KR101082467B1 - Pre-strained fbg strain sensor packaging - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프리스트레인 인가가 불필요한 FBG 광섬유 변형률 센서 패키징에 관한 것으로서, FBG 광섬유 변형률 센서가 부착되는 센서 설치부(3)와; 외부 변형률 변화를 감지하는 FBG 광섬유센서(1)와; 센서 설치부를 고정시키는 센서 설치부 고정대(4)와 센서 설치부 고정나사(5)와; 센서 설치부에 설치되며, 외부 이물질 또는 습기가 들어오는 것을 방지하기 위하여 설치되는 습기 및 이물질 방지탭(6)과; 외부 자극으로부터 FBG 광섬유센서를 보호하는 외부 보호관(2)과; 센서 연장바를 고정할 수 있는 센서 연장바 고정부(7)와; 구조물 표면 부착 또는 매설형에 따라서 혹은 인근 균열 발생에 따라서 게이지 길이 조절이 필요한 경우에는 사용 목적에 따라서 다른 유형으로 부착이 가능한 센서 연장바(8)와; 연장 연장바를 고정시키기 위한 센서 연장바 고정홈(9-1) 및 센서 연장바 고정나사(9-2)와; 상기 센서를 구조물 표면에 부착하기 위한 센서 고정지그(11) 및 지그 고정 나사(12)로 구성됨을 특징으로 한다.The present invention relates to an FBG optical fiber strain sensor packaging that does not require prestraining, comprising: a sensor installation unit (3) to which an FBG optical fiber strain sensor is attached; An FBG optical fiber sensor 1 for detecting a change in external strain; A sensor mounting part holder (4) and a sensor mounting part fixing screw (5) for fixing the sensor mounting part; A moisture and foreign matter prevention tab 6 installed in the sensor installation unit and installed to prevent foreign substances or moisture from entering; An outer protective tube 2 protecting the FBG optical fiber sensor from an external stimulus; A sensor extension bar fixing part 7 capable of fixing the sensor extension bar; A sensor extension bar 8 that can be attached to a different type depending on the purpose of use if the gauge length is to be adjusted according to the structure surface attachment or buried type or the occurrence of nearby cracks; A sensor extension bar fixing groove 9-1 and a sensor extension bar fixing screw 9-2 for fixing the extension extension bar; It is characterized by consisting of a sensor fixing jig 11 and jig fixing screw 12 for attaching the sensor to the structure surface.
광섬유센서, FBG, 변형률, 온도보상 Fiber optic sensor, FBG, strain, temperature compensation
Description
본 발명은 프리스트레인 인가가 불필요한 FBG 광섬유 변형률 센서 패키징에 관한 것으로서, 특히 현장에서 센서를 설치함에 있어 종래의 광섬유 변형률 센서는 프리스트레인 인가를 위하여 현장에서 설치 전 또는 설치도중 측정장치가 반드시 필요하며, 미세한 변형률 조절을 위하여 현장에서 고도의 숙련도와 프리스트레인 조절 과정이 필요한 반면, 본 발명의 변형률 센서는 프리스트레인 인가가 불필요하여 설치도중 현장에서 측정장치가 불필요하며, 작업자의 숙련도와 상관없이 현장에서 쉽게 설치가 가능한 장점이 있다.The present invention relates to the packaging of FBG optical fiber strain sensor that does not require prestrain application, and in particular, in the installation of the sensor in the field, the conventional optical fiber strain sensor is required before the installation in the field or during installation for the prestrain application, Whereas high skill and prestrain adjustment process is required in the field for fine strain control, the strain sensor of the present invention does not require prestraining, so no measuring device is required during installation, and it is easy to use in the field regardless of the skill of the operator. There is an advantage that can be installed.
또한 종래의 프리스트레인을 인가하는 방식의 센서는 콘크리트 타설시와 같이 고정점이 없는 콘크리트내 매설의 경우에는 적용이 불가능한 단점이 있었으나, 본 발명의 프리스트레인 인가가 불필요한 FBG 광섬유 변형률 센서는 압축-인장 측정이 가능한 상태이기 때문에, 콘크리트 내부 매설시 바로 사용이 가능한 장점이 있다.In addition, the conventional type of prestrain applied sensor has a disadvantage that can not be applied in the case of concrete buried without fixed point, such as when placing concrete, FBG fiber strain sensor does not require the application of prestrain of the present invention compression-tensile measurement Because it is possible, there is an advantage that can be used immediately when laying inside concrete.
그리고 종래의 FBG 광섬유 변형률 센서는 패키징에 하나의 FBG 광섬유센서만 설치되어, 온도와 변형률에 동시에 반응하기 때문에, 자체 만으로는 온도에 대한 보상이 불가능하며, 온도 보상을 위해서 별도의 온도계 등을 설치하여야 하는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명의 FBG 변형률 센서 패키징의 경우에는 양단 고정 센서 설치부(3-1)는 외부 변형률과 온도에 대하여 반응하고, 한단 고정 센서 설치부(3-2)에 설치된 광섬유센서는 온도에 대해서만 반응하도록 구성하여, 하나의 센서 패키징 자체만으로 변형률 뿐만 아니라 온도 측정이 가능할 뿐만 아니라, 자가 온도 보상이 가능한 장점이 있다. 또한, 스프링 형상의 센서 설치부(3-3)는 1개 이상의 광섬유 변형률 센서를 설치하되 하나는 양단에 프리스트레인을 인가한체로 부착하여 온도와 변형률에 동시 반응하도록 하며, 하나는 느슨하게 설치함으로써 온도에 대해서만 반응하도록 구성하여, 자가온도 보상이 가능한 특징이 있다.In the conventional FBG fiber strain sensor, only one FBG fiber sensor is installed in the package, and because it reacts to temperature and strain at the same time, it is impossible to compensate for temperature by itself, and a separate thermometer must be installed for temperature compensation. There was a downside. However, in the case of the FBG strain sensor packaging of the present invention, the fixed sensor mounting portion 3-1 at both ends reacts to the external strain and the temperature, and the optical fiber sensor installed at the single fixed sensor mounting portion 3-2 is only for temperature. It can be configured to react, not only the temperature measurement as well as the strain can be measured by one sensor packaging itself, but also has the advantage of self-temperature compensation. In addition, the spring-shaped sensor installation unit (3-3) is installed at least one optical fiber strain sensor, one is attached to the pre-strain at both ends to react simultaneously with the temperature and strain, one by loosely installed temperature It is configured to react only to the self-temperature compensation feature is possible.
교량. 빌딩 등 구조물의 응력은 구조물의 상태를 평가하기 위하여 매우 중요한 측정항목이며, 일반적으로 구조물의 응력은 스트레인 게이지를 이용하여 변형률(strain)을 측정한 다음 탄성계수를 곱하여 응력으로 환산한다.Bridges. Stress of structures such as buildings is a very important measure to assess the condition of structures. In general, the stress of a structure is converted into stress by measuring strain using a strain gauge and multiplying the elastic modulus.
이러한 변형률 측정을 위하여 종래에는 전기저항식 변형률 게이지를 많이 사용하였으나, 전기저항식 센서류는 케이블 길이에 따라서 노이즈가 증가되는 단점이 있어, 대형 구조물 측정시 많은 단점을 내포하고 있으며, 장기계측시 자기열 효과에 의하여 센싱부가 부식되는 등 장기적인 내구성에 적지 않은 문제점이 있었다. 또한, 하나의 센서마다 각각 수십에서 수백 미터의 케이블 포설이 필요하기 때문에 많은 인력이 필요할 뿐만 아니라, 획득된 신호의 품질도 양호하지 못한 단점이 있었다.Conventional resistance strain gauges have been used to measure such strains, but electrical resistance sensors have a disadvantage in that noise increases according to cable lengths, and thus, many disadvantages are observed when measuring large structures. There is a problem in the long-term durability, such as corrosion of the sensing unit by the effect. In addition, since each cable requires tens to hundreds of meters of cable, each manpower is required, and the quality of the acquired signal is not good.
이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에는 교량, 댐, 빌딩과 같은 산업기간 시설물의 장기계측시 FBG(Fiber Bragg Grating) 광섬유센서를 적용하는 사례가 점점 늘어가고 있는 것이 사실이다.In order to overcome these shortcomings, it is a fact that the application of FBG (Fiber Bragg Grating) optical fiber sensor is increasing in the long-term measurement of industrial infrastructure facilities such as bridges, dams and buildings.
FBG 광섬유센서는 광케이블에 특정파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시켜 인장-압축 또는 온도변화에 따라서 반사되는 파장이 달라지기 때문에, 초기 파장에서 변화된 반사파장의 변화량을 인장-압축 또는 온도로 환산함으로써 센서로서 활용하는 것으로, 하나의 케이블에 파장이 다른 여러개의 센서를 동시에 설치할 수 있어 멀티플레싱이 가능하고, 빛이 소스이기 때문에 케이블 길이가 길어진다 하더라도 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않으며, 수십 km까지 증폭기 없이 신호를 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자기파에 영향이 거의 없으며, 유리재질이기 때문에 습기 등에 의한 부식의 영향이 거의 없어 장기적인 내구성이 매우 뛰어난 센서이다.The FBG fiber optic sensor generates a Bragg grating that reflects a specific wavelength on the optical cable, so that the reflected wavelength changes according to the tension-compression or temperature change. Therefore, the FBG fiber optic sensor converts the amount of change in the reflected wavelength from the initial wavelength into the tension-compression or temperature. It is possible to install multiple sensors of different wavelengths in one cable at the same time, so that multiplexing is possible. Since the light is a source, even if the cable length is long, noise and distortion are not generated in the signal. The advantage is that the signal can be delivered without an amplifier. In addition, since it has little influence on electromagnetic waves and is made of glass, it is hardly affected by corrosion due to moisture, and thus has excellent long-term durability.
그러나, 패키징 되지 않은 bare FBG의 경우에는 매우 얇고 유리재질이며, 외부 자극이나 취급 부주의에 의하여 파손되기 쉽기 때문에, 숙련도가 매우 높은 전문가에 의해서만 취급이 가능하여 건설현장 등에서의 사용은 매우 제한적이었다.However, bare FBG, which is not packaged, is very thin and glassy, and can be easily damaged by external stimulus or careless handling. Therefore, the bare FBG can be handled only by highly skilled professionals, so its use in construction sites is very limited.
상기와 같이 광섬유 케이블에 브래그 격자를 생성한 상태를 bare FBG라 하며, 현장에서 사용시 상기와 같은 취급상 단점이 있었기 때문에, 이러한 단점을 극복하기 위하여 도 1과 도 2에서와 같이 다양한 광섬유센서 패키징이 개발되어 왔다.The state in which the Bragg grating is created in the optical fiber cable as described above is called bare FBG, and when used in the field, there are disadvantages in handling as described above, so as to overcome these disadvantages, various optical fiber sensor packaging as shown in FIGS. Has been developed.
도 1의 광섬유센서 패키징은 외부자극으로부터 광섬유센서를 보호하고, 부착 면(91)의 미세한 변형률 변화는 광섬유센서 양단 고정대(93)을 통하여 바로 광섬유센서(1)에 전달되기 때문에 매우 민감한 센싱이 가능한 장점이 있다. 그러나, 이러한 패키징은 인장-압축을 동시에 측정하기 위하여 센서를 부착하기 이전에 광섬유센서에 프리스트레인(pre-strain)을 인위적으로 인가하여야 하기 때문에, 부착이전에 광섬유센서에 프리스트레인(pre-strain)을 가하고 광섬유센서 인장 고정나사(95)에 의하여 고정한 상태에서 센서를 부착하고, 광섬유센서 인장 고정나사(95)를 제거함으로써 구조물의 변형률이 바로 광섬유센서에 전달될 수 있도록 구성한 구조이다.The optical fiber sensor packaging of FIG. 1 protects the optical fiber sensor from external stimuli, and since the small strain change of the
다른 종래의 광섬유 변형률 센서 패키징은 도 2에서 나타내 바와 같이, 프리스트레인이 없는 상태에서 센서를 부착한 후, 인장조절용 나사산(97) 위에 설치된 광섬유센서 인장 조절 볼트(96)을 돌려서 프리스트레인(pre-strain)을 인가하여, 설치된 센서가 인장 뿐만 아니라 압축 측정이 가능하도록 구성한 구조이다.Another conventional optical fiber strain sensor packaging, as shown in Figure 2, after attaching the sensor in the absence of the prestrain, and then the prestrain (pre-) by turning the optical fiber sensor
상기 도 1과 도 2에서 언급된 종래의 센서 패키징은 외부자극으로부터 광섬유센서를 보호하고, 프리스트레인을 인위적으로 인가하여, 센서 부착 후 인장 뿐만 아니라 압축 측정이 가능한 공통의 장점을 내포하고 있다. 그러나, 프리스트레인을 인위적으로 인가하는 방식은 현장에서 센서 부착이전 또는 부착하면서 프리스트레인을 인가하여야 하기 때문에 현장에서 반드시 데이터 측정장치가 필요하고, 프리스트레인량을 데이터 측정장치를 통하여 확인하면서 조절하여야 하는 단점이 있다. 이는 현장에서의 작업자 숙련도가 요구되며, 작업여건상 또는 숙련도 저하에 의하여 무리한 프리스트레인이 인가되면 센서가 손상되는 등 현장에서의 작업이 매우 불편한 단점이 있었다. 또한, 콘크리트 내부와 같이 고정점이 없는 구조체의 변형률 측정은 불가능한 단점이 있었다.The conventional sensor packaging mentioned in FIGS. 1 and 2 includes a common advantage of protecting the optical fiber sensor from external stimuli and artificially applying a prestrain to measure tension as well as compression after attaching the sensor. However, the method of artificially applying prestrain requires a data measuring device in the field because the prestrain must be applied while the sensor is attached or moved in the field, and the prestrain amount must be adjusted while checking the data through the data measuring device. There are disadvantages. This requires a worker's skill in the field, and if an unreasonable prestrain is applied due to deterioration of the working condition or skill, the sensor is damaged and the work in the field is very inconvenient. In addition, the strain measurement of the structure without a fixed point, such as the inside of the concrete was not possible.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 본 발명은 FBG 광섬유센서 패키징을 제공함에 있어, 센서의 설치도중 현장에서 측정장치가 불필요하며, 작업자의 숙련도와 상관없이 현장에서 쉽게 설치가 가능하고; 콘크리트 내부 매설시 바로 사용이 가능하고; 하나의 센서 패키징 자체만으로 자가 온도 보상이 가능하고; 균열인근에서 변형률 측정시 게이지 길이를 조절하여 평균 변형률 측정이 가능한 FBG 광섬유 변형률 센서를 제공함에 그 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides an FBG fiber optic sensor packaging, the measuring device is not necessary in the field during the installation of the sensor, it can be easily installed in the field regardless of the skill of the operator; It can be used immediately when laying concrete inside; Self-temperature compensation is possible with only one sensor packaging itself; It is an object of the present invention to provide an FBG optical fiber strain sensor capable of measuring average strain by measuring a gauge length when measuring strain in a crack vicinity.
본 발명의 상기 목적은 프리스트레인 인가가 불필요한 FBG 광섬유 변형률 센서 패키징에 관한 것으로서, FBG 광섬유 변형률 센서가 부착되는 센서 설치부(3) - 이는 FBG 광섬유 변형률 센서가 외부 변형률 변화에 직접 반응하는 양단 고정 센서 설치부(3-1), 온도 보상을 위하여 한쪽단만 고정하여 외부 변형률 변화에는 반응하지 않으며, 온도 변화에 의해서만 반응하는 한단 고정 센서 설치부(3-2), 또는 스프링 형상으로 구성되어 FBG 광섬유 변형률 센서에 프리스트레인(pre-strain) 인가가 가능한 스프링 형상의 센서 설치부(3-3) - 와; 외부 변형률 변화를 감지하는 FBG 광섬유센서(1)와; 센서 설치부를 고정시키는 센서 설치부 고정대(4)와 센서 설치부 고정나사(5)와; 센서 설치부에 설치되며, 외부 이물질 또는 습기가 들어오는 것을 방지하기 위하여 설치되는 습기 및 이물질 방지탭(6)과; 외부 자극으로부터 FBG 광섬유센서를 보호하는 외부 보호관(2)과; 센서 연장바를 고정할 수 있는 센서 연장바 고정부(7)와; 구조물 표면 부착 또는 매설형에 따라서 혹은 인근 균열 발생에 따라서 게이지 길이 조절이 필요한 경우에는 사용 목적에 따라서 다른 유형으로 부착이 가능한 센서 연장바(8)와; 연장 연장바를 고정시키기 위한 센서 연장바 고정홈(9-1) 및 센서 연장바 고정나사(9-2)와; 상기 센서를 구조물 표면에 부착하기 위한 센서 고정지그(11) 및 지그 고정 나사(12)로 구성됨을 특징으로 하는 변형률 센서 패키징에 의해서 달성 가능하다.The object of the present invention relates to the packaging of the FBG optical fiber strain sensor does not require prestrain application, the sensor installation portion 3 is attached to the FBG optical fiber strain sensor-which is fixed at both ends of the FBG optical fiber strain sensor directly responds to the external strain change FBG optical fiber is composed of one-stage fixed sensor installation part (3-2), or a spring shape, which does not react to external strain change by fixing only one end to the installation part (3-1), for temperature compensation. A spring-shaped sensor mounting portion 3-3 capable of applying prestrain to the strain sensor; An FBG
상술한 바와 같은FBG 광섬유 변형률 센서 패키징을 제공함으로써, 센서의 설치도중 현장에서 측정장치가 불필요하며, 작업자의 숙련도와 상관없이 현장에서 쉽게 설치가 가능하고; 콘크리트 내부 매설시 바로 사용이 가능한 장점이 있고; 하나의 센서 패키징 자체만으로 변형률 그리고 온도 측정이 가능할 뿐만 아니라, 자가 온도 보상이 가능한 장점이 있다.By providing the FBG optical fiber strain sensor packaging as described above, the measuring device is unnecessary in the field during the installation of the sensor, and can be easily installed in the field regardless of the skill of the operator; There is an advantage that can be used immediately when laying concrete inside; In addition to measuring strain and temperature with a single sensor packaging itself, self-temperature compensation is an advantage.
또한, 구조물 표면 인근에 균열이 발생되면, 균열부 위에 설치된 센서는 변형률의 급격한 증가가 발생되고, 균열 바로 인근에서의 변형률 측정은 변형률이 급격히 저하되는 단점이 있다. 따라서, 균열 발생 인근에는 게이지 길이를 상대적으로 길게 함으로써 평균 변형률 측정이 필요한 경우가 있는데, 종래의 전기저항식 변형률 게이지를 사용할 경우에는 한 곳에 2-3개의 변형률 게이지를 부착하여 측정한 후 평균 변형률을 구하여 사용하곤 하였다. 이러한 경우, 본 발명의 변형률 게이지의 경우에는 센서 연장바를 길게 연장함으로써 균열 발생과 상관없이 평균 변형률 측정이 가능한 장점이 있다.In addition, when a crack occurs near the surface of the structure, the sensor installed on the crack is generated a sharp increase in strain, strain measurement in the immediate vicinity of the crack has a disadvantage that the strain is sharply lowered. Therefore, in the vicinity of crack occurrence, the average strain measurement may be necessary by relatively lengthening the gauge length.In the case of using the conventional electrical resistance strain gauge, the average strain is measured after attaching 2-3 strain gauges in one place. I used to get it. In this case, in the case of the strain gauge of the present invention, by extending the sensor extension bar, there is an advantage that the average strain can be measured regardless of crack occurrence.
도 1과 도 2는 종래의 수동으로 프리스트레인을 인가하는 방식과 미세조절나사에 의하여 프리스트레인 인가하는 방식의 FBG 변형률 센서 패키지의 예를 나타낸 것이다. 이러한, 종래의 FBG 변형률 센서는 특히 현장에서 센서를 설치함에 있어 프리스트레인 인가를 위하여 현장에서 설치 전 또는 설치도중 측정장치가 반드시 필요하며, 미세한 변형률 조절을 위하여 현장에서 고도의 숙련도와 프리스트레인 조절 과정이 필요하다. 또한, 온도 보상을 위한 별도의 온도보상용 센서가 설치되어 있지 않아 온도 보상을 위하여 별도의 온도계를 설치하여야 하며, 게이지 길이(gauge length)가 고정되어 있는 단점이 있었다.1 and 2 illustrate an example of a conventional FBG strain sensor package in which a prestrain is applied manually and a prestrain is applied by a fine adjustment screw. Such a conventional FBG strain sensor requires a measuring device before or during installation in order to apply the prestrain, especially in the installation of the sensor in the field, and a high degree of skill and prestrain adjustment process in the field for fine strain adjustment. This is necessary. In addition, since a separate temperature compensation sensor for temperature compensation is not installed, a separate thermometer must be installed for temperature compensation, and a gauge length is fixed.
이에 반하여, 도 3에서와 같이 본 발명의 변형률 센서는 센서 설치부(3) 위에 바로 부착함으로써, 별도의 프리스트레인 과정이 필요없이 인장-압축 측정이 가능한 장점이 있다. 따라서, 프리스트레인 인가가 불필요하여 설치도중 현장에서 측정장치가 불필요하며, 작업자의 숙련도와 상관없이 현장에서 쉽게 설치가 가능한 장점이 있다. On the contrary, as shown in FIG. 3, the strain sensor of the present invention is directly attached onto the sensor installation part 3, so that a tension-compression measurement can be performed without a separate prestrain process. Therefore, there is no need for prestraining, so there is no need for a measuring device in the field during installation, and there is an advantage that it can be easily installed in the field regardless of the skill of the operator.
또한, 종래의 FBG 광섬유 변형률 센서는 패키징에 하나의 FBG 광섬유센서만 설치되어, 온도와 변형률에 동시에 반응하기 때문에, 자체 만으로는 온도에 대한 보상이 불가능하며, 온도 보상을 위해서 별도의 온도계 등을 설치하여야 하는 단점이 있었다. 그러나, 본 발명의 FBG 변형률 센서 패키징의 경우에는 양단 고정 센서 설치부(3-1)는 외부 변형률과 온도에 대하여 반응하고, 한단 고정 센서 설치부(3-2)에 설치된 광섬유센서는 온도에 대해서만 반응하도록 구성하여, 하나의 센서 패 키징 자체만으로 변형률 뿐만 아니라 온도 측정이 가능하여, 자가 온도 보상이 가능한 장점이 있다. 또한, 스프링 형상의 센서 설치부(3-3)는 1개 이상의 광섬유 변형률 센서를 설치하되 하나는 양단에 프리스트레인을 인가한체로 부착하여 온도와 변형률에 동시 반응하도록 하며, 하나는 느슨하게 설치함으로써 온도에 대해서만 반응하도록 구성하여, 자가온도 보상이 가능한 특징이 있다.In addition, the conventional FBG optical fiber strain sensor has only one FBG optical fiber sensor installed in the packaging, and because it reacts to the temperature and strain at the same time, it is impossible to compensate for the temperature alone, and a separate thermometer must be installed for temperature compensation. There was a disadvantage. However, in the case of the FBG strain sensor packaging of the present invention, the fixed sensor mounting portion 3-1 at both ends reacts to the external strain and the temperature, and the optical fiber sensor installed at the single fixed sensor mounting portion 3-2 is only for temperature. It can be configured to react, so that not only the strain but also the temperature can be measured by one sensor packaging itself, which has the advantage of self-temperature compensation. In addition, the spring-shaped sensor installation unit (3-3) is installed at least one optical fiber strain sensor, one is attached to the pre-strain at both ends to react simultaneously with the temperature and strain, one by loosely installed temperature It is configured to react only to the self-temperature compensation feature is possible.
그리고, 구조물 표면 인근에 균열이 발생되면, 균열부 위에 설치된 센서는 변형률의 급격한 증가가 발생되고, 균열 바로 인근에서의 변형률 측정은 변형률이 급격히 저하되는 단점이 있는데, 종래의 전기저항식 변형률 게이지를 사용하여 균열인근에서 변형률 측정이 필요한 경우에는 한 곳에 2-3개의 변형률 게이지를 부착하여 측정한 후 평균 변형률을 구하여 사용하곤 하였다. 이러한 경우, 본 발명의 변형률 게이지는 센서 연장바를 원하는 길이 또는 형상으로 변형하여 연결이 가능하기 때문에, 이를 길게 연장함으로써 균열 발생과 상관없이 평균 변형률 측정이 가능한 장점이 있다.In addition, when a crack occurs near the surface of the structure, the sensor installed on the crack portion causes a sharp increase in strain, and the strain measurement in the immediate vicinity of the crack has a disadvantage in that the strain decreases sharply. When strain measurement is needed near cracks, 2-3 strain gauges are attached at one place, and the average strain is used. In this case, since the strain gauge of the present invention can be connected by deforming the sensor extension bar to a desired length or shape, by extending it, there is an advantage that the average strain can be measured irrespective of crack occurrence.
또한, 도 4에서와 같이 연장바를 콘크리트 내부에 매설하기 용이한 구조로 변경함으로써 콘크리트 내부 매설용으로도 활용이 가능하다. 종래의 프리스트레인을 인가하는 방식의 센서는 콘크리트 타설시와 같이 고정점이 없는 콘크리트 매설의 경우에는 적용이 불가능한 단점이 있었으나, 본 발명의 프리스트레인 인가가 불필요한 FBG 광섬유 변형률 센서는 인장-압축 측정이 가능한 상태이기 때문에 콘크리트 내부 매설시 바로 사용이 가능하다.In addition, by changing the extension bar to a structure that is easy to embed inside the concrete as shown in Figure 4 it can be utilized for the interior of the concrete. Conventional prestrained sensor is not applicable in the case of concrete buried without fixed point, such as when placing concrete, FBG optical fiber strain sensor that does not require prestrain application of the present invention can measure the tension-compression Because of this condition, it can be used immediately when laying concrete inside.
센서 설치부(3, 3-1, 3-2)의 재료는 사용목적에 따라서 선택이 가능하며, FBG 광섬유 변형률 센서는 온도에 따라서 변동이 발생되기 때문에, 밑에 그래프에서 보는바와 같이, 양단이 느슨한 bare FBG 상태에서 측정한 결과를 살펴보면 센서마다 약간의 차이는 있지만, 20℃ 변동시 약 160με 변형률 변동이 발생되어, 8με/℃인 특징이 있다. 이에 반하여, 도 1과 도 2에서와 같이 양단 고착제에 의하여 고정된 광섬유 변형률 센서는 고착제의 온도에 따른 열팽창에 의하여, 약간씩의 차이는 있지만, 12με/℃가 변동되어, 상기와 같이 느슨한 상태일때의 결과에 비하여, 고착제의 온도팽창에 의하여 추가적으로 4με/℃의 변동량이 발생되고 있었다.The material of the sensor installation part 3, 3-1, 3-2 can be selected according to the purpose of use, and since the FBG fiber strain sensor is fluctuated according to the temperature, the both ends are loose as shown in the graph below. Looking at the measurement results in the bare FBG state, there is a slight difference for each sensor, but when the variation of 20 ℃ about 160με strain variation occurs, it is characterized by 8με / ℃. On the contrary, as shown in FIGS. 1 and 2, the optical fiber strain sensor fixed by the fixing agent at both ends is slightly different due to thermal expansion according to the temperature of the fixing agent, but when the 12 με / ° C fluctuates and is loose as described above. Compared with the results, the amount of fluctuation of 4 ε / 占 폚 was further generated due to the temperature expansion of the fixing agent.
이는 동일 온도에 대하여 변형률 변동량이 상대적으로 크기 때문에, 센서마다 약각의 온도 변화에 대한 오차가 발생된다 하더라도 지속적으로 누적되면, 온도에 대한 변형률 변동에 상당히 큰 누적오차가 발생된다. 우리나라를 기준으로 1년동안 -10℃에서 30℃로 약 40℃의 온도변화가 발생된다면, 고착제에 의하여 고정된 광섬유센서의 경우에는 약 480με의 변동이 발생되는 것이다. 콘크리트 박스 거더교와 같이 매우 중량이 큰 구조물의 경우에는 트럭하중 등 활화중에 의한 변형률 변화량이 몇십 με 이하 정도의 수준이기 때문에, 온도 변화에 따른 480με 변동은 상당히 큰 변동량으로 장기적인 계측시에는 이러한 온도에 대한 영향을 반드시 제거해 주어야 한다.Since the strain variation is relatively large with respect to the same temperature, even if an error occurs in the weak temperature change for each sensor, if accumulated continuously, a significant cumulative error occurs in the strain variation with respect to temperature. If the temperature change of about 40 ℃ from -10 ℃ to 30 ℃ occurs for one year in Korea, the variation of about 480με occurs in the case of the optical fiber sensor fixed by the fixing agent. In the case of very heavy structures such as concrete box girder bridges, the variation in strain due to active loads, such as truck loads, is on the order of several tens of με or less. The effect must be removed.
이에 반하여 아라미드 섬유의 경우에는, 열팽창계수가 -2×10-6℃이기 때문에, 아라미드 섬유 복합체(AFRP)에 부착된 광섬유센서는 4με/℃ 정도의 수준으 로, 대한민국 연평균 온도 변화량인 40℃ 온도 변화에 대하여 약 160με 정도의 변형률 변화가 발생되어, 고착제에 의하여 고정된 광섬유 변형률 센서의 변화량인 480με의 약 33%에 미치는 수준이다.On the other hand, in the case of aramid fibers, since the coefficient of thermal expansion is -2 × 10 -6 ℃, the optical fiber sensor attached to the aramid fiber composite (AFRP) is about 4με / ℃, 40 ℃ temperature, the annual average temperature change of Korea A change of strain of about 160 mu ε is generated with respect to the change, which is about 33% of the change amount of the 480 mu ε which is the amount of change of the optical fiber strain sensor fixed by the fixing agent.
따라서, 온도변화에 의하여 변동되는 변형률 변화량의 누적오차를 최소화하기 위하여, 일반 고착제 또는 강재의 재질보다, 열팽팡계수가 상대적으로 작은 탄소섬유(CFRP)나 아라미드 섬유(AFRP)를 이용하여 센서 설치부(3, 3-1, 3-2)를 구성함을 특징으로 한다.Therefore, in order to minimize the cumulative error of the change in the strain variation caused by temperature change, the sensor installation unit using carbon fiber (CFRP) or aramid fiber (AFRP) having a relatively smaller thermal expansion coefficient than that of the general fixing agent or steel material (3, 3-1, 3-2).
도 5와 도 6은 종래와 같이 고착제에 의하여 광섬유센서를 고정하되, 프리스트레인을 인가하고 스프링 형상의 센서 설치부(3-3)을 고정 설치함으로써 현장에서 별도의 프리스트레인 조절없이 바로 센서 설치가 가능하고 콘크리트 내부와 같이 고정점이 없는 곳에도 사용이 가능한 장점이 있다.5 and 6 are fixed to the optical fiber sensor by a fixing agent as in the prior art, by applying the pre-strain and fixed installation of the spring-shaped sensor mounting portion (3-3) in the field without additional prestrain adjustment in the field There is an advantage that can be used even where there is no fixed point, such as inside the concrete.
또한, 상기의 스프링 형상의 센서 설치부(3-3)를 설치하고, 광섬유 변형률 센서(1)를 설치함에 있어, 하나의 광섬유센서는 외부 변형률에 직접 반응하도록 프리스트레인을 인가한 상태에서 고정하여 변형률과 온도에 대하여 동시에 반응하도록 하고, 다른 하나의 광섬유 변형률 센서는 온도 보상용 FBG 광섬유 센서(1-1)로 프리스트레인을 가하지 않은 느슨한 상태로 설치하여, 변형률에 대해서는 반응하지 않고, 온도에 대해서만 반응하도록 하여 온도보상용으로 사용됨을 특징으로 한다.In addition, when installing the spring-shaped sensor mounting portion (3-3), and in installing the optical
도 8은 상기에서 기술한 AFRP 또는 CFRP에 센서 설치홈(22)을 생성하고, FBG 광섬유 변형률 센서를 센서 고정 접착제(23)에 의하여 고정시킴으로써, 구조물 표면에 부착가능한 센서 패키징을 제공할 수 있으며, 도 9는 하나의 AFRP 또는 CFRP에 센서 설치홈(22)을 두개 생성한 후, 하나의 광섬유 센서(1)는 센서 고정 접착제(23)에 의하여 고정시켜 변형률과 온도에 대하여 동시 반응하도록 구성하고, 나머지 하나인 온도 보상용 FBG 광섬유센서(도 8의 1-1)는 느슨한 상태로 양단을 광섬유센서 고착제(94)에 의하여 고정함으로써 온도에 대해서만 반응하도록 구성하여, 온도 보상이 가능한 표면 부착형 센서 패키징을 구성할 수 있는 특징이 있다.FIG. 8 may provide a sensor packaging attachable to the structure surface by creating a
도 10은 본 발명의 콘크리트 매설형 AFRP 또는 CFRP 일체식 FBG 변형률 센서 패키징으로, 광섬유센서를 센서 설치홈(22)에 설치한 후 양쪽으로 AFRP 또는 CFRP 복합제편(21)을 설치하고, 표면에는 콘크리트 또는 아스팔트내 매설시 부착력을 증대시키기 위하여 에폭시-규사 코팅(24)으로 구성됨을 특징으로 한다.10 is a concrete-embedded AFRP or CFRP integrated FBG strain sensor packaging of the present invention, the optical fiber sensor is installed in the
상기에 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible within the scope without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those who have
도 1은 기존 광섬유 변형률 센서의 예.1 is an example of a conventional optical fiber strain sensor.
도 2는 기존 광섬유 변형률 센서의 예.2 is an example of a conventional optical fiber strain sensor.
도 3은 본 발명의 표면부착형 광섬유 변형률 센서 패키징.3 is a surface-attached optical fiber strain sensor packaging of the present invention.
도 4는 본 발명의 콘크리트 매립형 광섬유 변형률 센서 패키징.4 is a concrete buried optical fiber strain sensor packaging of the present invention.
도 5는 본 발명의 스프링 형상의 센서 설치부를 구비한 표면부착형 광섬유 변형률 센서 패키징.Figure 5 is a surface-mounted optical fiber strain sensor packaging having a spring-shaped sensor installation of the present invention.
도 6은 본 발명의 스프링 형상의 센서 설치부를 구비한 매립형 광섬유 변형률 센서 패키징.6 is a buried optical fiber strain sensor packaging having a spring-shaped sensor installation of the present invention.
도 7은 본 발명의 자가 온도보상형 광섬유 변형률 센서 패키징의 예.7 is an example of a self temperature compensated optical fiber strain sensor packaging of the present invention.
도 8은 본 발명의 AFRP 또는 CFRP 일체식인 표면부착형 광섬유 변형률 센서 패키징.8 is an AFRP or CFRP integrated surface-mounted optical fiber strain sensor packaging of the present invention.
도 9는 본 발명의 AFRP 또는 CFRP 일체식인 자가온도 보상이 가능한 표면부착형 광섬유 변형률 센서 패키징.9 is a surface-attached optical fiber strain sensor packaging capable of self-temperature compensation integrated AFRP or CFRP of the present invention.
도 10은 본 발명의 AFRP 또는 CFRP 일체식인 매립형 광섬유 변형률 센서 패키징.Figure 10 is an AFRP or CFRP integral buried optical fiber strain sensor packaging of the present invention.
***** 도면상의 주요 기호에 대한 간략한 설명 ********** Brief description of the main symbols on the drawing *****
1 : FBG 광섬유 센서 1-1 : 온도 보상용 FBG 광섬유 센서1: FBG fiber optic sensor 1-1: FBG fiber optic sensor for temperature compensation
2 : 외부 보호관 3 : 센서 설치부2: external protective tube 3: sensor installation
3-1 : 양단 고정 센서 설치부 3-2 : 한단 고정 센서 설치부3-1: Fixed end mounting part at both ends 3-2: Fixed end mounting part at both ends
3-3 : 스프링 형상의 센서 설치부3-3: spring sensor installation
4 : 센서 설치부 고정대 5 : 센서 설치부 고정나사4: sensor mounting bracket 5: sensor mounting screw
6 : 습기 및 이물질 방지탭 7 : 센서 연장바 고정부6: Moisture and foreign matter prevention tab 7: Sensor extension bar fixing portion
8 : 센서 연장바 8-2 : 콘크리트 매립용 센서 연장바8: Sensor extension bar 8-2: Sensor extension bar for concrete embedding
9-1 : 센서 연장바 고정홈 9-2 : 센서 연장바 고정나사9-1: Sensor extension bar fixing groove 9-2: Sensor extension bar fixing screw
11 : 센서 고정지그 12 : 지그 고정 나사11: sensor fixing jig 12: jig fixing screw
21 : 아라미드 섬유(AFRP) 또는 탄소섬유(CFRP) 복합제편21: Aramid Fiber (AFRP) or Carbon Fiber (CFRP) Composite Piece
22 : 센서 설치홈 23 : 센서 고정 접착제22: sensor mounting groove 23: sensor fixing adhesive
24 : 에폭시 + 규사코팅 91 : 부착면24: epoxy + silica sand coating 91: attachment surface
92 : 광섬유센서 보호 튜브 93 : 광섬유센서 양단 고정대92: fiber optic sensor protection tube 93: fiber optic sensor both ends
94 : 광섬유센서 고착제 95 : 광섬유센서 인장 고정 나사94: optical fiber sensor fixing agent 95: optical fiber sensor tension fixing screw
96 : 광섬유센서 인장 조절 볼트96: optical fiber sensor tension adjustment bolt
97 : 인장조절용 나사산97: thread for tension adjustment
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