KR101155109B1 - 휴대형 기울기 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기울기 측정 장치(일반적인 경사 측정 장치를 모두 포함)에서, 한 쌍의 기울기 센서를 대칭적으로 마주보게 배치하여, 외부환경 변화(온도, 습도, 진동 등)에 따른 측정오차를 상호 감쇄시켜서 정밀도를 증가시킬 수 있는 기울기 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명은 케이스와, 상기 케이스 내에 내장되는 센서 고정판과, 상기 센서 고정판의 일측면 또는 상부 및 하부에 회전대칭 관계로 배치되어 동시에 측정이 이루어지는 제1 및 제2 기울기 센서를 포함하며, 상기 기울기 측정 장치의 기울기값은 제1 및 제2 기울기 센서로부터 얻어진 기울기값을 산술평균하여 센서의 편차를 감쇄시키는 것을 특징으로 한다.

Description

휴대형 기울기 측정 장치{Portable Tiltmeter}

본 발명은 휴대형 기울기 측정 장치에 관한 것으로, 특히 기울기 측정 장치(일반적인 경사 측정 장치를 모두 포함)에서, 한 쌍의 기울기 센서를 대칭적으로 마주보게 배치하여, 외부환경 변화(온도, 습도, 진동 등)에 따른 측정오차를 상호 감쇄시켜서 정밀도를 증가시킬 수 있는 기울기 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 휴대형 기울기 측정 장치는 피측정물의 측정면에 직접 접촉시켜서 측정하거나, 측정면이 고르지 않을 경우에는 기울기 측정판(Tilt Plate)을 측정면에 부착시켜 놓고, 기울기 측정판에 휴대형 기울기 측정 장치를 접촉시켜서 측정하였다.

또한, 종래에는 일정거리의 상이한 지점간의 기울기를 동시에 측정하는 휴대형 측정 장치는 제안된 것이 없었고, 고정형으로 일정한 길이의 사각형 빔(Beam) 속에 기울기 센서를 넣고, 일정거리의 빔 양단을 피측정물에 영구 고정시켜 측정하였다.

일반적으로 사용되는 전자식 휴대형 기울기 측정 장치는 사각형 혹은 원형의 보호박스 내부에 전해액 센서(Electro Level), 전기 저항식 센서, 자기 저항 센서, 가속도 센서(Accelerometer) 등을 사용하므로, 센서 부피와 중량이 크며 충격에 약하므로 보호 박스(Box)를 크고 튼튼하게 구성해야만 하였다.

종래의 기울기 보조 측정판(Tilt plates)은 무겁고 많은 부품이 결합되어 복잡한 구조로 되어 있어서, 사출이나 금형으로 대량 생산을 할 수가 없고 소량 수작업으로 조립해야만 하므로 가격도 비싸고, 기능면에서도 기울기의 한 방향만 측정 가능하므로, 다수 방향을 측정하려면 여러 개를 설치하여야 하는 번거로움이 있다.

도 1은 종래의 토목 구조물의 한 지점 기울기 측정판과 측정 장치의 사시도이고, 도 2는 종래의 토목 구조물의 양단간 기울기 측정 장치의 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 토목 구조물의 한 지점에 대한 기울기를 측정하는 기울기 측정 장치(10)와 기울기 보조 측정판(20)은 토목 건설 분야에서 수십 년 전부터 유럽과 국내에서 많이 사용되어 오던 종래의 장치로서, 사각형의 기울기 측정 장치(10)의 4 측정면(11,12,13,14)으로 기울기를 측정할 수가 있는데, 피측정물의 바닥면의 기울기를 측정하고자 할 때에는 측정 장치의 수평 측정면(11,13)을 사용하고, 피측정물의 측면을 측정하고자 할 때에는 측정장치의 수직 측정면(12,14)을 사용하도록 되어 있다. 장치의 4면 각각의 측정면(11,12,13,14)에는 기울기 측정시에 측정면의 굴곡에 의한 측정오차를 줄이기 위하여, 피측정물(30)에 접촉되는 접촉면(11a,11c~14a,14c)과 비접촉면(11b~14b)으로 구분된다.

종래의 측정방법은 측정하고자 하는 피측정물(30)에 도 1의 기울기 보조 측정판(Tilt plates, 20)의 받침판(21)을 고정홀(22a,22b)에 앵카볼트(미 도시)로 고정시킨다. 측정판(20)의 받침판(21) 양 측면에 볼트로 고정된 측정 가이드판(23a,23b) 사이로 측정 장치(10)의 전면판(15)이 측정 가이드판(23a)에 닿도록 밀면서, 측정 장치(10)의 우측 측정면(12)이 측정판(20)의 받침판(21) 측정 기준 말뚝(24)에 밀착시켜서 아래로 누르면, 측정 장치(10)의 수평 측정면(11)의 접촉면(11a,11c)이 측정판(20)의 측정봉(25a,25b)에 닿아서 기울기를 측정하도록 되어 있다.

상기 종래의 측정 방법은 통상 하루 동안의 일일 계측시에 한대의 휴대형 기울기 측정 장치(10)로 수십 지점의 기울기 보조 측정판(20)을 측정하므로, 일년 정도 사용하면 휴대형 기울기 측정 장치(10)의 전면판(15)과 측정면(11,12)의 접촉에 의한 손상이 심하여 계측 오차가 발생하며, 기울기 보조 측정판(20)의 구조적인 결함으로 인하여 피측정면의 좌우, 앞뒤방향을 동시에 계측할 수 없는 단점이 있어 한 측정지점의 다방향 계측 시에 여러 개의 보조측정판(20)을 설치해야 함으로 인해 계측 단가가 높아진다.

또한, 기울기 보조 측정판(20)의 측정 가이드판(23a)이 휴대형 기울기 측정 장치(10)의 기울기 표시창(LCD 화면,16)과 작동 스위치(17)를 가려서 원활한 측정을 방해하므로, 피측정물(30)의 위치에 따라 계측이 불가능하거나 계측이 어려운 불편함이 있다.

도 2는 종래의 토목 구조물에서 일정 길이의 양단간의 기울기를 측정하는 기울기 측정 장치의 사시도이다.

상기 도 2의 일정한 측정 길이(통상 1m 거리)의 기울기를 측정하는 장치(31)는 일정한 길이의 사각 빔 케이스(Beam Case: 32) 중앙부에 설치된 센서 뚜껑(33) 속에 기울기 센서(미 도시)를 넣고 측정 케이블(34)을 하단으로부터 인출하는 구조를 가지고 있다. 사각 빔 케이스(32)의 양단에는 고정 브래킷(Bracket)(35a,35b)이 부착되어 있고, 상기 브래킷에 구비된 각각의 고정홀(36a,36b)에 앵카 볼트를 체결함에 의해 사각 빔 케이스(32)를 측정하고자 하는 구조물에 고정시킨다. 상기 기울기 측정 장치는 토목 구조물의 양단간 기울기를 측정하며, 기울기 신호 출력은 전기 저항식으로 측정케이블(34)로부터 전압 측정 지시계를 이용한 수동식 계측이나 자동 측정 장치로 자동 계측을 한다.

상기의 종래의 양단간의 측정 방법은 휴대형으로 계측할 수는 없고, 항시 기울기 센서를 피측정물에 부착하여야만 하고, 원거리(1m 이상의 크기) 일 경우에는 인력으로 설치가 곤란하고, 가격도 고가이므로 보편적으로 사용하기는 곤란하다.

또한, 상기와 같은 종래의 도 2에 도시된 사각 빔 케이스 형태의 하우징을 이용하여 그 내부에 기울기 센서를 내장하는 종래의 기울기 측정 장치들은 한번 설치가 되면 측정 자세를 바꾸기 어렵기 때문에 좌/우 방향 기울기 측정용과 전/후 방향 기울기 측정용으로 구별하여 별개로 제작이 이루어지고 있다. 그 결과, 사용자는 필요에 따라 기울기 센서의 자세를 쉽게 바꾸어 필요한 용도로 사용하지 못하고 좌/우 방향 기울기 측정용과 전/후 방향 기울기 측정용을 각각 구매하여 사용하여야 하는 문제가 있다.

더욱이, 종래의 기울기 측정 장치들은 기울기 센서의 부피가 크며 중량이 무겁기 때문에 취급 및 설치가 용이하지 못한 문제가 있다.

또한, 상기 도 1 및 도 2에 도시된 종래의 기울기 측정 장치에 사용되는 기울기 센서, 즉, 경사 센서는 크기도 크고, 소비전력이 커서, 기울기 센서와 함께 A/D 변환기, 시리얼 유무선 통신 모듈을 구비한 측정회로를 사용하려면 부피와 중량이 커지는 문제가 있다. 이는 휴대형(Portable Type)으로 다 지점, 다 방향 기울기를 측정하는 데에는 많은 제약 사항이 따른다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 측정 장치의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 기울기 측정 장치(일반적인 경사 측정 장치를 모두 포함)에서, 한 쌍의 기울기 센서를 대칭적으로 마주보게 배치하여, 외부환경 변화(온도, 습도, 진동 등)에 따른 측정오차를 상호 감쇄시켜서 정밀도를 증가시키는 기울기 측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 휴대형 기울기 측정 장치에서, 기울기 측정 장치의 사각의 외곽 측정면의 비접촉 면에 기울기 표시창을 설치하여 피측정물 위치에 관계없이 바닥면과 측면 계측이 편리하게 이루어질 수 있는 기울기 측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 휴대형 기울기 측정 장치에서, 저소비 전력의 무선 통신장치를 부착하여 일정한 거리의 이격된 사방의 다 측점을 무선으로 동시에 측정할 수 있는 기울기 측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 반도체 타입의 멤스형 변위 센서를 이용함으로써 소형화 저 소비전력화하고, 소용량 배터리를 내장하여 무선 지그비(Zigbee) 기반의 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 구축함으로써 토목/건축 구조물 및 지반의 기울기 변위량을 무선 계측망에 의해 자동으로 측정하여 구조물 및 지반의 안전 상태를 감시할 수 있는 기울기 측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 휴대형 기울기 측정 장치에서, 반도체 타입의 멤스(MEMS) 기울기 센서를 이용하여 장치 크기를 소형화하고 중량을 줄인 기울기 측정 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 본 발명은 케이스와, 상기 케이스 내에 내장되는 센서 고정판과, 상기 센서 고정판의 일측면 또는 상부 및 하부에 회전대칭 관계로 배치되어 동시에 측정이 이루어지는 제1 및 제2 기울기 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기 측정 장치를 제공한다.

상기 기울기 측정 장치의 기울기값은 제1 및 제2 기울기 센서로부터 얻어진 기울기값을 산술평균하여 센서의 편차를 감쇄시키는 것이 바람직하다.

또한, 상기 케이스는 상기 제1 및 제2 기울기 센서를 내부에 내장하며 피측정물과 접촉하여 기울기 측정이 이루어지는 적어도 하나의 측정면을 갖는 육면체형 케이스인 것이 바람직하다.

상기 기울기 측정 장치는 상기 케이스에 피측정물과 접촉하여 기울기를 측정하는 적어도 하나의 측정면에 설치된 적어도 하나의 기준 측정봉을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 본 발명은 간격을 두고 제1 및 제2 측정봉이 설치된 기울기 측정판을 상기 피측정물에 고정 설치하고, 상기 제1 및 제2 측정봉 중 하나의 측정봉에 상기 기준 측정봉을 일치시켜서 기울기를 측정하는 것도 가능하다.

더욱이, 상기 기울기 측정 장치는, 상기 케이스의 비 측정면에 구비되며 메인 디스플레이로서 역할을 하는 제1 표시창과, 적어도 하나의 측정면에 구비되며 보조 디스플레이로서 역할을 하는 제2 표시창을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 기울기 측정 장치는 상기 기울기 센서로부터 전달된 기울기 신호를 디지털 기울기 데이터값으로 변환하여 표시부로 기울기값을 표시하고 데이터통신을 제어하는 신호제어부와, 상기 데이터를 유/무선으로 송수신하는 유/무선 송수신부를 더 포함하며, 상기 무선 송수신부는 상기 신호제어부에서 출력되는 디지털 기울기 데이터를 지그비 방식으로 무선 입출력하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 기울기 측정 장치는 기울기 측정 장치(일반적인 경사 측정 장치를 모두 포함)에서, 한 쌍의 기울기 센서를 대칭적으로 마주보게 배치하여, 외부환경 변화(온도, 습도, 진동 등)에 따른 측정오차를 상호 감쇄시켜서 정밀도를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 반도체 형태의 센서를 사용하므로 초소형, 초경량, 초저가의 장치가 가능하고, 장치의 외관을 얇은 형태로 측정 오차를 줄인 기울기를 측정할 수 있으며, 일정한 측정 길이의 변위도 무선 측정이 가능하고, 다양한 모양의 측정판을 이용하여 다축으로 기울기를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 시리얼 통신의 유선 계측뿐 아니라, 저소비 전력의 무선과 배터리를 내장할 수 있어 지그비 통신에 의한 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)가 가능하고 인터넷망으로 원거리에서도 토목 건설 현장을 실시간으로 감시하고 재해를 예방할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 토목 구조물의 한 지점 기울기 측정 장치와 측정판의 구조를 나타낸 사시도,
도 2는 종래의 토목 구조물의 양단간 기울기 측정 장치의 사시도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 원형 측정봉 및 반원형 측정봉의 사시도,
도 3c는 미끄럼 방지용 기준 측정봉 가이드를 구비한 기준 측정봉의 사시도,
도 4는 본 발명의 원형 측정봉이 부착된 기울기 측정 장치의 사시도,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 측정봉이 부착된 피측정물 및 다양한 기울기 측정판의 예,
도 6a 본 발명에 따른 수평의 피측정물을 기울기 측정판(Tilt Plate)을 이용하여 기울기를 측정하는 측정법을 설명하기 위한 도면, 도 6b는 수직의 피측정물을 측정봉을 이용하여 직접 측정하는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 6c 및 도 6d는 본 발명에 따른 산술평균을 이용한 정밀 측정을 위해 순방향 측정 및 역방향 측정 방법을 설명하기 위한 설명도,
도 7은 본 발명에 따른 기울기 측정 장치의 기울기 측정 시스템을 설명하기 위한 개략 블록도,
도 8은 본 발명의 따른 기울기 측정 장치의 무선 통신 계측도,
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 따른 기울기 측정 장치의 기울기 센서 배치도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 원형 및 반원형 측정봉의 사시도, 도 3c는 미끄럼 방지용 기준 측정봉 가이드를 구비한 기준 측정봉의 사시도, 도 4는 본 발명의 원형 측정봉이 부착된 기울기 측정 장치의 사시도, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 측정봉이 부착된 피측정물 및 기울기 측정판의 사시도, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명에 따른 기울기 측정 방법의 평면도이다.

본 발명의 측정봉은 피측정물의 측정면이 고르지 않을 때 혹은 반복 측정시 측정 오차를 줄이고자 할 때에, 기울기 측정 장치와 피측정물에 상호 부착하여 사용하면 정밀 계측을 할 수가 있는 방법이다. 본 발명의 측정봉은 피측정물의 측정면이 고르지 않은 경우 측정면에서 원형 측정봉의 직경만큼의 높이로 띄우고 측정 장치와는 선접촉을 하여 측정 오차를 줄일 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 기울기 측정 장치(40)의 측정봉을 나타낸 예로서, 도 3a에 도시된 측정봉(41)은 후술하는 기준 측정봉의 직경보다 더 크거나 동일한 직경, 즉 원형 측면(43)을 갖고, 그의 길이는 측정 장치(40)의 측정면(11)(도 6 참조)의 폭과 동일하게 설정되는 원형 봉으로 이루어지며 측정봉의 기본형이다. 측정봉(41)은 길이 방향으로 3등분 지점에 피측정물(30) 또는 기울기 측정판(53-55)(도 5 참조)에 부착하기 위한 부착홀(45a,45b)이 구비되어 있다. 이 부착홀(45a,45b)은 접착제를 사용하여 부착할 경우는 불필요하다.

도 3b에 도시된 측정봉(42)은 기본형인 원통형 측정봉(41)을 평면에 부착하기 편리하게 반원 형태의 측면(46)을 갖도록 변형한 것으로, 측정봉(42)의 길이방향 외부면(47)은 평면과 반원형 곡면으로 이루어지고 바람직하게는 부착홀(48a,48b)이 균등한 간격으로 뚫려져 있다. 그러나, 반원 형태의 측면(46)을 갖는 측정봉(42)은 부착하기가 편리한 반면에 원형을 반원으로 가공할 때 가공비가 고가인 단점이 있다.

도 3c에 도시된 기준 측정봉(42a)은 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 기울기 측정 장치(40)의 외부에 부착되어 사용하는 것으로, 바람직하게는 일측 또는 양극단 단부에 기준 측정봉 가이드(49)를 고정볼트(50) 또는 용접으로 부착시킨 구조를 적용할 수 있다.

상기한 기준 측정봉 가이드(49)를 기준 측정봉(42a)에 구비하는 경우 도 6c에 도시된 바와 같이 기준 측정봉(42a)과 측정봉(41e-41h)을 일치시켜 계측할 때 측정봉(41e-41h)의 길이방향으로 측정 장치(40)가 미끄러지는 것을 차단함에 의해 측정 오차를 줄여준다.

도 4는 본 발명에 따른 기울기 측정 장치(40)를 나타낸 사시도로서, 기울기 측정 장치는 직육면체로 이루어지고 기울기 측정이 이루어지는 사각형의 4 측정면(도 6의 11~14)에는 일측 단부에 각각 기준 측정봉(42a~42d)이 부착되어 있다.

이 경우, 기준 측정봉(42a~42d)을 일측 단부에만 설치하면 기울기 측정 장치를 세워서 보관시 한쪽으로 기울어져 넘어져 센서에 손상이 가거나, 일반적인 굴곡이 없는 평면을 계측시 측정봉을 착탈하기 불편하므로 측정면의 양측 단부(11a와 11c, ..., 14a와 14c)에 대칭으로 기준 측정봉(42a~42d)을 부착하여 평면을 갖는 피측정물에 직접 접촉하여 측정하는 것도 가능하다.

본 발명에 따른 기울기 측정 장치(40)에는 장치의 전면에 예를 들어, LCD로 이루어진 기울기 표시창(17a)이 기본적으로 구비되어 있으며, 추가적으로 기울기 표시창(16a,16b)이 4 측정면(11~14)의 4 비접촉면(11b,12b,13b,14b) 중 적어도 한 측정면에 설치되어 있다.

이와 같이 비접촉면(11b,12b,13b,14b)에 기울기 표시창(16a,16b)을 설치하면, 표시창을 보기 힘든 측정 지점 즉, 바닥면, 천장면, 벽면의 기울기를 측정할 때 기울기를 즉시 볼 수 가 있어서 편리하다. 또한, 기능 선택 스위치(73)(도 7 참조)는 기울기 측정 장치(40)의 전면(17) 또는 후면에 넓게 배치가 가능하므로 작동하기가 편리하다. 더욱이, 전면판에만 표시창을 설치한 종래의 방법과 동시에 혼용하여도 무관하다.

도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따라 기울기 측정 장치를 측정봉을 피측정물에 부착하는 모양을 보여준 설명도로서, 도 5a는 피측정물의 측정면(30)에 한쌍의 측정봉(42e,42f)을 직접 설치한 예이고, 도 5b 내지 도 5d는 다양한 플레이트판(53a,54a,55a)을 사용하여 측정봉이 설치된 기울기 측정판(53-55)을 사용한 예이다.

도 5a는 가장 간단한 방법으로 피측정물(30)에 직접 한쌍의 반원형 측정봉(42e,42f) 또는 한쌍의 원형 측정봉을 일정한 간격(D)으로 나란히 부착하는 방법이다. 이 방법은 반원형 측정봉(42e,42f)을 피측정물(30)의 재질에 따라 앵커 볼트로 고정할 수 도 있고, 접착제로 고정할 수도 있다.

또한, 측정 지점이 많을 경우에는 측정봉(42e,42f)을 일정한 간격(D)으로 설치하려면 시간이 많이 소요되므로, 도 5b와 같이 일자형 플레이트판(53a)에 측정봉(41e,41f)을 미리 부착하여 놓은 기울기 측정판(53)을 사용하여 고정홀(50a,50b)에 고정용 나사 또는 볼트로 고정하면 편리하다.

한편, 상기 도 5a 및 도 5b에 도시된 측정방법은 한 측정 지점의 한 방향 기울기(1축, 좌/우)만 측정이 가능한 설치 방법이다. 이하에 설명되는 도 5c 및 도 5d는 한 측정 지점의 두 방향 기울기(2축, 좌/우 및 전/후)를 동시에 측정이 가능하도록 정사각형 및 원형 플레이트판(54a,55a)에 측정봉(41e~41h)이 중앙부로부터 좌/우 및 전/후 방향으로 일정한 거리를 두고 배치되어 있는 기울기 측정판(54,55)을 사용하는 설치 방법이다.

도 5c는 2축 측정 지점으로서, 측정 지점이 사각형이고, 좌/우 및 전/후 방향의 폭과 넓이가 상이한 지점일 경우에 적합하고, 도 5d는 2축 측정 지점으로서, 설치 형태의 제약사항이 없는 경우에 적합하다.

도 5c와 도 5d에서 2축을 측정할 때는 좌/우 측정시는 측정봉(41e,41f)을 사용하고, 전/후 측정시는 측정봉(41h,41g)을 사용한다. 플레이트판(54a,55a)의 관통구멍(56,57)은 피측정물의 돌출면의 영향을 적게 받기 위하여 플레이트판(54a,55a)을 따낸 것이다.

원형이 아니고 사각형 등 다른 모양이어도 효과는 동일하다. 피측정물(30)에 고정하는 용도의 부착홀(도 5c의 51a~51d, 도 5d의 52a~52d)은 피측정물 재질에 따라 사용하지 않고, 접착제 혹은 몰딩액으로 부착할 수도 있다. 또한, 대량생산을 위하여 수지를 사용한 사출형태로 제작할 경우는 사출 금형에 맞게 약간의 형상을 변경시킬 수도 있을 것이다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 기울기 측정방법을 나타내는 설명도로서, 도 6a는 수평의 피측정물을 기울기 측정판(Tilt Plate)을 이용하여 기울기를 측정하는 측정법을 도시하였고, 도 6b는 수직의 피측정물을 측정봉을 이용하여 직접 측정하는 방법을 도시하였고, 도 6c 및 도 6d는 본 발명에 따른 정밀 측정법을 설명하기 위한 설명도를 도시하였다.

먼저 도 6a를 참고하면, 피측정물(30)이 수평면을 가지고 있는 경우는 수평의 피측정물(30)에 도 5b에 도시된 일자형 플레이트판(53a)을 고정홀(50a,50b)에 앵카 볼트(58a,58b)를 체결함에 의해 고정시킨다.

그 후, 플레이트판(53a)에 일정 간격으로 부착된 측정봉(41e,41f) 위에, 본 발명의 측정 장치의 측정면(11)에 부착된 기준 측정봉(42a)의 길이 방향의 면이 도 6c와 같이 측정봉(41f)과 일치하도록 정렬시키고 기울기 측정 장치(40)의 상부면에 위치한 표시창(도 4의 16b)의 기울기 값이 안정되면 기울기 수치를 읽으면 된다.

도 6b는 도 6a와 동일한 방법으로 수직의 피측정물(30a)에 플레이트판(53a)을 사용하지 않고, 일정한 간격으로 측정봉(42e,42f)을 접착제 혹은 앵카볼트로 직접 부착시킨다.

그 후, 도 6a와 유사하게 본 발명의 측정 장치의 측정면(11)에 부착된 기준 측정봉(42a)의 길이 방향의 면이 측정봉(42f)과 일치하도록 정렬시키고 기울기 측정 장치(40)의 상부면에 위치한 표시창(도 4의 16b)의 기울기 값이 안정되면 기울기 수치를 읽으면 된다.

도 6b에 도시된 기울기 측정 장치는 예를 들어, 도 9a에 도시된 바와 같이 하나의 센서 고정판(93)에 수평 및 수직 측정 센서(90,91)를 수평 및 수직으로 부착함에 의해 상부면과 하부면이 비접촉면(12d와 14d)으로 설정한 변형예로서, 얇은 형태(THIN TYPE)의 간편한 기울기 측정 장치를 구현할 수가 있다.

도 6c 및 도 6d는 본 발명에 따른 산술평균을 이용한 정밀 측정법을 설명하기 위한 설명도를 도시한 것으로, 순방향 측정(60) 및 역방향 측정((61)을 나타낸다. 정밀 측정법은 먼저 도 6c와 같이 순방향(전면방향)으로 하여 기울기를 측정하고(측정값 A), 다시 동일지점에서 도 6d와 같이 역방향(후면방향)으로 하여 기울기를 측정하여(측정값 B), 한 지점 당 기울기를 2회 측정하고, 각각의 측정값(A,B)을 T1 =(A+B)/2에 의해 산술평균하여 그 지점의 측정값으로 구한다.

이 경우, 각각의 측정값(A,B)의 절대치 산술 평균은 기울기 값(T1)을 나타내며, 극성치 포함한 각각의 측정값(A,B)의 산술 평균은 측정 오차(T2)를 나타낸다. 따라서, 극성치 포함한 각 측정값(A,B)의 산술 평균 측정법은 계측자의 측정 오차를 현저히 줄이는 방법이다.

좀 더 자세히 설명하면, 먼저 순방향 측정을 위해 도 6c와 같이, 기울기 측정 장치의 전면판이 앞에서 보이게 하고, 기준 측정봉(42a)과 피측정물(30)의 측정봉(41f 또는 42f)을 일치시키고, 기울기 측정 장치의 측정면(11)의 접촉면(11a,11c)이 측정봉(41f와 41e 또는 42f와 42e)의 상단에 닿도록 올려놓고 기울기 측정값(A)을 읽는다.

그 후, 역방향 측정시는 도 6d와 같이 장치의 후면판이 앞에서 보이게 하고, 기준 측정봉(42a)과 피측정물(30)의 측정봉(41e 또는 42e)을 일치시키고, 기울기 측정 장치의 측정면(11)의 접촉면(11a,11c)이 측정봉(41e와 41f 또는 42e와 42f)의 상단에 닿도록 올려놓고 기울기 측정값(B)을 읽는다.

그 후, 각각의 측정값(A,B)의 절대치 산술 평균을 위해 T1 =(A+B)/2하여, 그 지점의 기울기 값(T1)으로 한다.

이하에 도 7을 참고하여 도 4에 도시된 기울기 측정 장치(40)를 상세하게 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 기울기 측정 장치의 기울기 측정 시스템을 설명하기 위한 개략 블록도로서, 본 발명의 기울기 측정 시스템은 크게 기울기 센서(70), 표시부(71), 신호 제어부(72), 기능 선택 스위치(73), 무선 송수신부(74), 유선 송수신부(75) 및 전원부(76)를 포함한다.

상기 기울기 센서(70)는 일반적인 기울기 센서(전기저항식, 정전용량방식, Eelectro Level 방식, 가속도계(Accelerometer) 방식 등)를 사용할 수 도 있으나, 부피가 크고 무거운 종래 센서 보다는, 최근 개발된 미세 반도체 제작 기술로 실리콘 기판위에 기계부품과 전자회로를 집적한 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems)형 센서를 적용할 경우는 본 발명에 더 효과적이다. 따라서, 이하 기울기 센서는 멤스(MEMS)형 기울기 센서를 기준으로 설명한다.

상기 기울기 센서(70)는 중력(Gravity) 방향을 기준으로 각도를 기울이면 기울기 변화에 따라 내부 감지소자(Sensing Element)로부터 예를 들어, 정전용량 변화(Capacitance Change)가 발생하며, 그 결과 기울기 변화에 대응하는 정전용량 변화신호(이하 "기울기 신호"라 함)가 발생하여 신호 제어부(72)로 전달된다.

신호 제어부(72)에서는 전달된 아날로그 기울기 신호를 디지털 기울기 데이터값으로 변환하여 표시부(71)로 기울기값을 표시한다. 상기 기능 선택 입력부(73)는 선택 스위치로 구성되는데, 선택 스위치가 눌리면 그 선택 기능이 신호 제어부(72)에 전달되어, 전원 선택, 기울기 선택, 기울기 표시, 유무선 통신 기능 등을 선택하여 기울기를 측정하고 선택 기능을 수행한다.

측정 결과 데이터는 유선 송수신부(75)를 통하여 데이터 로거 또는 신호처리용 컴퓨터에 전달되고, 무선 송수신부(74)를 통하여서는 후술하는 바와 같이 무선 수신으로 지정된 또 다른 기울기 측정 장치로 전달되어 표시된다. 신호 제어부(72)는 센서의 고유인식 주소(ID)를 생성하여 유/무선 통신제어를 수행한다.

상기 기울기 측정 장치에 대한 공급 전원은 전원부(76)의 밧데리(DC 9V)로부터 직류 전원을 공급받아 각각 필요한 정전압으로 변환하여 사용한다.

무선 송수신부(74)의 무선통신방식은 예를 들면, 저소비전력의 지그비(Zigbee)를 사용할 수 있고, 유선 송수신부(75)는 시리얼 통신방식(RS-232, RS-485, RS-422)으로 하면 더 효과적이다.

본 발명의 기울기 측정 장치의 유무선 출력 방식을 보면, 유선 통신은 유선 송수신부(75)에서 디지털 데이터가 출력되어 다수 센서는 시리얼 통신(RS-485)으로 멀티 드롭 방식(Multi Drop)으로, 하나의 센서는 원거리 시리얼 통신(RS-422)으로 일대일 방식(Point to Point)으로 지원된다.

상기 무선 통신은 무선 송수신부(74)에 근거리 무선 통신 방식인 지그비(Zigbee)를 채용하여 저속, 저가, 저전력에 적합한 방식으로, 반경 수십 미터 내에서 낮은 전송 속도(250 kbps)로 수백개(255ea)의 다수의 센서를 배터리만으로도 통신이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기울기 측정 장치는 센서에 고유 인식 번호를 입력하여 실시간 관리하는 유비쿼터스 센서 네트워크(USN; Ubiquitous Sensor Network)로 구성하는 것도 가능하다.

이 경우, 상기 신호 제어부(72)는 무선 송수신부(74) 또는 유선 송수신부(75)를 통하여 계측된 디지털 계측 데이터를 원격지에 위치한 데이터 로거 또는 신호처리용 컴퓨터에 전달하여 실시간 계측이 이루어지는 것도 가능하다.

도 8은 본 발명의 무선통신방식을 이용하여 일정한 거리(L)의 두 지점 사이의 기울기 측정 방법을 도시한 그림이다.

종래의 두 지점 사이의 기울기 측정을 일정한 거리(L)의 사각 빔(BEAM)을 설치하는 대신에 본 발명의 한 쌍의 기울기 측정 장치를 두 지점 에 각각 올려놓고 기울기를 측정하는 방법이다.

도 8의 측정 방법은 본 발명에 따른 도 5a 내지 도 5d의 측정봉(41e~41h와 42e~42f)과 기울기 측정판(53,54,55)을 사용하지 않고, 측정 장치만 사용하더라도 발명 효과는 동일하다.

도 8의 X와 Y는 피측정물의 수평면(X)과 수직면(Y)을 표시하며, A와 B는 일정한 거리(L)가 떨어진 수평면의 두 계측점을 나타내고, C와 D는 일정한 거리(L)가 떨어진 수직면의 두 계측점을 나타낸다.

상기와 같이 대응하는 2 계측점에 각각 기울기 측정 장치(40a,40b: 40c,40d)를 올려놓고, 계측을 실시하면, 자동으로 상대 장치에 자기의 기울기 값을 무선 송수신하여, 각각 기울기 측정 장치(40a,40b: 40c,40d)의 표시부(71), 즉 표시창에 일지점 및 타지점의 다수의 기울기 값을 표시한다. 따라서 계측자는 실시간으로 계측과 동시에 타지점의 기울기값을 알 수 있으므로, 원하는 다수 지점의 상호간의 기울기 편차를 손쉽게 판단할 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 각각 본 발명에 따른 기울기 측정 장치 내부의 기울기 센서의 배치 방법을 나타낸다. 종래에는 센서 가격이 비싸고 부피가 크므로 기울기 측정 장치에 경제적으로 볼 때에 한 개의 센서만을 사용할 수밖에 없었으나 저가격의 크기가 작은 반도체 타입을 사용할 경우는 본 발명과 같이 다수의 센서를 사용하여 정밀도를 높이고 기울기 측정 장치를 간편하게 만들 수 있다.

이 경우, 반도체 센서는 예를 들어, 특허 제408819호 또는 공개특허 제2008-69912호에 제안된 것과 같이 기존의 반도체 제작 기술을 응용하여 마이크로 단위의 전자 기계 기술로 이루어진 멤스(Micro Electro Mechanical Systems)형 센서를 말한다.

좀 더 자세히 설명하면, 도 9a는 센서 고정판(93) 위에 수평기울기 측정시만 작동하는 수평 측정 센서(90)와 수직기울기 측정시만 작동하는 수직 측정 센서(91)를 부착한다. 상기 설명한 도 6a에서, 수평면 측정시에는 수평 측정 센서(90)의 기울기를 표시창에 표시하고, 도 6b와 같이 수직면 측정시에는 수직 측정 센서(91)의 기울기를 표시한다. 이와 같이 동일한 센서 고정판(93)에 수평 및 수직 측정 센서(90,91)를 수평 및 수직으로 부착하면, 도 1에 도시된 종래의 기울기 측정 장치에서 도 6a와 같은 수직 측정면(12와 14)을 없애고, 도 6b와 같은 비접촉면(12d와 14d)으로 하여도 수직면을 측정할 수가 있으므로, 얇은 형태(THIN TYPE)의 간편한 기울기 측정 장치를 구현할 수가 있다.

도 9b는 센서 고정판(93)을 기준으로 윗면에는 제1 기울기 센서(94)를 부착하고, 대칭으로 아랫면에는 제2 기울기 센서 (95)를 부착하여, 기울기 측정 장치가 기울면 한쌍의 센서가 같이 동작하도록 한다. 만약, 제1 기울기 센서(94)가 정방향(+) 기울기값(T)이면 제2 기울기 센서(95)는 부방향(-) 기울기값(T′)을 갖는다. 따라서, 기울기 측정 장치의 실 기울기값을 Ts라고 한다면, Ts = (T+T′)/2 로 얻어진다.

또한, 상기 제1 및 제2 기울기 센서(94,95)의 배치를 위아래가 아닌 평면상으로 마주보고 회전 대칭으로 배치하여도 동일 효과가 있다. 이와 같은 방법은 동일 모델의 기울기 센서이더라도 센서마다 센서의 특성이 다르고, 센서의 직선도, 주변 온도 등에 따른 편차를 갖고 있다. 특히 저급 저가격 센서일 때가 더욱 심하므로, 두 센서를 대칭으로 배치함으로써 센서 측정 오차와 정밀도를 높 일수 있다.

상기 기울기 센서는 크기가 작은 멤스형 센서를 사용하고 일축 이상 다축의 변위 센서를 사용하면 본 발명의 효과가 증가한다. 또한 상기 도 9와 같이 센서를 배치하고 상기 도 6a 내지 도 6d의 측정 방법을 중복하여 사용하면 저가형 기울기 센서이더라도 성능을 배가시킬 수가 있다.

좀 더 자세히 설명하면, 상기 기울기 센서가 2축으로 배열된 멤스형 변위 센서로는 예를 들어, MEMSIC INC.의 모델번호 MXD6125를 적용할 수 있다. 상기한 멤스형 변위 센서는 예를 들어, 5.0×5.0×1.55mm의 소형 크기를 가지고 있다.

또한, 상기 변위 센서는 3종류의 센서 중 단일의 센서를 채용한 단축 센서, 같은 종류의 2개의 센서를 X축 및 Y축 방향의 직교방향으로 조합한 2축 센서, 같은 종류의 3개의 센서를 X축, Y축, Z축 방향(좌/우, 전/후, 상/하 방향)으로 조합한 3축 센서 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 이러한 다축 센서를 사용하는 경우 3축 측정이 가능하여 피측정물의 입체적 계측이 가능하다.

상기 멤스 센서는 일반적으로 크기가 작고 소비전력이 작기 때문에 기울기 센서(70) 또한 초소형 저소비 전력이 가능해진다. 또한, 비용적인 측면에서도 멤스형 기울기 센서는 종래의 전기 저항식 센서, 자기 저항센서, 가속도 센서와 같은 경사 센서와 비교할 때 1/5의 저렴한 가격으로 제조 가능하다. 더욱이, 반도체 기술을 이용하여 상기 멤스형 센서(70)를 비롯한 신호 변환부 등 주변 회로를 하나의 반도체(One Chip)로 제작하는 것도 가능하다.

한편, 본 발명의 기울기 측정 장치는, 상기한 기울기 센서를 내부에 내장하며 피측정물과 접촉하여 기울기 측정이 이루어지는 적어도 하나의 측정면을 갖는 육면체형 케이스를 사용하지 않고, 길이가 긴 파이프 형태의 원통형, 또는 길이가 짧은 원통형의 케이스에 센서 고정판을 내장하고, 상기 센서 고정판의 일측면 또는 상부 및 하부에 회전대칭 관계로 배치되어 동시에 측정이 이루어지는 제1 및 제2 기울기 센서를 포함하는 것도 가능하다. 기울기 측정 장치의 기울기값은 제1 및 제2 기울기 센서로부터 얻어진 기울기값을 산술 평균하여 구하면, 정밀도가 떨어지는 저가의 센서를 사용할지라도 센서의 편차를 감쇄시키는 것이 가능하다.

이 경우, 반도체 타입의 멤스형 센서로 이루어지는 제1 및 제2 기울기 센서는 크기가 작고 가격도 저렴하기 때문에 파이프 형태의 원통형, 또는 원통형의 케이스에 내장된 센서 고정판에 집적하는 데 어려움이 없다.

이러한 원통형 케이스에 내장되는 타입으로 구현되는 기울기 측정 장치는 피측정물과 접촉하여 기울기 측정이 이루어지는 측정면을 갖는 것이 아니고, 지중에 매입되어 토목/건축 구조물 및 지반의 기울기 변위량을 측정하여 구조물 및 지반의 거동을 감시하는 경우에도 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 기울기 측정 장치는 배터리를 구동전원으로 사용하는 휴대형으로 사용 가능하며, 더욱이 토목/건축 구조물에 설치하여 고정식으로 사용하는 것도 가능하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 반도체 타입의 소형 멤스 센서를 이용함으로써 센서 측정 자세를 쉽게 바꾸어 상/하 또는 좌/우 경사 각도를 측정할 수 있도록 변위량 측정 장치의 외관을 작고 납작하게 설계할 수 있다.

또한, 다수의 기울기 측정봉을 사용함으로써 다수 지점에서 다방향으로 편리하게 정밀 기울기 측정을 할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 기울기 측정 장치에 무선 송수신부를 부착함으로써 일정 간격의 측정 거리를 갖는 토목 구조물, 또는 대형 기계설비의 기울기 변위를 측정할 수 있으며, 반도체 타입의 멤스 센서를 이용함으로써 소형화 저 소비전력화하고, 소용량 배터리를 내장하여 무선 지그비(Zigbee) 기반의 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 구축함으로써 어떤 주변환경에도 무선 계측이 용이하게 이루어질 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명의 휴대형 기울기 측정 장치 및 이를 이용한 기울기 측정 방법은 다축 다기능 멤스(MEMS) 센서와 측정판을 이용하여 다방향의 기울기 측정이 가능하고, 서로 상이한 지점을 무선 통신장치를 부착하여 무선으로 원거리 다 측점을 비교 측정할 수 있으며, 내부 기울기 센서를 대칭/수직 배치하여 측정오차를 줄이고, 사각 장치 외곽의 수평 측정면으로 수직 측정도 가능하며, 측정 현장에서 실시간 계측 확인 가능하도록 측정면 표시창을 구비하고, 설치 장소의 제약 없이 토목/건축 구조물 및 지반의 기울기 변위량을 측정하여 구조물 및 지반의 거동을 감시할 수 있다.

11-14: 측정면 16a,16b,17a: 기울기 표시창
30: 피측정물 40,40a-40d: 기울기 측정 장치
41,42,41e-41h,42e,42f: 측정봉 42a-42d: 기중 측정봉
49: 기준 측정봉 가이드 53-55: 기울기 측정판
53a-55a: 플레이트판 56,57: 관통구멍
60: 순방향 측정 61: 역방향 측정
70: 기울기 센서 71: 표시부
72: 신호제어부 73: 기능선택 스위치
74: 무선 송수신부 75: 유선 송부신부
76: 전원부 90: 수평 측정센서
91: 수직 측정센서 93: 센서 고정판
94: 제1 기울기 센서 95: 제2 기울기 센서

Claims (6)

1. 케이스와,
   상기 케이스 내에 내장되는 센서 고정판과,
   상기 센서 고정판의 일측면 또는 상부 및 하부에 회전대칭 관계로 배치되어 동시에 측정이 이루어지는 제1 및 제2 기울기 센서를 포함하는 기울기 측정 장치로서,
   상기 기울기 측정 장치의 기울기값은 제1 및 제2 기울기 센서로부터 얻어진 기울기값을 산술평균하여 센서의 편차를 감쇄시키는 것을 특징으로 하는 기울기 측정 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 케이스는 상기 제1 및 제2 기울기 센서를 내부에 내장하며 피측정물과 접촉하여 기울기 측정이 이루어지는 적어도 하나의 측정면을 갖는 육면체형 케이스인 것을 특징으로 하는 기울기 측정 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 케이스에 피측정물과 접촉하여 기울기를 측정하는 적어도 하나의 측정면에 설치된 적어도 하나의 기준 측정봉을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기 측정 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 케이스의 비 측정면에 구비되며 메인 디스플레이로서 역할을 하는 제1 표시창과,
   적어도 하나의 측정면에 구비되며 보조 디스플레이로서 역할을 하는 제2 표시창을 포함하는 것을 특징으로 하는 기울기 측정 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 기울기 센서로부터 전달된 기울기 신호를 디지털 기울기 데이터값으로 변환하여 표시부로 기울기값을 표시하고 데이터통신을 제어하는 신호제어부와,
   상기 데이터를 유/무선으로 송수신하는 유/무선 송수신부를 더 포함하며,
   상기 무선 송수신부는 상기 신호제어부에서 출력되는 디지털 기울기 데이터를 지그비 방식으로 무선 입출력하는 것을 특징으로 하는 기울기 측정 장치.

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