KR101060751B1 - Bolt-axis force display fastening device using Bragg optical fiber - Google Patents

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Abstract

본 발명은 브래그 격자 광섬유을 이용하여 볼트의 축력을 실시간 계측하면서, 요구된 축력을 정확하게 도입할 수 있는 볼트 축력표시 체결기기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼트를 체결하는 과정에서 볼트의 머리 혹은 끝단에, 삽입된 광섬유에 레이저 광을 조사하면서 축력(변형률)을 계측하고, 미리 설정된 특정변형률(목표 축력)에서 볼트의 체결이 중단되도록 한 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기에 관한 것이다.The present invention relates to a bolt axial force indication fastening device that can accurately introduce the required axial force while measuring the axial force of the bolt using a Bragg grating optical fiber, more specifically, to the head or end of the bolt in the process of tightening the bolt The present invention relates to a bolt-axis force indication fastening device using Bragg optical fiber which measures the axial force (strain) while irradiating a laser beam to the inserted optical fiber and stops the fastening of the bolt at a predetermined specific strain rate (target axial force).

볼트, 브래그 격자 광섬유, 브래그 광섬유 센서, 온도센서, 센서신호 수신부 Bolt, Bragg grating fiber, Bragg fiber sensor, temperature sensor, sensor signal receiver

Description

브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기{Device to Clamp the High Strength Bolts up to the Required Tension using Bragg Grating Fiber}Device to Clamp the High Strength Bolts up to the Required Tension using Bragg Grating Fiber}

본 발명은 브래그 격자 광섬유을 이용하여 볼트의 축력을 실시간 계측하면서, 요구된 축력을 정확하게 도입할 수 있는 볼트 축력표시 체결기기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼트를 체결하는 과정에서 볼트의 머리 혹은 끝단에, 삽입된 광섬유에 레이저 광을 조사하면서 축력(변형률)을 계측하고, 미리 설정된 특정변형률(목표 축력)에서 볼트의 체결이 중단되도록 한 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기에 관한 것이다.The present invention relates to a bolt axial force indication fastening device that can accurately introduce the required axial force while measuring the axial force of the bolt using a Bragg grating optical fiber, more specifically, to the head or end of the bolt in the process of tightening the bolt The present invention relates to a bolt-axis force indication fastening device using Bragg optical fiber which measures the axial force (strain) while irradiating a laser beam to the inserted optical fiber and stops the fastening of the bolt at a predetermined specific strain rate (target axial force).

일반적으로, 볼트의 축력을 계측하는 기술은 여러 가지 방법으로 제안된 바 있지만, 실제적으로 건설현장 및 일반산업 분야에서 보편적으로 사용되지 않고 있는 실정이다. In general, a technique for measuring the axial force of the bolt has been proposed in a number of ways, but practically not used in the construction site and general industry.

그중 대표적인 것은 볼트 내부에 축 방향으로 게이지를 삽입하여 볼트가 체결되면서 변화된 길이를 측정하여 그것을 볼트의 탄성계수로 축력을 환산하는 방법과 초음파를 이용하여 볼트의 체결 전, 후의 볼트 길이 변화를 측정하는 방법이다. Among them, a gauge is inserted into the bolt in the axial direction to measure the changed length as the bolt is tightened, and it is used to convert the axial force into the elastic modulus of the bolt and to measure the change in bolt length before and after tightening the bolt using ultrasonic waves. Way.

도 1 은 종래의 볼트 축력을 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing a conventional apparatus for measuring bolt force.

이를 참조하면, 종래의 볼트 측정장치는 측정대상물인 볼트(11)의 몸체에 설치되며, 볼트(11)에 가해지는 축력을 전기신호로 변환하는 스트레인 게이지(12)와, 스트레인 게이지(12)에 접속된 전선이 인출되는 통로가 되며, 볼트(11)가 설치된 대상물에 형성된 인출공(16)과, 스트레인 게이지(12)에서 출력된 전기신호를 증폭하는 증폭기(13)와, 상기 증폭기(13)에서 출력된 데이타를 저장하는 메모리(14)와, 상기 증폭기(13)에서 출력된 전기신호를 일정 파형으로 변환시켜 표시하는 오실로스코프(15)로 구성된다.Referring to this, the conventional bolt measuring device is installed on the body of the bolt 11, which is the measurement object, and the strain gauge 12 and the strain gauge 12 for converting the axial force applied to the bolt 11 into an electrical signal The connected wire becomes a passage through which the connected wire is drawn out, the lead hole 16 formed in the object in which the bolt 11 is installed, the amplifier 13 which amplifies the electric signal output from the strain gauge 12, and the amplifier 13 And a memory 14 for storing the data output from the oscilloscope, and an oscilloscope 15 for converting and displaying the electrical signal output from the amplifier 13 into a predetermined waveform.

이와 같이 구성된 종래의 볼트 측정장치는 즉, 캠 캡(1)을 실제로 동작시키면, 캠이 구동함에 따라 캠 캡(1)을 통해 볼트(11)에 가해지는 축력을 스트레인 게이지(12)가 감지하여 전선을 통해 소정의 전기신호로 출력하고, 상기 신호는 증폭기(13)에서 증폭되어 메모리(14)와 오실로스코프(15)로 공급된다.In the conventional bolt measuring device configured as described above, that is, when the cam cap 1 is actually operated, the strain gauge 12 detects the axial force applied to the bolt 11 through the cam cap 1 as the cam is driven. Outputs a predetermined electrical signal through the wire, which is amplified by the amplifier 13 and supplied to the memory 14 and the oscilloscope 15.

또한, 메모리(14)는 증폭기(13)로부터 입력되는 데이타를 저장하여 후에 사용자가 볼 수 있도록 하며, 오실로스코프(15)는 입력되는 데이타를 소정의 파형으로 변환시켜 표시하므로서, 사용자가 즉시에서 볼트(11)에 가해지는 축력을 알 수 있게 되는 것이다.In addition, the memory 14 stores data input from the amplifier 13 for later viewing by the user, and the oscilloscope 15 converts the input data into a predetermined waveform and displays it, thereby allowing the user to immediately display the volt ( 11) will be able to know the axial force applied to.

그러나, 상술한 종래의 볼트 축력 측정장치와 같이, 전기적인 신호로 볼트의 변형을 측정하는 방법은 전기적 신호의 간섭으로 인해 오차가 커질 가능성이 있고, 초음파를 이용한 계측 방법은 볼트 머리, 끝 표면의 요철로 인한 계측 오류로 인해 현장에서의 실제 적용이 어려운 단점이 있다.However, as in the conventional bolt axial force measuring device described above, the method of measuring the deformation of the bolt with an electrical signal may have a large error due to the interference of the electrical signal, the measurement method using ultrasonic waves is the Measurement errors due to irregularities have a disadvantage in that the practical application in the field is difficult.

또한, 토크관리법을 사용하고 있는 국내의 건축 토목 표준시방서에서는 강 구조물의 고력볼트 체결공사에서 체결 당일 표준볼트축력(Required Tension Load)에 소요되는 토크를 확인하기 위해, 최소 5개 이상의 볼트 세트에 대해 축력 검사를 실시하여 소요 토크를 정하여 당일 체결 분에 한해 적용하고 있으나, 동일 토그의 볼트라도 그 토크계수가 다르기 때문에 도 2 에 도시된 바와 같이 축력은 상이하게 나타나는 단점이 있었다.In addition, in the domestic civil engineering standard specification that uses the torque management method, at least 5 bolt sets for at least 5 bolt sets are used to check the torque required for the standard bolt load on the day of fastening in high strength bolt fastening of steel structures. The axial force test was performed to determine the required torque and applied to the tightening part on the same day. However, even though the bolts of the same torque had different torque coefficients, the axial force was different from that shown in FIG. 2.

따라서, 볼트의 변형을 실시간으로 계측하면서, 정밀하게 측정할 수 있는 볼트 축력 측정장치가 절실히 요구되고 있는 실정이다.Therefore, there is an urgent need for a bolt axial force measuring apparatus capable of accurately measuring the deformation of a bolt in real time.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 볼트의 축력을 실시간으로 정확하게 측정할 수 있도록 함으로써, 목표 축력에 다다르게 되면 자동으로 체결작업이 중단되도록 한 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, the object of the present invention is to enable the accurate measurement of the axial force of the bolt in real time, so that the braking operation is automatically stopped when reaching the target axial force It is an object of the present invention to provide a bolt-axis display device using optical fibers.

본 발명의 목적 및 장점들은 이하 더욱 상세히 설명될 것이며, 실시예에 의해 더욱 구체화될 것이다. 또한 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타난 수단 및 이들의 조합에 의해 실현될 수 있다.The objects and advantages of the present invention will be described in more detail below, and will be further embodied by the examples. Further objects and advantages of the invention may be realized by the means indicated in the claims and combinations thereof.

상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 축부에 광섬유가 삽입된 볼트와, 상기 볼트의 축부에 결합되는 너트를 회전시킬 수 있는 것으로, 일측에 상기 너트를 회전시킬 수 있는 너트삽입홈이 형성되고, 상기 너트삽입홈의 수직선 상에 결합홈이 형성된 렌치와, 상기 렌치의 결합홈에 결합되며, 일측에 레이저 광 조사수단이 구비된 것으로, 광섬유에서 발생되는 브래그 파장 및 온도를 감지할 수 있는 브래그 광섬유 센서 및 온도센서와, 상기 브래그 광섬유 센서와, 온도센서를 탄성 지지하며 볼트의 체결과정에서 발생하는 신축을 흡수할 수 있도록 한 신축부와, 상기 브래그 광섬유 센서 및 온도센서와 연결되어 상기 센서들로부터 감지된 신호를 수신하는 센서신호 수신부와, 상기 센서신호 수신부에 전달된 브래그 파장 변화를 변 형률로 환산해 주는 신호처리부 및 상기 신호처리부와 전기적으로 연결되어 신호처리부에서 얻어진 체결축력을 표시하는 표시부를 포함하는 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is to rotate the bolt with the optical fiber is inserted into the shaft portion, and the nut coupled to the shaft portion of the bolt, a nut insertion groove is formed to rotate the nut on one side, Bragg optical fiber that is coupled to the wrench and the coupling groove formed on the vertical line of the nut insertion groove, coupled to the coupling groove of the wrench, the laser light irradiation means on one side, can detect the Bragg wavelength and temperature generated in the optical fiber A sensor and a temperature sensor, the Bragg optical fiber sensor, a stretchable part that elastically supports the temperature sensor and absorbs the stretch generated during the fastening of the bolt, and is connected to the Bragg optical fiber sensor and the temperature sensor from the sensors The sensor signal receiver for receiving the detected signal and the Bragg wavelength change transmitted to the sensor signal receiver are converted into strain rates. Signal processing and to provide a bolt fastening axial force display apparatus using the signal processing section and a Bragg fiber that is electrically connected to a display section that displays the fastening axial force resulting from the signal processing unit.

또한 본 발명에 있어서,

Figure 112009066804401-pat00001
는 반사된 브래그 파장이고,
Figure 112009066804401-pat00002
는 광섬유의 열팽창계수이며,
Figure 112009066804401-pat00003
는 열광학계수이고,
Figure 112009066804401-pat00004
는 온도 변화이며,
Figure 112009066804401-pat00005
광탄성상수이고,
Figure 112009066804401-pat00006
는 구하고자 하는 변형률인 경우, 상기 브래그 파장과 온도의 변형률 상관관계는
Figure 112009066804401-pat00007
로 얻어질 수 있는 것을 특징으로 한다. In the present invention,
Figure 112009066804401-pat00001
Is the reflected Bragg wavelength,
Figure 112009066804401-pat00002
Is the coefficient of thermal expansion of the optical fiber,
Figure 112009066804401-pat00003
Is the thermo-optic coefficient,
Figure 112009066804401-pat00004
Is the change in temperature,
Figure 112009066804401-pat00005
Photoelastic constant,
Figure 112009066804401-pat00006
Is the strain to be obtained, the strain correlation between the Bragg wavelength and the temperature is
Figure 112009066804401-pat00007
Characterized in that can be obtained.

또한 본 발명에 있어서, 상기 변형률

Figure 112009066804401-pat00008
에 온도변화가 있을 때의 함수로 바꾸면
Figure 112009066804401-pat00009
가 적용되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the strain
Figure 112009066804401-pat00008
If you change the function to a temperature change
Figure 112009066804401-pat00009
Characterized in that is applied.

또한 본 발명에 있어서, 온도변화가 없을 때의 함수로 바꾸면

Figure 112009066804401-pat00010
가 적용되는 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, if changed to a function when there is no temperature change
Figure 112009066804401-pat00010
Characterized in that is applied.

또한 본 발명에 있어서, 상기 신축부는 탄성복원력을 갖는 합성수지로 이루 어진 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, the stretching portion is characterized in that made of a synthetic resin having an elastic restoring force.

또한 본 발명에 있어서, 상기 표시부에는 미리 설정된 목표 축력에 도달시 이를 알릴 수 있는 램프가 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, the display unit may be provided with a lamp that can be notified when it reaches a predetermined target axial force.

또한 본 발명에 있어서, 상기 표시부에는 미리 설정된 목표 축력에 도달시 경보음을 울릴 수 있는 음향출력기가 설치될 수 있는 것을 특징으로 한다.In addition, in the present invention, the display unit may be provided with a sound output unit that can sound an alarm when reaching a predetermined target axial force.

따라서, 본 발명에 따른 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기는 광섬유를 통해 실시간 축력을 확인하면서 목표 축력에서 체결작업이 자동적으로 중지되도록 함으로서, 토크계수 변동과 관계없이 정해진 축력으로 볼트를 체결할 수 있어 토목, 건축 구조물뿐만 아니라 자동차, 선박 등의 주요 산업분야에서도 활용할 수 있는 장점이 있다.Therefore, the bolt force display device using the Bragg optical fiber according to the present invention by allowing the fastening operation is automatically stopped at the target axial force while checking the real-time axial force through the optical fiber, it is possible to tighten the bolt with a predetermined axial force regardless of the torque coefficient variation Therefore, there is an advantage that can be utilized not only in civil engineering and building structure but also in major industries such as automobile and ship.

또한, 광섬유를 이용하여 계측하기 때문에 빛의 속도로 정보를 전달하고 미세변화를 감지할 수 있고, 전기 센서보다 안전하고 부식이 없어서 반영구적으로 계측할 수 있는 장점이 있어 교량, 고층 건축물 등과 같이 상시 계측이 필요한 구조물에 활용할 수 있는 장점이 있다.In addition, because it uses optical fiber, it can transmit information at the speed of light and detect minute changes, and it is safer than electric sensors and has no advantages because it can measure semi-permanently because it is not corroded. There is an advantage that can be utilized for this necessary structure.

일반적으로 광섬유(Optical Fiber)는 정보통신, 항공 우주분야에서 신호의 송신장치로 많이 사용되고 있다. 그러나, 광섬유를 이용하여 구조물의 건전성 및 물성 계측에 적용하기 시작한 것이 비교적 최근의 기술이고 특히, 체결과정 혹은 체결 이후 도입된 축력의 확인이 난해한 고력볼트의 축력계측에 활용된 사례는 전무하다. 따라서, 광섬유를 이용한 계측방법은 기존 전기신호에 의한 변형률 게이지와 달리 전파신호에 의한 간섭이 적고 내부식성이 강하여 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있고, 기 삽입된 광섬유에 광파를 조사함으로서 변형률을 계측하기 때문에 표면의 요철로 인한 계측 오류가 거의 없는 장점이 있다.In general, optical fiber (optical fiber) is widely used as a signal transmission device in the information communication, aerospace field. However, it is relatively recent technology that has been applied to measuring the soundness and physical properties of structures using optical fibers, and in particular, there are no examples of the application of axial force measurement of high-strength bolts, which are difficult to confirm the axial force introduced after the fastening process or after fastening. Therefore, the measurement method using the optical fiber has the advantage that it can be used semi-permanently due to the low interference and the corrosion resistance of the radio signal, unlike the strain gauge by the electric signal, and to measure the strain by irradiating the optical wave to the inserted optical fiber Therefore, there is almost no measurement error due to surface irregularities.

이하 본 발명에 따른 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기의 구성 및 작용효과를 바람직한 실시예와 첨부된 도면을 참조로 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the configuration and operation effects of the bolt-axis force display fastening device using the Bragg optical fiber according to the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments and the accompanying drawings.

도 3 은 본 발명에 따른 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력 표시 및 체결기기의 구성도이다.Figure 3 is a block diagram of the bolt axial force display and fastening device using a Bragg optical fiber according to the present invention.

본 발명에 따른 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기(100)는 상기 브래그 광섬유를 사용하여 체결과정에서 축력을 실시간으로 확인하면서 볼트(S)를 체결할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 것으로, 상기 볼트(S)의 축부에 삽입되어 일체화 되도록 구성된 광섬유(110)와, 상기 볼트(S)를 체결할 수 있도록 너트(N)를 회전시킬 수 있는 렌츠(120)와, 상기 렌치(120)에 설치되는 브래그 광섬유 센서(130), 온도센서(140), 신축부(150), 센서신호 수신부(160), 신호처리부(170), 그리고, 표시부(180)를 포함한다.The bolt axial force display fastening device 100 using the Bragg optical fiber according to the present invention is characterized in that the bolt (S) can be fastened while checking the axial force in real time in the fastening process using the Bragg optical fiber, the bolt The optical fiber 110 is inserted into the shaft portion of the (S) and configured to be integrated, the lens 120 to rotate the nut (N) to fasten the bolt (S), and the wrench 120 is installed The Bragg optical fiber sensor 130, the temperature sensor 140, the stretching unit 150, the sensor signal receiver 160, the signal processor 170, and the display unit 180.

본 발명에 따른 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기(100)는 도면에 도시된 바와 같이, 광섬유(110)가 체결하고자 하는 볼트(S)의 축부에 삽입되어 일체화 되도록 구성되어 있다. 여기서, 상기 광섬유(110)는 이미 공지된 기술로서, 빛의 손실을 최소화하여 멀리 보내기 위해 사용되는 것으로 일종의 전선으로 구성되어 있다.As shown in the drawing, the bolt axis force display fastening device 100 using the Bragg optical fiber according to the present invention is configured to be integrated by being inserted into the shaft portion of the bolt S to be fastened. Here, the optical fiber 110 is a known technique, which is used to send away by minimizing the loss of light is composed of a kind of wire.

렌치(120)는 상기 광섬유(110)가 삽입된 볼트(S)의 끝단에 너트(N)를 회전결합시킬 수 있도록 구성되며, 상기 볼트(S)와 수직선 상에 상술한 브래그 광섬유 센서(130), 온도센서(140), 신축부(150), 센서신호 수신부(160), 신호처리부(170), 그리고, 표시부(180)가 설치되도록 결합홈(120a)이 형성된다.The wrench 120 is configured to rotate the nut N to the end of the bolt S into which the optical fiber 110 is inserted, and the Bragg optical fiber sensor 130 described above on a vertical line with the bolt S. The coupling groove 120a is formed so that the temperature sensor 140, the expansion and contraction unit 150, the sensor signal receiving unit 160, the signal processing unit 170, and the display unit 180 are installed.

이때, 상기 렌치(120)는 도면에 도시된 바와 같이, 너트(N)를 회전시킬 수 있도록 일측에 상기 너트(N)와 대응되는 형상의 너트삽입부(122)가 형성되어 있으며, 상기 너트삽입부(122)의 일측으로 사용자가 파지하여 간편하게 회전시킬 수 있도록 손잡이부(124)가 형성된 구성이다.At this time, the wrench 120, as shown in the figure, the nut insertion portion 122 of the shape corresponding to the nut (N) is formed on one side to rotate the nut (N), the nut insertion The handle portion 124 is configured to be easily rotated by the user gripping to one side of the portion 122.

브래그 광섬유 센서(130)는 상기 볼트(S)와 너트(N)의 결합시 상기 광섬 유(110)에서 발생되는 브래그 파장을 감지할 수 있도록 한 것으로, 광섬유(110)에 빛을 입사 시키면 굴절률이 변하는 경계부분에서 특정파장대 만의 빛을 반사시키며, 다른 파장의 빛은 통과하게 된다. 이때 중심파장을 브래그 파장이라 하며, 반사되는 브래그 파장은 광섬유(110)에 가해지는 변형률이나 온도에 반응하여 변하게 된다.The Bragg optical fiber sensor 130 detects the Bragg wavelength generated in the optical fiber 110 when the bolt S and the nut N are coupled to each other. When the light is incident on the optical fiber 110, the refractive index is reduced. It reflects light of a specific wavelength band at the changing boundary, and light of different wavelengths passes. In this case, the center wavelength is called a Bragg wavelength, and the reflected Bragg wavelength is changed in response to strain or temperature applied to the optical fiber 110.

즉, 광섬유(110)가 삽입된 볼트(S) 주변 온도가 바뀌거나 광섬유(S)에 인장이 가해지면, 광섬유(S)의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 파장이 변화된다. 따라서 광섬유(S)에서 반사되는 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다. That is, when the ambient temperature of the bolt S into which the optical fiber 110 is inserted is changed or the tension is applied to the optical fiber S, the refractive index or the length of the optical fiber S is changed, so that the reflected wavelength is changed. Therefore, by measuring the wavelength reflected from the optical fiber (S) it is possible to detect the temperature, tension, pressure, bending.

구체적으로, 상기 브래그 광섬유 센서(130)는 도면에 도시된 바와 같이, 일정한 길이를 갖는 원기둥 또는 사각기둥 형상으로 형성되되, 일단은 상기 광섬유(110)가 삽입된 볼트(S)의 끝단에 접촉되도록 하고, 타단은 후술하는 신축부(150)와 접촉되도록 위치된다.Specifically, the Bragg optical fiber sensor 130, as shown in the figure, is formed in a cylindrical or square column shape having a predetermined length, one end so that the optical fiber 110 is in contact with the end of the inserted bolt (S) And the other end is positioned so as to be in contact with the stretchable portion 150 to be described later.

이때, 상기 브래그 광섬유 센서(130)에는 조사수단(미도시)을 구비하여 상기 광섬유(110)에 레이저 광을 조사할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.In this case, the Bragg optical fiber sensor 130 is preferably provided with an irradiation means (not shown) to be able to irradiate the laser light to the optical fiber 110.

또한, 상기 브래그 광섬유 센서(130)와 인접하게 상기 브래그 광섬유 센 서(130)와 동일한 길이를 갖는 온도센서(140)를 설치하여, 일단은 상기 볼트(S) 끝단과 접촉되도록 하고, 타단은 신축부(150)와 접촉되도록 한다.In addition, by installing the temperature sensor 140 having the same length as the Bragg optical fiber sensor 130 adjacent to the Bragg optical fiber sensor 130, one end is in contact with the end of the bolt (S), the other end is stretched In contact with the unit 150.

즉, 상기 브래그 파장은 온도와 변형률의 함수로 나타낼 수가 있는 것으로, 상기 브래그 광섬유 센서(130)를 통해 계측된 브래그 파장은 변형률뿐만 아니라, 온도 의존성을 갖기 때문에 일반적으로 볼트(S)가 체결되는 과정에서 마찰열 발생으로 인한 온도변화가 계측되어져야 한다. 따라서, 본 발명에서는 브래그 광섬유 센서(130)와 나란히 온도센서(140)를 설치하여 온도변화를 측정할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.That is, the Bragg wavelength can be represented as a function of temperature and strain, and the Bragg wavelength measured by the Bragg optical fiber sensor 130 has a temperature dependence as well as strain, so that the process of fastening the bolt S is generally performed. The change in temperature due to frictional heat generation should be measured. Therefore, in the present invention, it is preferable to install the temperature sensor 140 in parallel with the Bragg optical fiber sensor 130 so that the temperature change can be measured.

이때, 상기 브래그 광섬유 센서(130)와, 온도센서(140)는 도면에 도시된 바와 같이, 각각 일단이 볼트(S)의 끝단과 접촉되고, 타단이 신축부(150)와 접촉되는 것으로, 상기 볼트(S) 체결과정에서 생기는 신축을 흡수하여 센서들을 탐촉점인 볼트 끝단과 항상 접촉되도록 상기 렌츠(120) 내측에 신축부(150)를 구비하도록 하는 것이 바람직하다.In this case, the Bragg optical fiber sensor 130 and the temperature sensor 140, respectively, as shown in the drawing, one end is in contact with the end of the bolt (S), the other end is in contact with the stretching portion 150, It is preferable to have the expansion and contraction portion 150 inside the rent 120 to absorb the expansion and contraction generated during the bolt (S) fastening process so that the sensors are always in contact with the end of the bolt that is the touch point.

구체적으로, 상기 볼트(S)와 너트(N)의 결합시 너트(N)의 회전에 따라 상기 볼트(S)의 끝단이 도면상 상하방향으로 승하강되게 되는데. 이때, 볼트(S)의 승강시에는 상기 신축부(150)가 축소되고, 하강시에는 상기 신축부(150)가 신장되도록 구성되어, 상기 센서(130,140)들이 항상 탐촉점인 볼트(S)의 끝단과 접촉되도록 함 으로써, 브래그 파장을 정확하게 감지할 수 있도록 한다. 덧붙여, 상기 신축부(150)는 탄성력복원력을 갖는 합성수지 또는 스프링으로 이루어져 충분한 탄성력을 발휘할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.Specifically, the end of the bolt (S) is raised and lowered in the vertical direction in accordance with the rotation of the nut (N) when the bolt (S) and the nut (N) is coupled. At this time, the expansion and contraction of the bolt (S) 150 is reduced, and when the lowering is configured so that the expansion and contraction 150 is extended, the sensor (130,140) of the bolt (S) is always the point of contact By contacting the tip, the Bragg wavelength can be detected accurately. In addition, the stretching portion 150 is preferably made of a synthetic resin or spring having an elastic force restoring force to be able to exhibit a sufficient elastic force.

센서신호 수신부(160)는 상기 브래그 광섬유 센서(130) 및 온도센서(140)와 연결되어 상기 센서(130,140)들로부터 감지된 신호를 수신하는 역할을 하며, 신호처리부(170)와 연결된다.The sensor signal receiver 160 is connected to the Bragg optical fiber sensor 130 and the temperature sensor 140 to receive a signal detected from the sensors 130 and 140, and is connected to the signal processor 170.

신호처리부(170)는 상기 센서신호 수신부(160)에 전달된 브래그 파장 변화를 변형률로 환산해 주는 것으로, 후술하는 표시부(180)와 연결되어 신호처리부(170)를 통해 변형률로 환산된 측정치를 송신하는 역할을 한다.The signal processor 170 converts the Bragg wavelength change transmitted to the sensor signal receiver 160 into strain, and is connected to the display unit 180 to be described later and transmits the measured value converted into strain through the signal processor 170. It plays a role.

이때, 하기의 수학식 1 은 브래그 파장의 온도와 변형률의 상관관계를 나타낸 것으로, 이를 참조하면,

Figure 112009066804401-pat00011
는 반사된 브래그 파장,
Figure 112009066804401-pat00012
는 광섬유의 열팽창계수,
Figure 112009066804401-pat00013
는 열광학계수,
Figure 112009066804401-pat00014
는 온도 변화,
Figure 112009066804401-pat00015
광탄성상수,
Figure 112009066804401-pat00016
는 구하고자 하는 변형률이다.In this case, Equation 1 below shows a correlation between strain and temperature of Bragg wavelengths.
Figure 112009066804401-pat00011
Is the reflected Bragg wavelength,
Figure 112009066804401-pat00012
Coefficient of thermal expansion of optical fiber,
Figure 112009066804401-pat00013
Is the thermo-optic coefficient,
Figure 112009066804401-pat00014
Changes in temperature,
Figure 112009066804401-pat00015
Photoelastic constant,
Figure 112009066804401-pat00016
Is the strain to be obtained.

Figure 112009066804401-pat00017
Figure 112009066804401-pat00017

이후, 상기 수학식 1 을 변형률(

Figure 112009066804401-pat00018
)에 관한 함수로 바꾸면 하기의 수학식 2와 같아지게 된다.Then, the equation 1 is the strain (
Figure 112009066804401-pat00018
If you change the function to) as shown in Equation 2 below.

Figure 112009066804401-pat00019
Figure 112009066804401-pat00019

또한, 온도가 없는 경우를 가정하면 하기의 수학식 3 과 같이 단순화될 수가 있다.In addition, assuming that there is no temperature, it can be simplified as shown in Equation 3 below.

Figure 112009066804401-pat00020
Figure 112009066804401-pat00020

따라서, 상기 신호처리부(170)는 상술한 수학식 1 내지 3 을 통해 브래그 원리를 변형률과의 함수로 표현할 수 있게 되는 것으로, 반사된 브래그 파장은 입사된 브래그 파장과 온도 변화, 변형률, 그리고 여러 상수의 함수로 나타낼 수 있게 됨으로써, 레이저 광을 조사하면서 온도 변화를 측정한다면 광섬유(110)의 변형률 을 구할 수 있게 된다.Accordingly, the signal processor 170 may express the Bragg principle as a function of the strain through Equations 1 to 3, and the reflected Bragg wavelength may include the incident Bragg wavelength, temperature change, strain, and various constants. Since it can be expressed as a function of, the strain of the optical fiber 110 can be obtained if the temperature change is measured while irradiating the laser light.

이와 같이, 상기 신호처리부(170)는 상기 브래그 광섬유 센서(130)를 통해 수신된 브래그 파장 변화와 온도센서(140)를 통해 수신된 온도변화 신호를 변형률로 환산한 후 미리 입력된 볼트의 탄성계수와 공칭 단면적으로 곱하여 체결력을 계산하게 된다.As such, the signal processing unit 170 converts the Bragg wavelength change received through the Bragg optical fiber sensor 130 and the temperature change signal received through the temperature sensor 140 into a strain rate and then modifies the elastic modulus of the bolt previously input. Multiply by the nominal cross-sectional area to calculate the clamping force.

표시부(180)는 상기 신호처리부(170)와 전기적으로 연결되어 신호처리부(170)에서 얻어진 체결축력을 표시하고 적정축력에 도달시 시그널을 송신하는 역할을 하는 것으로, 작업자가 이를 확인할 수 있도록 하여 적정한 체결이 이루어지게 되면 체결을 중지할 수 있도록 하는 역할을 한다.The display unit 180 is electrically connected to the signal processor 170 to display the fastening force obtained in the signal processor 170 and to transmit a signal when the proper force is reached. When the fastening is made to serve to stop the fastening.

이때, 상기 표시부에는 적정한 체결이 이루어졌을 경우 작업자에게 이를 알릴 수 있도록 한 램프와, 경보음을 발생시킬 수 있는 음향출력기 등을 포함할 수 있다.In this case, the display unit may include a lamp for informing the operator when an appropriate fastening is made, and an audio output unit for generating an alarm sound.

따라서, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기(100)는 광섬유(110)가 일체로 삽입된 볼트(S)를 구비한 후 이를 이용하여 체결시 상기 광섬유(110)가 삽입된 볼트(S) 끝단에 브래그 광섬유 센서(130) 일측에 설치된 조사수단(미도시)을 통해 레이져 광을 조사함으로써, 내 부에서 반사된 광의 주파수 및 온도를 측정함으로써, 볼트(S)의 변형률을 실시간으로 계측하고, 변형률이 환산된 축력은 상기 표시부(180)를 통해 표시하는 한편, 미리 설정된 목표 축력에 도달시엔 램프가 점등되도록 하거나, 경보음을 울려 체결이 완료되도록 하는 것이다.Therefore, the bolt axial force display fastening device 100 using the Bragg optical fiber according to the present invention having the configuration as described above is provided with the bolt (S) in which the optical fiber 110 is integrally inserted into the optical fiber ( By irradiating the laser light through the irradiation means (not shown) installed on one side of the Bragg optical fiber sensor 130 to the end of the bolt (S) inserted 110, by measuring the frequency and temperature of the light reflected from the inside, ) Is measured in real time, and the axial force converted into the strain is displayed on the display unit 180, while the lamp is turned on when the preset target axial force is reached, or the alarm sounds so that the tightening is completed.

지금까지, 본 발명의 실시예를 기준으로 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예와 실질적인 균등범위까지 포함된다 할 것이다.So far, the present invention has been described in detail with reference to embodiments of the present invention, but the scope of the present invention is not limited thereto, and it will be included to substantially equivalent ranges with the embodiments of the present invention.

또한, 상기 설명에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기의 기술은 매우 단순하나, 그 기술적 효과는 매우 크다는 점에서도 본 발명의 기술적 장점은 매우 명확하다 할 것이다.In addition, as shown in the above description, the technology of the bolt-axis display fastening device using Bragg optical fiber according to the present invention is very simple, but the technical advantages of the present invention will be very clear in that the technical effect is very large. .

도 1 은 종래의 볼트 축력을 측정하는 장치를 개략적으로 도시한 사시도;1 is a perspective view schematically showing a device for measuring a conventional bolt axial force;

도 2 는 종래의 동일 토크로 체결된 볼트의 체결력 분포도를 개략적으로 나타낸 분포도;2 is a distribution diagram schematically showing a clamping force distribution diagram of a bolt fastened with the same torque in the related art.

도 3 은 본 발명에 따른 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력 표시 및 체결기기의 구성도이다.Figure 3 is a block diagram of the bolt axial force display and fastening device using a Bragg optical fiber according to the present invention.

〈도면의 주요부분에 대한 부호설명〉<Code Description of Main Parts of Drawing>

100 : 체결기기 110 : 광섬유100: fastener 110: optical fiber

120 : 렌치 120a : 결합홈120: wrench 120a: coupling groove

122 : 너트삽입부 124 : 손잡이부122: nut insertion portion 124: handle portion

130 : 브래그 광섬유 센서 140 : 온도센서130 Bragg optical fiber sensor 140 Temperature sensor

150 : 신축부 160 : 센서신호 수신부150: expansion and contraction unit 160: sensor signal receiving unit

170 : 신호처리부 180 : 표시부170: signal processing unit 180: display unit

S : 볼트 N : 너트S: Bolt N: Nut

Claims (7)

축부에 광섬유가 삽입된 볼트와;A bolt having an optical fiber inserted into the shaft portion; 상기 볼트의 축부에 결합되는 너트를 회전시킬 수 있는 것으로, 일측에 상기 너트를 회전시킬 수 있는 너트삽입홈이 형성되고, 상기 너트삽입홈의 수직선 상에 결합홈이 형성된 렌치와;A wrench capable of rotating the nut coupled to the shaft of the bolt, wherein a nut insertion groove for rotating the nut is formed on one side, and a coupling groove formed on a vertical line of the nut insertion groove; 상기 렌치의 결합홈에 결합되며, 일측에 레이저 광 조사수단이 구비된 것으로, 광섬유에서 발생되는 브래그 파장 및 온도를 감지할 수 있는 브래그 광섬유 센서 및 온도센서와;A Bragg optical fiber sensor and a temperature sensor coupled to the coupling groove of the wrench and having a laser light irradiation means on one side thereof, the Bragg optical fiber sensor and a temperature sensor capable of detecting Bragg wavelength and temperature generated from the optical fiber; 상기 브래그 광섬유 센서와, 온도센서를 탄성 지지하며 볼트의 체결과정에서 발생하는 신축을 흡수할 수 있도록 한 신축부와;An elastic part for elastically supporting the Bragg optical fiber sensor and the temperature sensor and absorbing the elasticity generated during the fastening of the bolt; 상기 브래그 광섬유 센서 및 온도센서와 연결되어 상기 센서들로부터 감지된 신호를 수신하는 센서신호 수신부와;A sensor signal receiver connected to the Bragg optical fiber sensor and a temperature sensor to receive signals sensed from the sensors; 상기 센서신호 수신부에 전달된 브래그 파장 변화를 변형률로 환산해 주는 신호처리부; 및A signal processor converting the Bragg wavelength change transmitted to the sensor signal receiver into a strain rate; And 상기 신호처리부와 전기적으로 연결되어 신호처리부에서 얻어진 체결축력을 표시하는 표시부를 포함하는 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기.The bolt axial force display fastening device using a Bragg optical fiber comprising a display unit electrically connected to the signal processing unit to display the fastening axial force obtained from the signal processing unit. 청구항 1 에 있어서,
Figure 112009066804401-pat00021
는 반사된 브래그 파장이고,
Figure 112009066804401-pat00022
는 광섬유의 열 팽창계수이며,
Figure 112009066804401-pat00023
는 열광학계수이고,
Figure 112009066804401-pat00024
는 온도 변화이며,
Figure 112009066804401-pat00025
광탄성상수이고,
Figure 112009066804401-pat00026
는 구하고자 하는 변형률인 경우, 상기 브래그 파장과 온도의 변형률 상관관계는
Figure 112009066804401-pat00027
로 얻어질 수 있는 것을 특징으로 하는 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기.The method according to claim 1,
Figure 112009066804401-pat00021
Is the reflected Bragg wavelength,
Figure 112009066804401-pat00022
Is the coefficient of thermal expansion of the optical fiber,
Figure 112009066804401-pat00023
Is the thermo-optic coefficient,
Figure 112009066804401-pat00024
Is the change in temperature,
Figure 112009066804401-pat00025
Photoelastic constant,
Figure 112009066804401-pat00026
Is the strain to be obtained, the strain correlation between the Bragg wavelength and the temperature is
Figure 112009066804401-pat00027
Bolt axial force display fastening device using a Bragg optical fiber, characterized in that can be obtained by. 청구항 2 에 있어서, 상기 변형률
Figure 112009066804401-pat00028
에 온도변화가 있을 때의 함수로 바꾸면
Figure 112009066804401-pat00029
가 적용되는 것을 특징으로 하는 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기.The method of claim 2, wherein the strain
Figure 112009066804401-pat00028
If you change the function to a temperature change
Figure 112009066804401-pat00029
Bolt axial force display fastening device using a Bragg optical fiber, characterized in that is applied. 청구항 2 에 있어서, The method according to claim 2, 온도변화가 없을 때의 함수로 바꾸면
Figure 112009066804401-pat00030
가 적용되는 것을 특징으로 하는 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기.If we change to a function when there is no temperature change
Figure 112009066804401-pat00030
Bolt axial force display fastening device using a Bragg optical fiber, characterized in that is applied. 청구항 1 에 있어서, 상기 신축부는 탄성복원력을 갖는 합성수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기.The fastening device for bolt display using a Bragg optical fiber according to claim 1, wherein the elastic part is made of a synthetic resin having elastic restoring force. 청구항 1 에 있어서, 상기 표시부에는 미리 설정된 목표 축력에 도달시 이를 알릴 수 있는 램프가 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기.The fastening device for bolt display using a Bragg optical fiber according to claim 1, wherein the display unit may be provided with a lamp for informing the display unit when a predetermined target force is reached. 청구항 1 에 있어서, 상기 표시부에는 미리 설정된 목표 축력에 도달시 경보음을 울릴 수 있는 음향출력기가 설치될 수 있는 것을 특징으로 하는 브래그 광섬유를 이용한 볼트 축력표시 체결기기.The bolt shaft force display fastening device using a Bragg optical fiber according to claim 1, wherein the display unit may be provided with an audio output unit capable of sounding an alarm when reaching a predetermined target shaft force.
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