KR101238293B1 - 온도 둔감형 사면감지 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사면감지 센서에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 화살형태의 패키징 구조체에 온도 둔감형 스트레인 센서를 삽입하여 설치가 간편하고, 반 영구적인 수명을 갖는 사면감지 센서에 관한 것이다. 본 발명은 비교적 설치가 간편하고, 반 영구적인 수명을 갖는 사면감지 센서를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 특히, 온도 둔감형 광섬유 센서를 이용하여 기후의 영향을 덜 받고 정확한 사면의 변화를 감지할 수 있는 온도 둔감형 사면감지 센서를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 단단한 재질로 형성된 고정부, 외부 압력에 의해 휘어지는 인장형 앵커 및 토사의 흘러내림을 감지하는 블레이드를 포함하는 센서 패키지; 및 상기 센서 패키지 안에 내장되며, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating : FBG) 센서 및 온도 둔감형 광민감성 광섬유를 포함하는 광섬유 센서;를 포함하는 사면감지 센서를 제공한다. 본 발명이 의하면 화살형태의 패키징에 블레이드를 형성하여 설치가 간편하고, 토사의 흘러내림을 민감하게 감지하는 것은 물론, 토사의 흘러내림의 방지효과까지 기대할 수 있는 온도 둔감형 사면감지 센서를 제공할 수 있다.

Description

온도 둔감형 사면감지 센서 {Temperature Insensitive Slope Sensor}
본 발명은 사면감지 센서에 관한 것이다. 더욱 자세하게는 화살형태의 패키징 구조체에 온도 둔감형 스트레인 센서를 삽입하여 설치가 간편하고, 반 영구적인 수명을 갖는 사면감지 센서에 관한 것이다.
최근 기상이변이 빈번하여 강우량이 늘어나고 집중호우가 발생하는 빈도가 높아지고 있다. 이러한 기상이변은 산사면을 절개하여 건설한 도로, 터널은 물론 산세가 험한 지형에 설치된 송전탑 등의 주변의 사면을 변형시키거나 심할 경우 붕괴시켜 재산상 피해 및 인명의 피해까지 발생할 수 있다.
이러한 문제로 인하여, 산의 절개된 경사면의 변형을 감지하기 위한 센서가 개발되고 있으나, 그 설치의 어려움 및 센서의 수명 등의 이유로 고비용이 발생하여 그 적용에 장애가 되고 있다.
상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명은 비교적 설치가 간편하고, 반 영구적인 수명을 갖는 사면감지 센서를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 특히, 온도 둔감형 광섬유 센서를 이용하여 기후의 영향을 덜 받고 정확한 사면의 변화를 감지할 수 있는 온도 둔감형 사면감지 센서를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 화살형태의 패키징에 블레이드를 형성하여 설치가 간편하고, 토사의 흘러내림을 민감하게 감지하는 것은 물론, 토사의 흘러내림의 방지효과까지 기대할 수 있는 온도 둔감형 사면감지 센서를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 단단한 재질로 형성된 고정부, 외부 압력에 의해 휘어지는 인장형 앵커 및 토사의 흘러내림을 감지하는 블레이드를 포함하는 센서 패키지; 및 상기 센서 패키지 안에 내장되며, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating : FBG) 센서 및 온도 둔감형 광민감성 광섬유를 포함하는 광섬유 센서;를 포함하는 사면감지 센서를 제공한다.
본 발명은 상기 사면감지 센서에 있어서, 상기 광섬유 센서는 세 개 이상의 상기 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 사면감지 센서를 제공한다.
본 발명은 상기 사면감지 센서에 있어서, 상기 센서 패키지는 상기 블레이드를 세 개 이상 포함하여, 토사의 흘러내림을 방지하는 것을 특징으로 하는 사면감지 센서를 제공한다.
본 발명은 상기 사면감지 센서를 이용한 사면감지 시스템에 있어서, 상기 사면감지 센서를 토사면에 지그재그로 설치하여 토사의 흘러내림을 방지하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 사면감지 시스템을 제공한다.
본 발명에 의하면 비교적 설치가 간편하고, 반 영구적인 수명을 갖는 사면감지 센서를 제공할 수 있다. 특히, 온도 둔감형 광섬유 센서를 이용하여 기후의 영향을 덜 받고 정확한 사면의 변화를 감지할 수 있는 온도 둔감형 사면감지 센서를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명이 의하면 화살형태의 패키징에 블레이드를 형성하여 설치가 간편하고, 토사의 흘러내림을 민감하게 감지하는 것은 물론, 토사의 흘러내림의 방지효과까지 기대할 수 있는 온도 둔감형 사면감지 센서를 제공할 수 있다.
도1a은 본 발명의 센서 패키지를 옆에서 본 단면을 나타낸 도면
도1b는 본 발명의 광섬유 센서를 옆에서 본 모습을 나타낸 도면
도2은 본 발명의 사면감지 센서를 옆에서 본 모습을 나타낸 도면
도3은 광섬유 브래그 격자의 원리를 나타낸 도면
도4는 온도 둔감형 광민감성 광섬유를 이용한 온도 보상의 예시를 나타낸 도면
도5는 본 발명의 일실시예에 따른 사면감지 센서를 송전탑의 토사면에 설치한 모습을 나타낸 도면
도6은 토사의 흐름에 따른 사면감지 센서의 변형을 감지하는 모습을 나타낸 도면
도7은 본 발명의 사면감지 센서를 지그재그로 설치하여 토사가 흐르는 것을 방지할 수 있는 사면감지 세스템
본 발명의 일실시예는 단단한 재질로 형성된 고정부(110), 외부 압력에 의해 휘어지는 인장형 앵커(120)및 토사의 흘러내림을 감지하는 블레이드(130)를 포함하는 센서 패키지(100) 및 상기 센서 패키지 안에 내장되며, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating: FBG) 센서(220) 및 온도 둔감형 광민감성 광섬유(210)를 포함하는 광섬유 센서(200)를 포함하는 사면감지 센서를 제공한다.
센서 패키지(100)는 광섬유(200)를 외부의 환경으로부터 보호하며, 토사면에 실장하기 위한 구조물로 고정부(110), 인장형 앵커(120) 및 블레이드(130)를 포함한다.
고정부(110)는 단단한 재질로 구성되어 토사면에 센서 패키지(100)를 매립할 때 토사면을 뚫고 들어가는 기능을 한다. 고정부(110)는 일체형으로 인장형 앵커(120)와 조립될 수도 있고, 인장형 앵커(120)의 외부에 금속성 내지 강화 플라스틱 외피를 입히거나 경화 코팅을 하는 방식으로 형성될 수도 있다.
인장형 앵커(120)는 외부의 압력 즉 토사의 흐름에 따라 휘어지며, 내부에 실장 되는 광섬유 센서(200)의 변형을 유도한다. 인장형 앵커(120)는 필요에 따라 탄성을 가질 수 있으며, 토사의 흐름을 반영하기 적당한 인장 강도를 가진 물질로 형성될 수 있다. 고정부(100) 및 인장형 앵커(120)의 내부에는 홀(140)을 형성하여 광섬유 센서(200)를 실장할 수 있는 공간을 형성한다.
블레이드(130)는 토사의 흐름을 더 잘 감지할 수 있도록 고정부(110)의 반대편에 형성되며, 이에 한정되는 것은 아니지만, 바람직하게는 3개 이상 형성하여 토사의 흘러내림을 방지하는 기능을 할 수 있다. 블레이드(130)를 이용한 토사의 흘러내림을 방지하는 방법에 대해서는 자세히 후술하도록 한다.
광섬유 센서(200)는 온도 둔감형 광민감성 광섬유(210) 및 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating: FBG) 센서(220)를 포함한다.
온도 둔감형 광민감성 광섬유(210)는 광변화에는 민감하게 반응하는 반면 온도 변화에는 둔감하므로, 외부의 온도변화(지열의 변화)에 따른 굴절율의 변화를 최소화하고 인장력의 변화에만 민감하도록 제작하여 센서의 정확도를 높일 수 있다. 또한 광섬유(210)의 온도에 따른 광변화의 특성을 이용하여 측정된 결과에 온도 보상을 할 수 있다. 도4는 온도 둔감형 광민감성 광섬유(210)를 이용한 온도 보상을 나타내고 있다.
광섬유 브래그 격자 센서(220)는, 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다.
브래그 파장의 조건은 하기 [수학식 1]과 같다. 여기서 neff는 유효 굴절률, Λ는 격자간격을 뜻한다.
Figure 112012026134351-pat00001
변형률과 온도에 대한 브래그 변화는 하기 [수학식 2]와 같다. 여기서 l은 길이, T는 온도를 타나낸다.
Figure 112012026134351-pat00002
[수학식 2]의 첫 번째 항은 브래그 격자의 변형률에 의한 영향을 나타내고 두 번째 항은 온도에 의한 영향을 나타낸다.
변형률의 영향은 하기 [수학식 3] 및 [수학식 4]와 같다.
Figure 112012026134351-pat00003
Figure 112012026134351-pat00004
여기서 Pe는 유효 광탄성계수(0.22), P11/P12는 변형률 광학텐서의 성분(P11 = 0.113 , P12 = 0.252), ν는 광섬유의 푸아송 비(0.16), neff = 1.482
사면의 표면은 외부의 온도변화에 따라 온도의 변화가 많은 반면, 사면 속으로 깊이 들어갈수록 외부의 온도변화에 관계없이 일정한 온도를 유지하는 경향을 띈다. 본 발명은 사면 표면에는 블레이드(130)가 설치되고 일정한 깊이 이상 들어간 위치에 브래그 격자 센서(220)를 위치하여 온도변화에 더욱 둔감하게 반응하는 사면센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 센서(200)는 세 개 이상의 상기 광섬유 브래그 격자 센서(220)를 포함한다. 광섬유 브래그 격자 센서(220)를 센서 패키지(100)의 상단, 중단, 하단에 각각 하나씩 위치하도록 형성하면, 구간별 변화량을 비교하여 보다 정확한 측정이 가능하다. 토사면은 비 바람의 영향을 받아 흘러내리게 되는데 외부가 내부보다 더 많이 흘러내리는 특징이 있으므로, 세 개 이상의 광섬유 브래그 격자 센서(220)를 이용하면 깊이에 따라서 토사가 흘러내린 정도를 보다 정확하게 파악할 수 있다. 광섬유 브래그 격자 센서(220)가 많을수록 정확한 측정이 가능하지만, 사면감지 센서의 제조단가가 높아지게 되므로, 이에 한정되는 것은 아니나, 바람직하게는 세 개 내지 다섯 개의 광섬유 브래그 격자 센서(220)를 포함하는 것이 바람직하다.
이하 본 실시예의 사면감지 센서의 작동원리를 도5 내지 도6을 이용하여 상세히 설명한다. 사면에 센서를 비스듬하게 매립한 후 정상 상태일 때의 중심파장을 측정하여, 기준 데이터를 획득한다. 후에 사면에 변화가 발생하는 경우 변화하는 중심파장의 이동량을 계산하여 사면의 상태를 파악할 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이 정상 상태일 경우 광섬유 센서(200)의 중심파장을 측정하여 기준 데이터를 마련한다. 도 6b와 같이 토사가 흘러내리면 사면감지 센서가 휘게 되고 광섬유 센서(200)도 같이 휘게 되어 상술한 바와 같이 브래그 격자 센서(220)의 파장 변화를 측정하여 휨 정도를 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 상기 센서 패키지(100)는 상기 블레이드(130)를 세 개 이상 포함하여, 토사의 흘러내림을 방지하는 기능을 한다. 본 발명의 사면감지 센서는 도 7와 같은 토사가 흘러내리기 쉬운 송전탑의 토사면에 설치하게 된다. 본 발명의 사면감지 센서의 블레이드(130)는 하나 이상 형성하면 토사가 흘러내리는 것을 보다 잘 감지할 수 있으며, 세 개 이상을 균등한 각도로 설치할 경우 토사가 흘러내리는 방향으로 사면감지 센서가 회전하지 않고 토사가 흘러내리는 것을 방지하는 기능을 할 수 있게 된다. 도 7에는 본 발명의 사면감지 센서의 지그재그식 설치를 통해 토사의 흘러내림 방지효과를 나타내도록 설치한 모습이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있다.
100: 센서 패키지
110: 고정부
120: 인장형 앵커
130: 블레이드
140: 광섬유 삽입홀
200: 광섬유 센서
210: 온도 둔감형 광민감성 광섬유
220: 광섬유 브래그 격자 센서
300: 사면감지 센서
400: 토사의 흘러내림

Claims (5)

  1. 단단한 재질로 형성된 고정부, 외부 압력에 의해 휘어지는 인장형 앵커 및 토사의 흘러내림을 감지하는 블레이드를 포함하는 센서 패키지; 및
    상기 센서 패키지 안에 내장되며, 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating : FBG) 센서 및 온도 둔감형 광민감성 광섬유를 포함하는 광섬유 센서;를 포함하는 사면감지 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는 세 개 이상의 상기 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 사면감지 센서.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 블레이드는 상기 인장형 앵커의 상기 고정부 반대쪽 말단에 위치하며,
    상기 광섬유 브래그 격자 센서는 상기 블레이드가 형성되는 위치를 제외한 위치에 형성되어 온도변화에 둔감하게 반응하는 것을 특징으로 하는 사면감지 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 센서 패키지는 상기 블레이드를 세 개 이상 포함하여, 토사의 흘러내림을 방지하는 것을 특징으로 하는 사면감지 센서.
  5. 제 4항의 사면감지 센서를 이용한 사면감지 시스템에 있어서,
    하나 이상의 상기 사면감지 센서를 토사면에 지그재그로 설치하여 토사의 흘러내림을 방지하는 기능을 하는 것을 특징으로 하는 사면감지 시스템.
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