) 사이에 연결된 광섬유격자센서(610, FBG)에 전달한다.
특히, 본 발명의 장력탄성스프링(210)을 활용한 변위 측정장치는 용수철상수 [龍鬚鐵常數, spring constant]에 따라 그 인장응력이 광섬유격자센서에 전달되는 크기가 다르게 되는데, 용수철상수란 용수철에 작용하는 힘과 길이변화의 비례관계를 표시하는 상수로써, 스프링상수 또는 탄성계수라고도 한다.
이에 용수철상수란 탄성체에 작용하는 힘과 그에 따라 생기는 변형의 비례관계를 표시하는 상수를 탄성계수 또는 탄성률이라고 한다. 특히 용수철이나 철사처럼 작용하는 힘에 따라 길이가 변하는 경우를 늘어나기 탄성률 또는 영(Young)률이라고 한다. 일정한 굵기의 막대를 잡아당길 때 원래 상태로 돌아가려는 복원력 T는 늘어난 길이 L에 비례하는데, 이 비율 T/L이 영률이다. 용수철상수는 용수철의 영률이다. 용수철을 원래 길이에서 x만큼 잡아당기거나 압축시키면 길이 x에 비례하는 크기의 복원력 F가 생긴다. 이때 F와 x의 비율이 용수철상수 k = F/x 이다. 용수철의 복원력(탄성력)은 외부 작용의 반대방향으로 나타나므로 F = -kx가 된다. 반대로 F라는 힘을 주면 x = F/k 만큼의 길이를 잡아당길 수 있다.
상기 로드(310)는, 구조물에 직접 연결되어 구조물의 변형이 일어나는 경우 이에 따라 좌우로 평행 이동할 수 있는 구조로 형성된다. 이에 통상적으로 구조물에 견고히 고착되므로, 도 2를 볼 때 좌측으로 당겨질 수 있는 와이어나 금속바로 형성되어 내부의 장력탄성스프링(210)을 당겨서 인장응력을 부가할 수 있도록 한다. 이에 도 2에서 보는 바와 같이 상기 로드(310)는 좌측단은 구조물과 일체로 연결되어 있고, 우측단은 장력탄성스프링(210)과 일체로 연결되어 있다.
도 2에서 장력탄성스프링(210)에 가해진 인장응력을 받는 변위측정용 광섬유격자센서(610)는, 통상적인 광섬유격자센서(Fiber Bragg Grating Sensor)로써 광섬유의 코어에 격자를 일정간격으로 가하여 형성시킨 것이다. 이에 상기 일정간격으로 가해진 격자는 광섬유격자센서가 인장응력이나 압축응력을 받으면 격자가 늘어나거나 좁아져서 파장의 천이가 발생하게 된다. 즉, 이와 같이 파장의 변화가 발생하게 되면서 어느 정도 인장응력이나 압축응력이 발생되었는지, 그리고 이로 인해 실제로 전체적인 변형이 얼마나 발생되었는지를 역으로 측정할 수 있게 되는 것이다. 이러한 광섬유격자센서를 이용한 변위를 측정하는 수단은 당업자들에게 이미 널리 알려진 방법으로 이하 그 설명을 생략하기로 한다.
상기 광섬유(810)는, 광섬유격자센서(610)로부터 측정된 파장을 전달하는 역할을 하고, 광섬유격자센서와 일체로 연결될 수 있는 수단이 된다. 여기서 상기 광섬유(810)는 도 2에서 보는 것처럼 중앙부에 광섬유격자센서(610)가 형성되고, 좌측 일단은 장력탄성스프링(210)의 고정단(212)에 연결되며, 우측 타단은 케이스에 형성된 광섬유고착구에 일체로 견고히 고정된다. 통상적으로 이는 고착제 등의 접착제를 활용하거나, 미끄러지지 않도록 견고히 고정된다. 이렇게 우측 타단이 고정(fixed)됨으로써 좌측의 장력탄성스프링(210)에서 인가되는 인장응력이 광섬유격자센서(610)에 충분히 전달될 수 있도록 한다.
상기 광섬유격자센서(610)는, 변위측정용 광섬유격자센서(610)로써 일반적으로 광섬유격자센서(Fiber Bragg Grating Sensor)로써 자체에 인장응력이나 압축응력이 가해지는 경우 격자의 이격거리가 미세하게 변하게 되어 파장 천이를 발생시키게 된다.
예를 들어, 1550 nm 의 파장을 갖는 FBG 센서의 경우 인장응력 하중이 100 g 당 1.13 nm 의 파장 변위가 발생하게 된다. 따라서, 상기 장력탄성스프링(210)에 일정한 하중이 가해지는 경우 고유의 탄성계수를 이용하여 장력탄성스프링(210)에 연결된 변위측정용 광섬유격자센서(610)에 가해지는 인장응력에 따른 파장 변위값을 산출할 수 있게 된다. 이렇게 산출된 파장 변위값을 역으로 계산하여 장력탄성스프링(210)에 가해진 하중(F)을 구할 수 있게 되며, 하중을 구하게 되면 고유의 스프링상수(탄성계수, k) 값으로 변위(x)를 구하게 되는 것이다.
이에 본 발명의 변위측정용 광섬유격자센서(610)를 이용하여 구조물의 변형에 따른 변위를 측정하는 단계를 보면 다음과 같다.
i) FBG 센서에서 측정된 파장 변위값 측정
ii) 상기 측정된 파장 변위값으로 인장응력(F) 하중 측정 (ex. 1550 nm 짜리 FBG센서의 경우 인장응력 하중 100g 당 1.13 nm 파장 변위 발생이므로 이를 역으로 계산)
iii) 상기 계산된 인장응력(F) 값으로 스프링상수 값을 이용한 구조물의 변형에 따른 변위(x) 측정
[F = k·x] 계산식에 대입하여 x 값 산출
도 3 및 도 4은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 도시한 내부 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예를 도 3 및 도 4를 참조해 설명하면, 상기 도 2의 실시예와 마찬가지로 본 실시예도 케이스(120), 장력탄성스프링(220), 로드(320), 광섬유격자센서(620) 및 광섬유(820)를 포함한다. 이러한 상기 구성들은 앞선 도 2의 실시예와 동일한 작동 및 기능을 하므로 이하 그 설명을 생략하기로 한다.
도 3의 실시예를 살펴보면, 도 2의 실시예에서 로드(320)에 스토퍼(325)와 로드유도부(322)를 추가로 포함한다.
상기 스토퍼(325)는, 케이스(120) 내부에 관입된 로드(320)의 외주면을 잡으면서 일체화되어 설치된다. 이러한 스토퍼(325)는 로드(320)가 구조물의 변형에 따라 좌측으로 당겨질 때, 케이스(120)의 좌측 벽에 관통공에서 걸치면서 정지할 수 있도록 한다. 이와 같이 스토퍼(325)를 포함하는 이유는 구조물의 변형이 갑작스럽게 일어나는 경우나 또는 로드(320)를 뽑아내는 경우 내부의 광섬유나 광섬유격자센서가 끊어져 파손되는 문제를 방지하기 위함이다.
상기 로드유도부(322)는, 케이스(120) 내부에서 로드(320)가 덜렁거리지 않고 장력탄성스프링(220)을 잡아 당기거나 압축시킬 수 있도록 하기 위해 설치되는 것으로 통상적으로 도 2에서 보는 것처럼 케이스(120) 내부에 일체로 설치된 격벽으로 중앙에 로드(320)가 통과하는 관통공을 포함한다.
도 4의 실시예를 살펴보면, 상기 도 3의 실시예에서 우측 광섬유(820) 단에 추가로 온도보상용 광섬유격자센서(720)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 위해서 본 실시예는 광섬유 고착구(823)가 별도로 케이스 내부에 인입되어 설치되고, 당해 광섬유고착구(823)에 고정된 광섬유(810) 우측에 온도보상용 광섬유격자센서(720)가 연결되어 설치된다.
도 4를 보면, 변위측정용 광섬유격자센서(620)가 설치된 광섬유(820)는 장력탄성스프링의 고정단(222)으로부터 광섬유고착구(823)까지 중단에 설치되어 타단이 고정(fixed)되고, 상기 광섬유고착구(823)에서 케이스(120) 우측 격벽까지는 온도보상용 광섬유격자센서(720)가 설치되도록 한다.
통상적으로 광섬유격자센서는 온도에 영향으로 굴절률 변화를 가져오며, 이에 따라 1℃ 당 10 pm 정도의 파장변화가 발생한다. 그리고 케이스 자체의 열팽창 계수와 스프링상수의 변화 등이 발생한다.
즉, 케이스(110)는 금속 재질로 형성되는 경우가 일반적이므로 온도 변화에 따라 팽창 수축이 발생하게 된다. 또한, 장력탄성스프링(210)의 경우에도 스프링 탄성계수가 온도에 따라 변화된 값을 가지게 된다. 이러한 상기 광섬유격자센서의 온도에 따른 굴절율 변화, 케이스(110)의 온도에 따른 신축변화, 장력탄성스프링(210)의 온도에 따른 탄성계수 변화를 보상해 줄 수 있도록 온도보상용 광섬유격자센서(720)를 설치하게 된다.
이러한 미세한 온도의 영향은 구조물의 변형이 아주 작은 경우 이를 측정하는데 있어 영향을 미칠 수 있게 된다. 이에 따라 변위측정용 광섬유격자센서(620)와 별개로 광섬유(820)를 통해 연이어져 연결되는 온도보상용 광섬유격자센서(720)를 추가 포함하여 변위측정용 광섬유격자센서(620)에 측정된 파장을 온도보상용 광섬유격자센서(720)에서 보정하여 측정되도록 한다.
상기 온도보상용 광섬유격자센서(720)는 변위측정용 광섬유격자센서(620)와 동일한 파장범위를 갖는 광섬유격자센서로 이루어지도록 하되 역으로 설치하여 변위측정용 광섬유격자센서(620)에서 측정된 온도에 영향받은 파장을 보정할 수 있도록 한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 도시한 내부 사시도이다.
본 발명의 또 다른 실시예를 도 5 및 도 6을 참조해 설명하면, 상기 도 3 및 도 4의 실시예와 마찬가지로 본 실시예도 케이스(120), 장력탄성스프링(220), 로드(320), 변위측정용 광섬유격자센서(620), 광섬유(820) 및 온도보상용 광섬유격자센서(730)를 포함한다. 이러한 상기 구성들은 앞선 도 3 및 도 4의 실시예와 동일한 작동 및 기능을 하므로 이하 그 설명을 생략하기로 한다.
도 5의 실시예를 살펴보면, 본 실시예에서의 작동관계는 도 3 및 도 4의 작동관계와 달리하므로 이하 상세히 설명하기로 한다.
우선 본 실시예에서 본 발명의 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치(13)는 복원탄성스프링(235), 와이어(931)을 추가로 포함하고, 로드(330)부에 이동부재(337)를 추가로 포함하며, 상기 복원탄성스프링(235) 및 장력탄성스프링(230)을 연결하는 와이어(931)가 감기는 도르래(933a, 933b)를 추가로 포함한다. 또한, 장력탄성스프링(230)에 연결된 변위전달부재(531)가 회동축(532)을 축으로 하여 힌지 회동을 하면서 지렛대의 원리로 변위측정용 광섬유격자센서(630)에 인장응력을 전달하도록 한다.
도 5에서 보는 바와 같이, 로드(330)는 케이스 외부에서 구조물에 고정되어 구조물의 변형이 발생되는 경우 본 발명의 변위측정장치(13)에 수평방향으로 이동된다. 이와 같이 로드(330)가 케이스 내부에서 로드유도부(332)의 관통공을 통해 수평방향으로 우측으로 이동하는 경우, 이동부재(337)가 우측으로 가게 되고 당해 이동부재(337)에 일체로 연결되어 있는 와이어(931)가 도르래(933a, 933b)에 감겨 당겨지게 된다. 여기서, 상측에 있는 와이어는 복원탄성스프링(235)에 연결되고, 하측의 와이어는 장력탄성스프링(230)에 연결된다.
상기 복원탄성스프링(235)은, 로드(330)가 우측으로 밀린 후 다시 복원하는데 필요한 복원력을 제공한다. 이는 구조물이 여름과 겨울에 수축과 팽창의 변형을 일으키는 경우 상기 로드(330)는 좌우로 이동할 수 있기 때문에 좌우로 이동될 수 있도록 하는 것이 필요하기 때문이다.
이와 같이 도르래(933a, 933b)가 존재하여 로드(330)의 진행방향에 대한 하중을 반대로 장력탄성스프링(230)이 받게 되고 이를 지렛대의 원리로 변위전달부재(531)를 통해 광섬유격자센서(630)에 전달하게 됨으로써 도 2 내지 도 4에서의 실시예에서 보여지는 변위측정장치의 전체적인 길이보다 훨씬더 짧게 제작할 수 있게 된다. 이렇게 함로써 협소한 공간에서도 본 발명의 변위측정장치를 간단히 설치할 수 있게 되는 시공편의성과, 재료를 절약할 수 있으므로 경제성을 도모할 수도 있게 된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서 도 5를 보면, 상기 장력탄성스프링(230)은 변위전달부재(531)의 하측 일단에 연결되어 있다. 그리고, 변위전달부재(531)는 회동축(532)을 기준으로 지렛대의 원리를 통해 변위전달부재의 타단에 연결된 광섬유(830)에 인장응력을 인가하게 된다.
상기 변위전달부재(531)는 통상적으로 회동축(532)을 통해 힌지 회동하는 바의 형태로 이루어지며 회동축(532)의 위치에 따라 변위전달부재인 지렛대에 인가되는 모멘트가 다르게 되므로 다양하게 구성될 수 있다. 이는 도 7에 보다 상세히 도시되어 있으므로 하기에서 보다 상세히 설명하도록 한다.
이와 같이 로드(330)가 우측으로 이동하는 경우 하측의 와이어(931)를 도르래(933b)를 통해 당기게 되고, 장력탄성스프링(230)은 인장응력을 가지게 된다. 변위전달부재(531)의 밑단은 좌측으로 당겨지게 되고 회동축(532)을 중심으로 윗단은 우측으로 당겨지게 된다. 결과적으로 변위측정용 광섬유격자센서(630)는 구조물의 변형에 따른 변위에서 인장응력을 받아 파장 천이를 발생시키게 되고 이를 측정함으로써 역으로 변형된 구조물의 변위를 계측할 수 있게 된다.
여기서, 도 5의 변위전달부재(531)를 살펴보면, 광섬유가 고착되어 연결된 부위는 만곡부(535)를 형성하게 된다. 특히 이러한 만곡부(535)는 여기에 고착되는 광섬유(837)가 감기고, 풀어질 수 있도록 하는 요홈부(537)가 형성되어 있다. 즉, 상기 도르래(933a, 933b)에서와 유사한 요홈부를 포함하고 있고, 당해 요홈부(537)에 광섬유(837)가 감긴 후 그 끝부분은 변위전달부재(531)의 외표면에 견고히 고착되는 것이다.
이러한 구성은 상기 변위전달부재(531)가 회전축(532)을 중심으로 힌지 회동하는 경우 광섬유(837)가 고착된 부분에서 절곡되거나 휘어져 파손되는 것을 방지하기 위함이다. 즉 이렇게 만곡부의 요홈부에 내입되어 절곡되어 꺽이는 부분없이 곡선을 이루면서 휘어지므로, 광섬유가 파손되어 오측정의 위험이 발생할 염려가 없게 된다. 이는 하기의 도 7에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
또한 본 실시예에서도 온도보상용 광섬유격자센서(730)를 포함하는데, 도 5에서 보는 바와 같이, 광섬유 고착구(833)에 변위측정용 광섬유격자센서(630)가 설치된 광섬유(830)가 고착제 등에 의해 일체로 고정되고, 온도보상용 광섬유격자센서(730)는 상기 광섬유 고착구(833)에서 나온 광섬유(830)에 연이어져 연결된다. 이는 앞서 도 3 및 도 4의 실시예에서 설명한 것처럼 변위측정용 광섬유격자센서(630)에서의 온도에 따른 변화를 보상하기 위한 것이다.
도 6의 실시예를 살펴보면, 상기 도 5의 실시예와 동일한 구성을 가지고 있으나, 로드(330)와 광섬유(830)가 서로 반대편에 위치하도록 한다. 이렇게 구성함으로써 지반 침하와 같이 로드(330)가 우측으로 당겨지는 경우를 계측할 수 있게 된다. 즉, 도 6에서 처럼 로드 끝단에 있는 이동부재(337)가 우측으로 당겨지는 방향으로 이동을 하게 되면 상기 도 5의 실시예에서처럼 장력탄성스프링(230)이 벌어지게 되고, 변위전달부재(531)가 회동축(532)을 중심으로 힌지 회동하여 변위측정용 광섬유격자센서(630)에 인장응력을 가하게 된다. 이에 따라, 온도보상용 광섬유격자센서(730)를 포함하는 광섬유(830)는 상기 로드(330)의 위치와 반대방향에 위치하도록 한다. 물론 상기 광섬유(830)가 반드시 로드(330)와 반대방향에 배치될 필요는 없다. 본 발명의 기능을 실현하는데 단순한 설계 변경의 경우는 본 발명의 실시예에 모두 포함되는 것으로 본다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에서 변위전달부재의 다양한 회동축에 따른 작동을 도시한 도면이다.
상기 변위전달부재(531)는 도 7에서 보는 것처럼 회동축(532)이 중앙부에 위치할 수도 있지만, 다양한 위치에 존재할 수도 있다. 즉, 대략 중앙부에 회동축(532)이 위치(L1≒L2)하는 경우 장력탄성스프링(230)이 당기는 모멘트와 동일한 모멘트가 변위측정용 광섬유격자센서(630)에 가해지게 된다.
그러나, 회동축(532)이 장력탄성스프링(230) 쪽으로 위치(L1>L2)하는 경우 변위측정용 장력탄성스프링(230)에 의한 모멘트가 작고 변위측정용 광섬유격자센서(630)에 가해지는 모멘트가 더 크게 된다.
이와는 반대로 회동축(532)이 변위측정용 광섬유격자센서(630) 쪽으로 위치(L1<L2)하는 경우 변위측정용 장력탄성스프링(230)에 의한 모멘트가 크고 변위측정용 광섬유격자센서(630)에 가해지는 모멘트가 더 작게 된다.
즉, 회동축과 광섬유와의 연결단까지의 거리를 L1, 회동축과 장력탄성스프링 측의 연결단까지의 거리를 L2라고 할 때, 상기 회동축이 변위전달부재의 중앙부에 위치(L1≒L2)하는 경우, 장력탄성스프링의 탄성응력값과 동일한 인장응력을 변위측정용 광섬유격자센서에 전달된다.
그리고, 상기 회동축이 L1>L2 인 위치에 설치되는 경우, 장력탄성스프링의 탄성응력값보다 더 큰 값의 인장응력이 변위측정용 광섬유격자센서에 전달되며, 상기 회동축이 L1>L2 인 위치에 설치되는 경우 장력탄성스프링의 탄성응력값보다 더 작은 값의 인장응력이 변위측정용 광섬유격자센서에 전달되도록 한다.
이와 같이 회동축(532)의 위치를 변경함으로써 변위측정용 광섬유격자센서(630)에 가해지는 모멘트를 조절할 수 있고, 구조물의 변형이 크게 일어나는 경우나 작게 일어나는 경우를 조절하여 변위측정을 다양하게 할 수 있게 된다.
앞서 도 5 및 도 6에서와 같이 상기 변위전달부재(531)는 광섬유(837)가 고착되는 부위인 상측 끝단에 광섬유 걸림만곡부(535)가 형성되어 있는데, 도 7의 각각의 실시예에서 처럼 심하게 회동하는 경우에도 상기 걸림만곡부(535)에 감겨져 있는 광섬유(837)가 감기거나 풀리도록 한다. 이에 상기 걸림만곡부(535)는 광섬유(837)가 꺽이지 않도록 하거나 절곡되지 않도록 함으로써 곧게 유지되도록 하여, 취성이 약한 광섬유가 파손되거나 오작동하는 것을 방지할 수 있게 된다.
이러한 상기 걸림만곡부(535)는 광섬유가 걸리는 요홈부를 포함하여 상기 광섬유(837)이 요홈부에 내입되어 만곡부를 따라 감기도록 접촉 설치되는데, 이렇게 만곡부의 요홈부에 내입되어 절곡되어 꺽이는 부분없이 곡선을 이루면서 휘어지므로 광섬유가 파손되어 오측정의 위험이 발생할 염려가 없게 된다.
앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치를 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시예일 뿐, 전술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
* 도면의 주요부분에 대한 주요 설명 *
11,12,13 : 본 발명의 변위측정장치
110,120,130 : 케이스 210,220,230 : 장력탄성스프링
212,222,232 : 고정단 235 : 복원탄성스프링
931 : 와이어 310,320,330 : 로드
311,321,331 : 고정단 322,332 : 로드 유도부
325 : 스토퍼 337 : 이동부재
531 : 변위전달부재 532 : 회동축
535 : 광섬유 걸림만곡부 537 : 요홈부
610,620,630 : 변위측정용 광섬육격자센서
710,720,730 : 온도보상용 광섬유격자센서
810,820,830 : 광섬유 823,838 : 광섬유 고착구
837 : 만곡부 걸림부 933(933a, 933b) : 도르래

Claims (18)

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  7. 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치의 외부를 감싸는 케이스;
    구조물에 직접 연결되어 구조물의 변형이 일어나는 경우 수평변위를 전달하는 로드;
    상기 케이스 내부에서 수평 슬라이딩하고, 상기 로드의 말단에 형성되는 이동부재;
    일단이 상기 이동부재에 연결되는 와이어;
    상기 와이어가 감겨지는 도르래;
    상기 도르래에 감겨져서 연장된 와이어에 일단이 연결되어 로드에 의해 형성된 인장응력을 전달하는 장력탄성스프링;
    일단에는 상기 장력탄성스프링이 연결되고 타단에는 광섬유가 고착되어 연결되어, 지렛대의 원리로 상기 장력탄성스프링으로부터의 인장응력을 전달하는 변위전달부재;
    상기 장력탄성스프링에서 전달된 응력을 변위전달부재를 통해 전달받아 파장의 변화를 일으키는 변위측정용 광섬유격자센서; 및
    상기 변위측정용 광섬유격자센서에서 측정된 파장을 전달하는 광섬유;를 포함하여 장력탄성스프링에 가해지는 탄성력이 변위측정용 광섬유격자센서에 인장응력으로 전달되도록 하여 구조물의 변형에 따른 변위를 측정하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 변위전달부재는,
    장력탄성스프링에 가해진 탄성응력을 변위측정용 광섬유격자센서에 지렛대의 원리로 전달하기 위한 회동축;을 포함하고,
    광섬유가 고착 연결되는 일단은 광섬유가 감기고 풀어질 수 있도록 하는 요홈부가 형성된 광섬유 걸림만곡부;를 포함하여,
    힌지 회동을 하면서 장력탄성스프링에 가해지는 탄성력이 변위측정용 광섬유격자센서에 인장응력으로 전달되도록 하여 구조물의 변형에 따른 변위를 측정하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 걸림만곡부는,
    만곡부 외주면을 따라 내부로 함몰된 요홈부를 포함하여,
    상기 걸림만곡부의 요홈부에 내입되어 감기도록 접촉 설치되는 광섬유가 절곡되어 꺽이는 부분없이 곡선을 이루면서 휘어지므로, 취성이 약한 광섬유가 파손되거나 오작동하는 것을 방지하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    회동축과 광섬유와의 연결단까지의 거리를 L1, 회동축과 장력탄성스프링 측의 연결단까지의 거리를 L2라고 할 때,
    상기 회동축은, 변위전달부재의 중앙부에 위치(L1≒L2)하여 장력탄성스프링의 탄성응력값과 동일한 인장응력을 변위측정용 광섬유격자센서에 전달하도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    회동축과 광섬유와의 연결단까지의 거리를 L1, 회동축과 장력탄성스프링 측의 연결단까지의 거리를 L2라고 할 때,
    상기 회동축은, L1>L2 인 위치에 설치되어 장력탄성스프링의 탄성응력값보다 더 큰 값의 인장응력이 변위측정용 광섬유격자센서에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  12. 제 8 항에 있어서,
    회동축과 광섬유와의 연결단까지의 거리를 L1, 회동축과 장력탄성스프링 측의 연결단까지의 거리를 L2라고 할 때,
    상기 회동축은, L1>L2 인 위치에 설치되어 장력탄성스프링의 탄성응력값보다 더 작은 값의 인장응력이 변위측정용 광섬유격자센서에 전달되도록 하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    상기 케이스 내부에서 장력탄성스프링을 신축시킬 때, 로드가 덜렁거리지 않도록 하는 로드유도부;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  14. 삭제
  15. 제 7 항에 있어서,
    케이스의 내부에서 일단이 고정되어 상기 로드에 복원력을 주는 복원탄성스프링;
    상기 복원탄성스프링과 이동부재에 연결되어 이동부재에 복원탄성스프링의 복원력을 전달하는 와이어; 및
    상기 와이어가 감겨 복원력의 방향을 전환하는 도르래;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 장력탄성스프링 및 복원탄성스프링은,
    산화에 강한 스테인리스강 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  17. 제7항, 제8항, 제9항, 제10항, 제11항, 제12항, 제13항, 제15항 또는 제16항에 있어서,
    변위측정용 광섬유격자센서의 온도 영향에 따른 굴절률 변화 및 파장 변화와, 케이스 자체의 온도변화에 따른 수축팽창과, 장력탄성스프링 및 복원탄성스프링의 온도변화에 따른 스프링상수 변화 등을 보정해 주는 온도보상용 광섬유격자센서;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 변위측정용 광섬유격자센서와 온도보상용 광섬유격자센서 사이의 광섬유를 케이스에 고정시키는 광섬유 고착구;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 변위측정장치.
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