KR101275239B1 - 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템과 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물 및 지반의 물리적 변위량을 자동으로 측정하여 구조물 및 지반의 안전 상태를 감시할 수 있는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 반도체 타입의 멤스(MEMS) 센서를 내장한 변위량 측정 장치로서, 연장 로드의 결합에 의해 측정 센서의 길이 연장이 가능하고, 측정 방향을 회전하여 선택할 수 있으며, 롤러를 부착하여 경사 측정관에 삽입함에 의해 구조물 및 지중 수평 변위의 측정에 적용이 가능하고, 저 소비전력의 무선 통신장치를 부착하여 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 구성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 멤스(MEMS) 센서를 이용한 변위량 측정 시스템은 반도체 형태의 센서를 사용하므로 작은 원형케이스에 센서를 내장하여 초소형, 초경량, 초저가의 장치가 가능하고, 시리얼 통신부를 구비하고 시리얼 통신의 유선 계측뿐 아니라, 저소비 전력의 무선 통신부와 배터리를 내장할 수 있어 지그비 통신에 의한 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)가 가능하고 인터넷망으로 연결된 서버로부터 원거리에서도 토목 건설 현장을 실시간으로 감시하고 재해를 예방할 수 있는 효과가 있다.

Description

멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템과 그 방법{System and Method for Measuring Displacement Using MEMS Sensor}

본 발명은 소형화 저 소비전력화가 가능한 다축 다기능 멤스(MEMS) 센서를 이용하여 소형 원통형 하우징 내부에 센서 본체를 설계함에 의해 방수처리가 용이하고, 소용량 배터리를 내장하여 무선 지그비(Zigbee) 기반의 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 구축할 수 있는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템과 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 토목 구조물의 기울기 변위량 측정 장치는 계측 하고자 하는 한 지점에 고정된 플레이트 위에 기울기 센서를 부착시키거나, 기울기 센서 보호박스 양단에 앵커로 피측정물에 고정시키는 방법으로 하였다.

또한, 지반의 기울기 변위량 측정 장치는 기울기 센서 케이스에 롤러 뭉치를 결합시킨 단위 기울기 변위량 측정 장치를 다단으로 구성하여 경사 측정관 속으로 삽입하여 측정하는 방법을 사용하였다.

일반적으로 사용되는 경사 센서로는 전해액 센서(Electro Level), 전기 저항식 센서, 자기 저항 센서, 가속도 센서(Accelerometer)로서, 전압이나 저항이 출력되는 방식이 많이 사용된다.

그런데 상기한 각종 센서는 부피와 중량이 크며 방수가 되지 않고, 충격에 약하므로 보호 박스(Box)를 크고 튼튼하게 구성해야만 한다.

도 1a는 종래의 토목 구조물의 한 지점 기울기 측정 장치의 사시도이고, 도 1b는 종래의 토목 구조물의 양단간 기울기 측정 장치의 사시도이다.

도 1a에 도시된 바와 같이 종래의 토목 구조물의 한 지점에 대한 기울기를 측정하는 기울기 측정 장치는 기울기 센서(12a)가 부착된 고정 플레이트(Plate)(11)를 고정홀(10)에 앵커 볼트(미도시)로 측정하고자 하는 구조물 위에 고정시켜 사용하며, 측정 케이블(13a)을 측면으로 인출하는 구조를 가지고 있다. 상기 도 1a는 한 지점, 즉 센서 고정 플레이트(11)의 크기 부위에 대한 기울기만을 측정하는 장치이다.

도 1b는 일정한 측정 길이(1m 이상의 크기)의 기울기를 측정하는 종래의 장치로서, 일정한 길이의 사각 빔 케이스(Beam Case: 14) 중앙부에 설치된 센서 뚜껑(15) 속에 기울기 센서(미도시)를 넣고 측정 케이블(13b)을 하단으로부터 인출하는 구조를 가지고 있다. 사각 빔 케이스(14)의 양단에는 고정 브래킷(Bracket)(17a,17b)이 부착되어 있고, 상기 브래킷에 구비된 각각의 고정홀(10a,10b)에 앵카 볼트를 체결함에 의해 사각 빔 케이스(14)를 측정하고자 하는 구조물에는 고정시킨다. 상기 기울기 측정 장치는 토목 구조물의 양단간 기울기를 측정하며 기울기 신호 출력은 전기 저항식으로 측정케이블(13b)로부터 전압 측정 지시계를 이용한 수동식 계측이나 자동 측정 장치로 자동 계측을 한다.

도 2는 종래의 지중 수평 기울기 측정 장치의 단면도로서, 토목 공사 현장의 땅속의 기울어짐(지중 수평 변위)을 자동으로 측정하는 장치이다.

종래의 지중 수평 기울기 측정 장치는 측정하고자 하는 지반(27)속에 경사 측정관(20)을 삽입하고, 상기 측정관(20) 속으로 일정한 간격의 다수의 기울기 센서(12b)를 삽입하여, 각각의 기울기 센서(12b)에서 나오는 기울기 신호를 측정케이블(13a,13b,13c)을 통하여 다중 채널의 멀티플렉서(Multiplexer: MUX)(25)에 연결하여 측정 로거(Logger)(26)에 의해 자동으로 측정한다.

상기 기울기 측정 장치는 경사 측정관(20)에 삽입하기 위한 바퀴(Wheel)(22), 상기 바퀴(22)를 고정하는 바퀴 뭉치(Wheel Assembly)(21), 기울기를 측정하는 기울기 센서(12b), 일정 간격을 유지하기 위한 센서 연장 튜브(Tube)(23), 센서가 기울어질 수 있는 유동성을 부여하기 위한 관절부(24)가 일렬로 결합된 단위 기울기 측정 모듈을 다수 포함하고 있다.

따라서 단위 기울기 측정 모듈 각각의 측정점의 기울기 변화를 측정하여 연속적인 그래프(Graph)를 그려보면 지중 수평 변위에 대한 추이를 감지할 수 있다.

또한, 종래의 지중 수평변위 측정 장치는 본 출원인에 의해 특허 등록된 장치로서 특허 제0291852호에 제안된 시리얼 통신을 이용한 경사 변위량 자동측정 장치 및 그 방법이 있으나, 이 측정 장치는 기울기 센서로서 종래의 전해액 센서, 전기 저항식 센서, 자기 저항센서, 가속도 센서를 사용하므로 부피가 크고 고가인 단점이 있다.

또한, 도 1a 및 도 1b에 도시된 판 형상의 고정 플레이트 또는 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 측정용으로 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, 도 2와 같은 종래의 지중 수평 기울기 측정 장치에 사용되는 기울기 센서, 즉 경사 센서는 소비전력이 커서, 기울기 센서와 함께 A/D 변환기, 시리얼 통신 모듈 및 시리얼 통신 제어를 위한 마이크로프로세서를 구비한 측정회로를 지중에 매입하여 사용하려면 별도의 대용량 밧데리 전원을 내장하여야 하는 문제가 있다. 그 결과, 대용량 밧데리 전원을 내장하여야 하는 문제는 제품의 크기를 콤팩트하게 구현할 수 없는 문제와 함께 지중에 매입된 경우 밧데리 수명이 다할 때마다 이를 교체하여야 하는 여러 가지 문제점이 있었다.

한편, 종래에는 각종 계측 데이터를 분산 설치된 다수의 측정 센서로부터 측정된 측정신호를 다수의 케이블을 이용하여 측정신호를 수집하거나 또는 측정신호를 아날로그/디지털(A/D) 변환한 후 2선로를 이용하여 멀티 포인트 모드를 지원하는 RS-485 통신방식에 의해 데이터 로거로 측정신호를 수집한 후 이를 원격지에 설치된 메인 컴퓨터까지 전송하는 데 주로 유선 데이터 통신방식을 이용하고 있다.

이러한 유선 데이터 통신방식은 용량이 많은 계측 데이터를 수집하거나 유선 통신망이 잘 구축되어 있는 현장에는 애로사항이 없으나, 교량, 댐, 간척 매립지나 험준한 산악지대와 같이 유선 통신망이 잘 구축되어 있지 못한 현장에는 무선 통신망을 사용하여 네트워크를 구축하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직한 것은 분산 설치된 다수의 측정 센서들 사이에 상호 연결용 케이블 또는 측정 센서와 데이터 로거 사이에 측정 케이블을 사용하지 않는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 측정 장치의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 반도체 타입의 소형 멤스 센서를 이용함으로써 센서 측정 자세를 쉽게 바꾸어 상/하 또는 좌/우 기울기 및/또는 회전 각도를 측정할 수 있도록 변위량 측정 장치의 외관을 회전이 용이한 원형으로 설계하고, 물의 유입을 차단할 수 있는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템과 그 방법을 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 변위량 측정 시스템과 그 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 변위 센서로서 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 타입의 멤스형(MEMS type) 센서를 사용함과 동시에 다축 방향의 물리적 변위량을 검출하도록 센서를 조합하여 사용함에 의해 토목/건축 구조물 및 지반이 어느 정도의 충격과 진동으로 기울어지고 회전되었는지를 알 수 있어, 토목/건축 구조물 및 지반의 자세 상태 측정이 이루어질 수 있는 변위량 측정 시스템과 그 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1특징에 따르면, 본 발명은 구조물 및 지중 수평 변위를 측정하기 위한 변위량 측정 시스템에 있어서, 미세 반도체 제작 기술로 집적화되어 피측정물의 물리적 변화 신호를 검출하기 위한 멤스형 변위 센서와, 상기 변위 센서의 물리적 변화 신호를 전압 신호로 변환하는 신호변환부와, 상기 신호변환부의 신호 전압을 물리적 변화에 따른 전압으로 출력하는 전압 출력부를 포함하며, 수동 지시계를 상기 전압 출력부에 연결하여 피측정물의 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템을 제공한다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 본 발명은 구조물 및 지중 수평 변위를 측정하기 위한 변위량 측정 시스템에 있어서, 미세 반도체 제작 기술로 집적화되어 피측정물의 물리적 변화 신호를 검출하기 위한 멤스형 변위 센서와, 상기 변위 센서의 물리적 변화 신호를 전압과 디지털 데이터로 변환하는 신호변환부와, 상기 신호 변환부의 디지털 신호를 변위량 값으로 변환하고 상기 센서의 고유 인식 번호를 갖고 유선통신 기능을 제어하는 제어부와, 상기 제어부에서 출력되는 디지털 측정 데이터를 시리얼 통신으로 입출력하는 시리얼 통신부와, 상기 시리얼 통신부로부터 시리얼 멀티 드롭 방식으로 데이터를 수집하는 측정 로거를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템을 제공한다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 본 발명은 구조물 및 지중 수평 변위를 측정하기 위한 변위량 측정 시스템에 있어서, 미세 반도체 제작 기술로 집적화되어 피측정물의 물리적 변화 신호를 검출하기 위한 멤스형 변위 센서와, 상기 변위 센서의 물리적 변화 신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호변환부와, 상기 신호 변환부의 디지털 신호를 변위량 값으로 변환하고 상기 센서의 고유 인식 번호를 갖고 무선통신 기능을 제어하는 제어부와, 상기 제어부에서 출력되는 디지털 측정 데이터를 지그비 방식으로 무선 입출력하는 무선 통신부와, 상기 무선 통신부를 통하여 지그비 통신 방식으로 데이터를 수집하는 로거를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템을 제공한다.

상기 멤스형(MEMS type) 변위 센서는 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 타입의 센서를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 멤스형(MEMS type) 변위 센서는 1축 내지 3축 센서 중 어느 하나를 사용할 수 있다.

더욱이, 본 발명은 적어도 상기 멤스형 변위 센서와 신호변환부를 내부에 내장하는 원통형 케이스와, 상기 케이스의 양단에 결합되며 적어도 어느 하나의 중앙부를 관통하여 안테나 또는 측정 케이블 인출용 구멍을 갖는 제1 및 제2 센서 캡을 더 포함하며, 상기 변위 센서가 내장된 케이스를 회전하여 고정함에 의해 측정방향 변환이 가능하다.

또한, 본 발명은 각각 피측정물에 고정되며 상기 제1 및 제2 센서 캡의 외주가 결합되어 고정되는 원형 구멍을 갖고 상기 변위 센서의 선택된 자세를 설정시키기 위한 제1 및 제2 지지 브래킷을 더 포함하며, 상기 변위 센서가 내장된 케이스를 제1 및 제2 지지 브래킷의 원형 구멍 내에서 회전하여 원하는 측정방향으로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제4특징에 따르면, 본 발명은 구조물 및 지중 변위를 측정하기 위한 무선 변위량 측정 시스템에 있어서, 각각 지그비 방식 무선 통신부를 구비하고 멤스형 변위 센서에 의해 검출된 피측정물의 변위를 디지털 데이터로 변환하여, 측정 데이터를 센서 고유 인식 번호(ID)를 갖고 지그비 통신으로 데이터 처리와 통신 경로 설정을 할 수 있는 다수의 센서 노드(Sensor Node)와, 상기 다수의 센서 노드 각각에 내장된 배터리에 의해 센서 노드에 전원을 공급하는 다수의 전원부와, 지그비 방식 무선 통신부를 구비하고 상기 다수의 센서 노드로부터 지그비 통신 방식으로 측정 데이터를 수집하도록 개별 센서 네트워크를 관리하는 싱크 노드(Sink Node)를 포함하며, 상기 다수의 센서 노드는 싱크 노드(Sink Node)로부터의 센서 네트워크 형성 임무 배포에 따라 형성된 최적화된 경로를 따라 계측 명령의 수신 및 측정 데이터의 중계 전송이 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 무선 변위량 측정 시스템을 제공한다.

상기 다수의 센서 노드(Sensor Node)는 각각, 미세 반도체 제작 기술로 집적화되어 피측정물의 물리적 변화 신호를 검출하기 위한 멤스형 변위 센서와, 상기 변위 센서의 물리적 변화 신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호변환부와, 상기 신호 변환부의 디지털 신호를 변위량 값으로 변환하고 상기 센서의 고유 인식 번호를 갖고 무선통신 기능을 제어하는 제어부와, 상기 제어부에서 출력되는 디지털 측정 데이터를 최적화된 경로로 설정된 가장 인접한 센서 노드 또는 싱크 노드로 지그비 방식으로 무선 입출력하는 무선 통신부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 싱크 노드(Sink Node)는 상기 다수의 센서 노드로부터 지그비 통신 방식으로 측정 데이터를 무선 입출력하는 무선 통신부와, 상기 무선 통신부를 통하여 다수의 센서 노드로부터 지그비 통신 방식으로 데이터를 수집하여 수집된 데이터를 무선 CDMA 모뎀을 통하여 서버에 전송하는 로거를 포함할 수 있다.

본 발명의 제5특징에 따르면, 본 발명은 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 이용하여 구조물 및 지중 변위를 측정하기 위한 무선 변위량 측정 방법에 있어서, 싱크 노드(Sink Node)의 역할을 하는 로거로부터의 센서 네트워크 형성 임무 배포에 따라 다수의 피측정물에 분산 배치된 다수의 센서 노드를 지그비 통신으로 최적화 통신 경로 설정하여 센서 네트워크를 구성하는 단계와, 상기 로거로부터의 계측 명령에 따라 상기 센서 노드에 구비된 변위센서로부터 측정된 측정 데이터를 상기 최적화 통신 경로를 따라 지정된 네트워크로 센서 측정 데이터를 중계 전송하여 취합하는 단계와, 상기 수집된 측정 데이터를 무선 CDMA 모뎀을 통하여 인터넷망에 연결된 서버에 전송하는 단계와, 상기 인터넷망을 통하여 서버로부터 측정 정보를 공유하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 이용한 무선 변위량 측정 방법을 제공한다.

상기 다수의 피측정물에 분산 배치된 다수의 센서 노드는 토목/건축 구조물의 변위에 대응하는 변위 신호를 발생하는 다수의 구조물 변위량 측정장치와 지중에 삽입 설치되며 지중 수평 변위에 대응하는 변위 신호를 발생하는 다수의 지중 변위 센서모듈 중 적어도 2 이상 포함할 수 있다.

본 발명의 상기 측정 장치의 유무선 출력 방식을 보면, 유선으로 연결된 전압 출력부에서는 물리적 변위에 따른 아날로그 신호가 출력되므로 수동 지시계로 기울기 등의 측정이 가능하고, 유선 통신은 시리얼 통신부에서는 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.

상기의 무선 통신은 근거리 무선 통신 방식인 지그비(Zigbee)로 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 변위량 측정 장치는 센서에 고유 인식 번호를 입력하여 실시간 관리하는 유비쿼터스 센서 네트워크(USN; Ubiquitous Sensor Network)로 구성할 수가 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템은 반도체 형태의 센서를 사용하므로 초소형, 초경량, 초저가의 장치가 가능하고, 작은 원형케이스에 센서를 내장하여 손쉽게 다양한 방향의 물리적 변위량을 측정할 수 있으며, 일정한 측정 길이의 변위도 측정 가능하고, 간단하게 롤러를 부착하여 지중 수평 변위도 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 1a는 종래의 토목 구조물의 한 지점 기울기 측정 장치의 사시도,
도 1b는 종래의 토목 구조물의 양단간 기울기 측정 장치의 사시도,
도 2는 종래의 지중 수평 기울기 측정 장치의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 장치를 토목 구조물의 경사측정용으로 응용한 구조를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 장치를 지중 변위 측정용으로 응용한 지중 수평 변위량 측정 장치의 설치 상태 단면도,
도 5는 본 발명의 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템을 설명하기 위한 개략 블록도,
도 6은 본 발명에 따른 지그비(Zigbee) 기반 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 사용하여 변위량 측정 시스템의 무선 계측망을 구현한 개략 구성도,
도 7은 도 3에 도시된 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 장치의 본체 단면도,
도 8은 도 3에 도시된 구조물 변위량 측정 장치의 고정 브래킷 사시도,
도 9a 내지 도 9c는 각각 도 7에 도시된 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 장치에 연장 로드를 부가하여 길이를 연장하는 다양한 실시예에 대한 단면도,
도 10a 및 도 10b는 각각 도 4에 도시된 지중 수평 변위량 측정 장치에 사용되는 롤러 뭉치의 사시도 및 단면도,
도 10c는 도 9c의 구조에 관절과 롤러 뭉치를 결합시켜 도 4에 도시된 지중 수평 변위량 측정 장치의 수평 변위 센서모듈을 구현한 단면도,
도 10d는 수평 변위량 측정 장치의 센서 캡과 롤러가 일체화된 롤러 일체형 센서 캡을 나타내는 단면도,
도 11은 본 발명에 따른 지그비(Zigbee) 기반 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 이용한 변위량 측정 시스템의 무선 계측방법을 나타낸 흐름도이다.

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

도 3은 본 발명에 따른 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 장치를 토목 구조물의 경사측정용으로 응용한 구조를 나타낸 사시도, 도 7은 도 3에 도시된 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 장치의 본체 단면도, 도 8은 도 3에 도시된 구조물 변위량 측정 장치의 고정 브래킷 사시도이다.

도 3, 도 7 및 도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 멤스 센서를 이용한 구조물의 변위량 측정 장치(100)는 멤스형 변위 센서(50)가 내부에 내장된 센서 본체(34)와, 상기 센서 본체(34)를 예를 들어, 토목 구조물 또는 건축 구조물이나 대형 기계장치에 고정시키기 위해 센서 본체(34)의 양 단부에 결합된 제1 및 제2 고정 브래킷(Bracket)(31a,31b)으로 이루어진다.

상기 변위량 측정 장치(100)의 센서 본체(34)는 도 7과 같이 원형 케이스(70)의 중앙에 변위 센서(50)가 내장되고, 상기 변위 센서(50)의 좌/우측에는 물의 유입을 차단할 수 있는 제1 및 제2 방수 몰딩부(75a,75b)가 배치되어 있으며, 원형 케이스(70)의 양 단부에는 각각 길이방향을 따라 케이블 출구(72a,72b)가 관통 형성되어 있으며 외주부에 방수용 오링(74a,74b)이 형성된 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)이 결합된 구조를 가지고 있으며, 원형 케이스(70)의 양 단부와 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)에 형성된 고정볼트홀(76a,76b)에 고정볼트를 체결하여 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)을 케이스(70)에 고정시킨다.

상기 센서 본체(34)는 변위 센서(50)의 좌/우측에 제1 및 제2 방수 몰딩부(75a,75b)가 배치되어 1차적인 방수가 이루어지며, 또한 원형 케이스(70)와 제1 및 제2 센서캡(71a,71b) 사이에는 각각 방수용 오링(74a,74b)이 삽입되어 있어 2차적인 방수가 이루어지므로, 도 1a 및 도 1b에 도시된 종래의 기울기 측정 장치와 비교할 때 전체적으로 매우 작은 크기로 방수 구조를 구현할 수 있게 된다.

예를 들어, 종래의 경사센서를 사용하여 구현하는 경우 센서 본체의 직경이 50mm의 크기를 가지나, 후술하는 멤스형 변위 센서를 사용하는 경우 15mm의 소형화된 크기로 구현될 수 있다.

상기 변위량 측정 장치(100)의 센서 본체(34)로부터 출력되는 측정케이블(30a,30b)은 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)의 케이블 출구(72a,72b)를 통하여 좌우 혹은 어느 한 방향으로 나오도록 배선하여 다수의 변위 센서(50)와 연결된다.

그러나, 도 5 및 도 6과 같이 변위량 측정 장치(100)가 무선 계측망을 구성하는 경우 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)의 케이블 출구(72a,72b)는 무선 안테나 출구로 사용된다.

이 경우, 상기 변위 센서(50)는 멤스(Micro Electro Mechanical Systems)형 센서로서 예를 들어, 특허 제408819호 또는 공개특허 제2008-69912호에 제안된 것과 같이 기존의 반도체 제작 기술을 응용하여 마이크로 단위의 전자 기계 기술로 이루어진 센서를 말한다.

기울기 센서(Inclinometer)는 피측정물의 기울기를 측정하고, 가속도 센서(Accelerometer)는 충격 진동을 측정하며, 자이로(GYRO) 센서는 회전각 측정할 수 있다.

본 발명의 변위 센서(50)는 미세 반도체 타입의 멤스형 센서를 적용한 것으로, 기울기 센서(Inclinometer), 가속도 센서(Accelerometer) 및 자이로(GYRO) 센서 중 적어도 어느 하나의 센서를 포함하고 있는 것을 채용함에 의해 동일 센서 칩(Chip) 내에 지구 중심축 방향을 기준으로 기울기, 가속도, 자이로 측정기능의 혼용이 가능하다.

상기 3가지 기능을 혼용한 변위 센서(50)에서 기울기 센서는 경사 측정, 가속도 센서는 충격과 진동 측정, 자이로 센서는 회전각을 측정하므로, 각각의 하나의 상태만을 측정할 수도 있고, 2개 이상의 센서를 조합하여 토목/건축 구조물 및 지반이 어느 정도의 충격과 진동으로 기울어지고 회전되었는지를 알 수 있어 토목/건축 구조물 및 지반의 자세 상태 측정(Motion and Position Measurements)이 가능하다.

상기 가속도 센서와 기울기 센서가 2축으로 배열된 멤스형 변위 센서로는 예를 들어, MEMSIC INC.의 모델번호 MXD6125를 적용할 수 있다. 상기한 멤스형 변위 센서는 예를 들어, 5.0x5.0x1.55mm의 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.

상기한 바와 같이 변위 센서(50)는 다양한 조합의 센서를 사용할 수 있으나,

이하의 설명에서는 설명의 편의상 변위 센서(50)는 다양한 조합의 센서 중에서 대표적인 기울기 센서를 사용한 것을 예를 들어 설명한다.

더욱이, 본 발명의 상기 변위량 측정 장치의 변위센서 중 기울기 센서로는 일반적인 보편화된 경사센서의 적용도 가능하다.

상기 멤스 센서는 일반적으로 크기가 작고 소비전력이 작기 때문에 변위 센서(50) 또한 초소형 저소비 전력이 가능해졌다. 또한, 비용적인 측면에서도 멤스 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 멤스 변위 센서(50)를 비롯한 신호 변환부 등 주변 회로를 하나의 반도체(One Chip)로 제작하는 것도 가능하다.

상기 제1 및 제2 고정 브래킷(31a,31b)은 도 8과 같이 상기 센서 본체(34)를 피측정물에 부착하기 위해 1단 절곡된 "ㄴ"자 형상으로 이루어지고, 수직면에는 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)의 양 끝단이 결합되는 제1 및 제2 센서 회전홀(80a,80b)이 관통 형성되며, 바닥면(부착면)에는 피측정물에 센서 본체(34)를 부착 시에 앵카 볼트 구멍이 일정간격으로 뚫려 있지 않아도 설치가 용이하도록, 일단의 제1 고정 브래킷(31a)에는 길이방향과 직교하는 방향으로 개방된 제1 장홀(32a)이 형성되고, 타단의 제2 고정 브래킷(31b)에는 길이방향을 따라 개방된 제2 장홀(32b)이 형성되어 있다.

상기 제1 및 제2 고정 브래킷(31a,31b)에는 센서를 고정시키기 위한 센서 고정볼트홀(33a,33b)이 수직면의 상부로부터 제1 및 제2 센서 회전홀(80a,80b)로 형성되어 있다.

상기 변위 센서(50)의 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)의 양 끝단을 센서 회전홀(80a,80b)에 삽입하고 회전하여 측정하고자 하는 기울기 방향을 맞춘다. 그 후, 제1 및 제2 브래킷(31a,31b)은 센서 고정볼트홀(33a,33b)에 고정볼트(미도시)를 체결하여 센서 본체(34)를 고정하고, 제1 고정 브래킷(31a)의 개방된 제1 장홀(32a)과 제2 고정 브래킷(31b)의 개방된 제2 장홀(32b)에 앵커 볼트를 이용하여 피측정 구조물에 센서 본체(34)를 고정시킨다.

이 경우, 본 발명에서는 제1 장홀(32a)이 길이방향과 직교하는 방향으로 개방되어 있고, 제2 장홀(32b)이 길이방향을 따라 개방되어 있기 때문에 앵카 볼트 구멍이 일정간격으로 뚫려 있지 않아도 설치가 용이한 이점이 있다.

본 발명의 상기 변위량 측정 장치에서는 변위 센서(50)가 기울기 센서인 경우 센서 본체(34)의 원형 케이스(70)를 제1 및 제2 브래킷(31a,31b)의 센서 회전홀(80a,80b)에서 측정하고자 하는 기울기 측정 자세로 측정 장치의 센서 본체(34)를 회전시킴에 의해 다양한 각도의 방향을 측정할 수 있다.

즉, 본 발명의 변위량 측정 장치(100)에서 다양한 측정 각도의 예를 보면, 최초 피측정 구조물의 측정 방향이 도 3의 좌우 측정 방향(29a)이었다면, 센서 고정볼트홀(33a,33b)에 고정된 고정 볼트(미 도시)를 풀고 센서 본체(34)를 90도 회전시켜 재 고정시키면 간단하게 도 3의 상하 측정방향(29b)으로 바꾸게 되어 상하 방향 계측이 가능하다. 상기한 측정방향 이외의 각도도 센서 본체(34)의 360도 회전이 가능하므로 다양한 측정 자세를 만들 수 있다.

그러나, 만약 변위 센서(50)가 2축 센서인 경우 센서 본체(34)를 회전시켜서 재 고정시키는 과정 없이도 다른 방향의 계측이 가능한 이점이 있다.

도 9a 내지 도 9c는 각각 도 7에 도시된 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 장치에 연장 로드를 부가하여 길이를 연장하는 다양한 실시예를 나타낸다.

도 9a에 도시된 제1 실시예에 따른 변위량 측정 장치(100a)는 센서 본체(34)를 중앙에 위치하고, 좌우에 대칭적으로 제1 및 제2 연장 로드(90a,90b)를 상기 변위 센서(50) 양단의 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)에 끼워 연결하고 고정 볼트홀(73a,73b)에 고정 볼트(미도시)로 고정하는 구조이다. 그 후, 상기 제1 및 제2 연장 로드(90a,90b)의 양 끝단을 도 8에 도시된 상기 제1 및 제2 고정 브래킷(31a,31b)의 센서 회전홀(80a,80b)에 끼워서 고정시키면 일정한 길이를 갖는 변위량 측정 장치가 구성된다.

도 9b에 도시된 제2 실시예에 따른 변위량 측정 장치(100b)는 센서 본체(34)에서 측정 케이스(70)의 좌우에 제3 및 제4 연장 로드(91a,91b)를 먼저 연결하고, 상기 제3 및 제4 연장 로드(91a,91b)에 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)을 연결하여 연장한 후, 상기 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)을 제1 및 제2 고정 브래킷(31a,31b)에 끼워서 고정하면 일정한 길이를 갖는 변위량 측정 장치가 구성된다.

도 9c에 도시된 제3 실시예에 따른 변위량 측정 장치(100c)는 센서 본체(34)에 한 방향으로만 연장 로드(37)를 연결하여 연장한 후, 연장된 양단을 제1 및 제2 브래킷(31a,31b)에 끼워서 고정하면 일정한 길이를 갖는 변위량 측정 장치가 구성된다.

이하에 상기한 도 9c에 도시된 제3 실시예에 따른 변위량 측정 장치(100c)를 이용하여 도 4에 도시된 본 발명에 따른 지중 수평 변위량 측정 장치를 구성하는 방법에 대하여 도 10a 내지 도 10d를 참고하여 설명한다.

도 10a 및 도 10b는 각각 도 4에 도시된 지중 수평 변위량 측정 장치에 사용되는 롤러 뭉치의 사시도 및 단면도이고, 도 10c는 도 9c의 구조에 관절 연결부와 롤러 뭉치를 결합시켜 도 4에 도시된 지중 수평 변위량 측정 장치의 수평 변위 센서모듈을 구현한 단면도, 도 10d는 수평 변위량 측정 장치의 센서 캡과 롤러가 일체화된 롤러 일체형 센서 캡을 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 장치를 지중 경사 측정용으로 응용한 지중 수평 변위량 측정 장치의 설치 상태 단면도이다.

도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 지중 수평 변위량 측정 장치(200)는 토목 공사 현장의 지반이 기울어짐을 측정하기 위한 것으로, 땅속(지중)(27)을 천공하여 삽입된 경사 측정관(20)에 각각 센서 본체(34a,34b,34c)를 포함하는 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)이 삽입되어 있다.

상기 지중 수평 변위량 측정 장치(200)는 상호 연결된 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)을 포함하며, 수평 변위 센서모듈(200a-200c) 각각은 지중 변위, 예를 들어 기울기 등을 감지하는 변위 센서(50)를 내장하는 다수의 센서 본체(34a-34c)와, 상기 센서 본체(34a)를 일정 길이로 연장하도록 센서 본체(34a-34c)에 결합된 다수의 연장로드(37a-37c)와, 일정한 길이를 갖는 센서모듈(200a-200c)이 각각 기울어질 수 있게 상기 연장로드(37)의 타단과 센서 본체(34a-34c)의 하단 사이에 설치되어 각 모듈을 연결하는 다수의 관절 연결부(36a-36c)와, 각각 상기 다수의 센서 본체(34a-34c)의 몸통 하단에 부착되어 센서 본체(34a-34c)를 경사 측정관(20)에 마찰 없이 삽입하기 위한 다수의 롤러 뭉치(35a-35c)를 포함하고 있다.

이하에 상기 수평 변위 센서모듈(200a-200c)의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

도 10a는 롤러 뭉치(35)의 사시도이고, 도 10b는 롤러 뭉치(35)의 단면도이다.

도 10a를 참고하면, 롤러 뭉치(35)는 중앙부에 센서 본체(34)가 삽입되는 관통구멍(45a)을 구비한 링형 몸체(45)와, 링형 몸체(45)의 대향한 양단부에 설치되는 고정 롤러(40a)와 유동 롤러(40b)를 포함하고 있다.

도 10b를 참고하면, 상기 고정 롤러(40a)는 상기 롤러 뭉치(35)의 링형 몸체(45)에 형성된 요홈에 삽입된 후 롤러 고정 볼트(42a)에 의해 링형 몸체(45)에 고정되고, 유동 롤러(40b)는 상기 롤러 뭉치(35)의 링형 몸체(45)에 형성된 요홈에 탄성 스프링(44)이 삽입된 상태에서 요홈에 삽입된 후 롤러 고정 볼트(42b)가 상기 유동 롤러(40b)의 볼트 장홀(43)에 끼워져서, 내부에 삽입된 탄성 스프링(44)에 의해 유동 롤러(40b)가 탄성적으로 밖으로 밀리도록 구성되어 있다.

상기 유동 롤러(40b)는 경사 측정관(20)에 상기 수평 변위 센서모듈(200a-200c)을 삽입할 때 탄성을 주어 경사 측정관(20)에 밀착시키기 위함이다.

상기 롤러 뭉치(35)는 도 10c와 같이, 링형 몸체(45)의 관통구멍(45a)에 센서 본체(34)를 삽입하고 센서 고정홀(41)에 고정 볼트(미도시)로 고정시키면 롤러 뭉치(35)와 센서 본체(34) 사이의 조립이 이루어진다.

도 10c는 도 9c의 구조에 관절 연결부와 롤러 뭉치(35)를 결합시켜 도 4에 도시된 지중 수평 변위량 측정 장치(200)의 수평 변위 센서모듈(200d)을 구현한 단면도이다.

상기 수평 변위 센서모듈(200d)은 변위 센서(50)를 내장하고 있는 센서 본체(34)의 양단부에 제1 및 제2 센서캡(71a,71b)이 결합되고, 제1 센서캡(71a)의 단부에는 연장로드(37)가 결합 고정되며, 제2 센서캡(71b)의 단부에는 롤러 뭉치(35)가 결합 고정되어 있고, 또한, 연장로드(37)의 타단 또는 제2 센서캡(71b)의 단부에는 관절 연결부(36)가 결합되어 있다.

이하에 인접된 센서모듈(200a-200c)을 연결하는 관절 연결부(36)의 구조에 대하여 상세히 설명한다.

상기 관절 연결부(36)는 인접된 센서모듈(200a-200c)을 연결하기 위하여 연장로드(37)의 타단과 제2 센서캡(71b)의 단부 사이에 삽입되어 센서모듈(200a-200c)이 각각 기울어질 수 있게 연결하여 사용된다.

이를 위해 상기 관절 연결부(36)는 원통형 연장로드(37)의 타단에 다수의 고정나사(49)에 의해 고정되며, 중앙 내주부에 암나사산이 형성된 관통구멍(48a)이 뚫려져 있는 축고정부(48)와, 상기 축고정부(48)의 관통구멍(48a)에 일단이 나사 결합되도록 외주면에 숫나사산이 형성되고, 중앙부에 측정 케이블(30)이 통과할 수 있는 관통구멍(46b)이 형성되며, 타단이 반구형상으로 확장되어 연장 형성된 지지축(46)과, 고정 볼트홀(47b)에 고정나사를 체결함에 의해 일단이 상측에 배치된 센서모듈의 제2 센서캡(71b)에 고정되며(도시되지 않음), 내주부(47a)가 상기 지지축(46)의 반구형 확장부(46b) 외경보다 다소 더 큰 내경을 갖고 타단이 반구형 확장부(46b)와 축고정부(48)의 선단부 사이에 결합되어 회전 및 유동 가능하게 지지되는 관절 캡(47)을 포함하고 있다.

상기와 같이 본 발명에서는 인접된 센서모듈(200a-200c)을 연결하기 위하여 연장로드(37)의 타단과 제2 센서캡(71b)의 단부 사이에 관절 연결부(36)가 삽입되어 있어, 센서모듈(200a-200c)이 관절 연결부(36)의 지지축(46)을 중심으로 회전되거나 각각 기울어질 수 있다.

상기한 도 10c에 도시된 수평 변위 센서모듈(200d)은 제2 센서캡(71b)과 롤러 뭉치(35)가 분리형으로 제작되어 조립된 것이나, 본 발명은 도 10d에 도시된 바와 같이 센서 캡과 롤러를 일체화시킨 구조를 채택하는 것도 가능하다.

도 10d를 참고하면, 센서 캡과 롤러가 일체화된 롤러 일체형 센서 캡을 나타내는 단면도이다.

상기 롤러 일체형 센서 캡(35d)은 수평 변위 센서모듈(200d)의 하측에 배치되는 제2 센서캡(71b)에 고정 롤러(40a)와 유동 롤러(40b)를 결합시켜 간편하게 하나의 장치로 구현한 것이다.

상기 고정 롤러(40a)는 상기 제2 센서캡(71b)에 형성된 요홈에 삽입된 후 롤러 고정 볼트(42a)에 의해 고정되고, 유동 롤러(40b)는 상기 제2 센서캡(71b)에 형성된 요홈에 탄성 스프링(44)이 삽입된 상태에서 요홈에 삽입된 후 롤러 고정 볼트(42b)가 상기 유동 롤러(40b)의 볼트 장홀(43)에 끼워져서, 내부에 삽입된 탄성 스프링(44)에 의해 유동 롤러(40b)가 탄성적으로 밖으로 밀리도록 구성되어 있다.

상기 제2 센서캡(71b)은 도 7에 도시된 것과 동일하게 중앙에는 케이블 출구(72b)가 관통 형성되어 있고, 상단의 외주부에는 원형 케이스(70)와 고정 볼트(미도시)에 의해 결합하도록 고정볼트홀(76b)이 형성되며, 방수를 위해 방수용 오링(74b)이 배치되어 있고, 하단의 외주부에는 상기 관절 연결부(36)의 관절 캡(47)과 결합 고정시에 이용되는 고정 볼트홀(73b)이 형성되어 있다.

본 발명에서는 도 10c에 도시된 수평 변위 센서모듈(200d)에서 제2 센서캡(71b)과 롤러 뭉치(35) 대신에 상기 롤러 일체형 센서 캡(35d)으로 대체하여 구성하는 것도 가능하다.

이하에 도 10c에 도시된 수평 변위 센서모듈(200d)을 다수개 이용하여 구성되는 본 발명에 따른 지중 수평 변위량 측정 장치(200)를 도 4를 참고하여 설명한다.

도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 지중 수평 변위량 측정 장치(200)는 토목 공사 현장의 지반의 변위를 측정하기 위한 것으로, 우선 경사 측정관(20)을 땅속(지중)(27)에 천공하여 삽입하고, 각각 센서 본체(34a,34b,34c)를 포함하는 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)을 상호 연결한 상태에서 상기 측정관(20) 속으로 넣어서 설치한다.

상기 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)은 각각 상기 다수의 센서 본체(34a-34c)의 몸통 하단에 다수의 롤러 뭉치(35a-35c)를 포함하고 있어 센서 본체(34a-34c)를 경사 측정관(20) 내부로 굴려 넣음에 의해 마찰 없이 쉽게 삽입될 수 있다.

이 경우, 다수의 센서 본체(34a,34b,34c) 사이에는 2쌍의 배선(통신용 2선, 전원용 2선)이 하나의 케이블에 내장된 측정 케이블(30)에 병렬 접속시키고, 측정 케이블(30)의 상측은 지상에 배치된 측정 로거(logger)(38)에 연결한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지중 수평 변위량 측정 장치(200)는 토목 공사 현장의 지중(27)이 예를 들어, 수평으로 기울어지면 상기 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)은 관절 연결부(36a-36c) 부분이 기울어질 수 있는 구조를 가지고 연결되어 있으므로 경사 측정관(20)도 부분적으로 기울어지는 부분이 발생하게 된다.

이에 따라 경사 측정관(20) 속의 다수의 센서 본체(34a,34b,34c), 즉 변위 센서(50)가 지중 변위를 감지하여 지중 변위를 측정 케이블(30)을 통하여 시리얼 통신으로 측정 로거(38)로 전달한다.

상기한 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)에 대하여 유선 계측 시스템을 구성하는 경우 측정 로거(logger)(38)는 예를 들어, RS-485통신 방식에서 지원하는 시리얼 통신의 멀티 드롭(Multi Drop) 방식으로 각각의 센서 본체(34a,34b,34c)가 감지한 지중 변위를 측정 케이블(30)을 통하여 수신한다.

상기한 도 4에 도시된 지중 수평 변위량 측정 장치(200)에서는 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)이 각각 다수의 센서 본체(34a-34c)의 몸통 하단에 다수의 롤러 뭉치(35a-35c)를 포함하고 마찰 없이 쉽게 센서 본체(34a-34c)를 경사 측정관(20) 내부로 굴려 넣을 수 있는 구조를 제시하고 있다. 상기 수평 변위 센서모듈(200a-200c)이 각각 다수의 롤러 뭉치(35a-35c)를 구비하는 실질적인 이유는 토목공사 현장의 공사가 완료되면 경사 측정관(20)에 삽입시켜 놓았던 수평 변위 센서모듈(200a-200c)을 장비를 사용하여 회수한 후 이를 다른 공사 현장에 재사용하기 위한 것이었다.

그러나, 상기한 바와 같이 수평 변위 센서모듈(200a-200c)을 구성하는 센서 본체(34)의 변위 센서(50)를 멤스형 센서를 이용하여 구현하면 장비를 사용하여 수평 변위 센서모듈(200a-200c)을 회수하는 비용보다 더 저렴하게 제작하는 것이 가능하게 된다.

따라서, 이와 같이 수평 변위 센서모듈(200a-200c)의 회수를 목적으로 하지 않는 경우, 본 발명에서는 경사 측정관(20)을 사용하지 않고, 또한 다수의 센서 본체(34a-34c)의 몸통 하단에 다수의 롤러 뭉치(35a-35c)를 구비하지 않고 저렴한 비용으로 계측이 필요한 지중에 각단마다 관절 연결부(36a-36c)를 갖는 수평 변위 센서모듈(200a-200c)을 매입 설치하는 것도 가능하다.

이와 같이 경사 측정관(20)을 사용하지 않고 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)을 지중에 매입하여 사용하는 경우 지중의 변위가 발생하는 부위에 더욱 민감하게 다수의 센서 본체(34a-34c) 중 해당 센서 본체의 변위가 발생하여 각 단마다 보다 정밀한 변위 측정신호가 발생하게 된다.

이하에 도 5를 참고하여 도 4에 도시된 지중 수평 변위량 측정 장치(200)를 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템을 설명하기 위한 개략 블록도로서, 본 발명의 변위량 측정 시스템은 크게 센서 본체(34), 유선 계측부(51) 및 무선 계측부(52)를 포함한다.

상기 센서 본체(34)는 변위 센서(50), 신호변환부(54) 및 제어부(55)로 구성된다. 상기 변위 센서(50)는 미세 반도체 제작 기술로 실리콘 기판위에 기계부품과 전자회로를 집적한 멤스(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) 센서로서, 상기 변위 센서(50)를 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 신호변환부(54)로 전달된다.

신호변환부(54)에서는 전달된 기울기 신호를 전압으로 바꾸어 유선 계측부(51)의 전압 출력부(57)로 출력하거나 또는 상기 기울기 신호 전압을 A/D변환(Analog to Digital Conversion)하여 디지털 값으로 제어부(55)에 전달한다.

상기 유선 계측부(51)의 전압 출력부(57)로 계측된 아날로그 전압을 출력하는 경우 수동 지시계(전압계,Voltmeter)를 사용하여 기울기 값을 측정할 수가 있다.

또한, 상기 제어부(55)는 전달된 디지털 값을 기울기 데이터로 변환하고, 센서의 고유인식 주소(ID)를 생성하여 유/무선 통신제어를 한다.

상기 제어부(55)에 전달된 디지털 측정 데이터는 유선 계측 시에는 외부 전원부(56)로부터 전원(DC 12V)을 공급받아 상기 디지털 측정 데이터를 시리얼 통신방식(RS-485, RS-422)으로 측정 로거(38, 도 4 참고)에 전송한다.

또한, 상기 제어부(55)는 무선 계측 시에 내장된 배터리 전원부(59)로부터 전원공급을 받아서 무선 통신부(60)로 전달되어 측정 로거(도 6의 38)에 전달된다. 무선 통신부(60)의 무선통신방식은 예를 들면, 지그비(Zigbee)를 사용할 수 있다. 이에 대하여는 도 6을 참고하여 상세하게 설명한다.

상기 전원부(56,59)의 전원공급방식과 유/무선 통신방식은 토목 현장 여건에 따라 사용방식이 혼용되거나 일부만 선택적으로 구분되어 사용될 수가 있다.

한편, 도 4에 도시된 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c)의 다수의 센서 본체(34a,34b,34c)를 단일 측정 케이블을 사용하여 연결하는 방식은 다수의 센서 본체(34a,34b,34c)로부터 기울기 측정신호를 시리얼통신의 멀티 드롭(Multi Drop)방식으로 측정 로거(38)로 수집할 때, 본 출원인이 제안한 특허 제0291852호의 시리얼통신을 이용한 경사 변위량 자동 측정 장치 및 그 방법과 특허 제0708781호 토목 구조물 및 지중 변위 측정 장치를 이용할 수 있으며, 이 방법을 이용하면 기울기 센서수와 측정 거리의 제한 없이 디지털 방식으로 계측할 수 있고, 또한 계측 효율을 더 높일 수 가 있다.

상기 특허 제0291852호에 제안된 시리얼통신방식을 채용하는 경우 시리얼통신부(58)에서 나오는 두 개의 통신선을 측정 케이블(30)에 병렬 접속함에 의해 간단하게 선로를 구성하며, RS-485통신 방식을 채택하면 통달 거리도 수 킬로미터에 달한다. RS-485통신 방식은 하나의 케이블에 다수 개의 장치(Device)를 연결해 놓고, 각각의 장치마다 고유의 ID 주소(Address)를 부여한 뒤에, 호스트(Host)에서 원하는 장치와 송수신할 수 있는 멀티 드롭 모드(Multi Drop)방식을 지원한다.

따라서, RS-485통신 방식의 시리얼 통신에 의한 기울기 변위량 자동 측정은 측정 로거(38)에서 시리얼 통신 프로토콜 방법으로 다수의 수평 변위 센서모듈(200a-200c) 각각의 센서 본체(34a,34b,34c)로 변위 센서(50)에 의한 기울기 변위량 계측과 A/D 변환 작업을 지시하면, 시리얼 통신선, 즉 측정 케이블(30)을 항시 감시 대기하고 있는 센서 본체(34a,34b,34c)에 구비된 제어부(55)가 시리얼 통신부(58)를 통하여 자기 자신의 ID 주소가 호출된 것을 인지한다.

호출된 제어부(55)는 신호변환부(54)를 제어하여 변위 센서(50)에 의해 계측된 기울기 변위량을 A/D 변환하고, 그 변환된 디지털 데이타를 시리얼 통신 방법으로 시리얼 통신부(58)를 통하여 측정 로거(38)로 전달한다.

상기 측정 로거(38)는 시리얼 통신 방법으로 수집된 계측 데이터를 저장하고, 표시판에 측정 시간과 저장된 상태 등의 정보를 표시하거나, 도 6에 도시된 바와 같이 무선 CDMA 모뎀(39)을 통하여 인터넷망(61)에 접속된 서버(62), 즉 메인 컴퓨터로 수집된 데이터를 전송하면, 전송 받은 메인 컴퓨터에서 데이터를 분석하여 도표화 및 정보화한다. 그 결과 다수의 안전재해 담당자들은 필요한 때 인터넷망(61)을 통하여 서버(62)에 접속함에 의해 계측 데이터를 공유할 수 있어 토목 안전 재해 예방시스템을 구축할 수 있다.

상기한 도 5의 설명에서는 변위 센서(50)가 기울기 센서인 경우를 예를 들어, 설명하였으나, 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 2가지 이상의 기능을 혼용한 변위 센서(50)를 사용하는 경우 경사 측정, 충격과 진동 측정, 회전각 측정이 이루어질 수 있으므로, 2개 이상의 센서를 조합하여 피측정물의 변위 신호를 데이터 처리함에 의해 토목/건축 구조물 및 지반이 어느 정도의 충격과 진동으로 기울어지고 회전되었는지를 알 수 있어, 그 결과 토목/건축 구조물 및 지반의 자세 상태 측정이 이루어질 수 있다.

더욱이, 센서 본체(34)와 유/무선계측부(51,52)는 반도체 제조 기술에 의하여 1칩의 ASIC(注文型半導體, Application Specific Integrated Circuit)으로 제작할 수가 있으므로, 크기가 작은 초경량 초소형 반도체로 전체를 디자인할 수가 있다.

도 6은 본 발명에 따른 지그비(Zigbee) 기반 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 사용하여 변위량 측정 시스템의 무선 계측망을 구현한 개략 구성도이다.

본 발명은 도 5와 같이 변위 센서(50)로서 저소비 전력의 멤스형 변위 센서를 사용함으로 인하여, 상기 센서 계측과 무선 지그비 통신을 내장형 밧데리 전원부(59)만으로 작동이 되는 초소형, 초경량, 초저가형 센서가 구현 가능하다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 다수의 센서 본체(34a-34e)는 도 5와 같이 각각 지그비 방식의 무선 통신부(60)를 구비함에 의해 지그비 통신으로 데이터 처리와 통신 경로 설정을 할 수 있는 센서 노드(Sensor Node)를 구성할 수가 있고, 측정 로거(38) 또한 지그비 방식의 무선 통신부(38a)를 구비함에 의해 개별 센서 네트워크를 관리하는 싱크 노드(Sink Node)의 역할을 수행하며, 또한 측정 로거(38)는 센서 측정 데이터를 취합하고 수집된 데이터를 무선 CDMA 모뎀(39)을 통하여 인터넷망(61)에 접속된 서버(62)에 전송하는 역할을 수행할 수 있다.

상기 무선 통신부(60,38a) 사이에는 2.4GHz의 주파수 대역, 250Kbps의 데이터 전송속도, QPSK 변조방식을 취하는 지그비(Zigbee) 방식의 무선통신이 이루어진다.

지그비 방식의 무선 통신은 본 발명과 같이 데이터의 전송 속도와 전송할 데이터 용량이 적은 경우에 적합하며, 상호간에 반경 10-75m 정도의 송달거리를 가지고 255개의 센서 사이에 센서 네트워크를 구성할 수 있어 편리하며, AA형 배터리 2개를 사용하여 몇 년을 버티는 것이 가능한 저전력, 초소형, 저가격을 실현할 수 있다.

따라서, 도 6에서 지중(27)에 매설된 경사 측정관(20)에 삽입된 다수의 센서 본체(34c-34e)는 각각 통신 경로 설정을 할 수 있는 센서 노드(Sensor Node)로서 이루어져 있기 때문에 다수의 센서 본체(34c-34e) 사이에는 별도의 통신 케이블로 연결되지 않는다. 그 결과, 도 6에 도시된 변위량 측정 시스템의 무선 계측망은 지그비 세트의 무선 통신부(60,38a)와 무선 CDMA 모뎀(39) 및 서버(62)가 접속되는 인터넷망(61)을 활용하여 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 구성이 가능하다.

이하에 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 지그비(Zigbee) 기반 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 이용한 변위량 측정 시스템의 무선 계측에 대하여 도 11을 참고하여 설명한다.

우선, 싱크 노드를 형성하는 측정 로거(38)는 전원이 인가될 때 리셋(reset), 포트 입출력 설정 및 메모리 클리어 과정을 수행하는 시스템 초기화 작업을 수행한다(S11).

그 후, 측정 로거(38)는 무선 통신부(38a)를 통하여 무선으로 센서 노드를 형성하는 다수의 센서 본체(34a-34e)로 센서 네트워크 형성 임무를 배포한다(S12). 이 경우, 상기 측정 로거(38)로부터 가장 인접해 위치한 센서 노드인 제1 센서 본체(34a)가 이를 수신하며, 인접된 센서 노드 사이에는 순차적인 수신 명령의 중계 전송이 이어진다.

즉, 제1 센서 본체(34a)는 수신한 측정 로거(38)로부터의 명령을 인접된 다른, 예를 들어, 제2 및 제3 센서 본체(34b,34c)로 수신된 명령을 전송한다. 또한, 제3 센서 본체(34c)는 인접한 제4 센서 본체(34d), 제4 센서 본체(34d)는 인접한 제5 센서 본체(34e)로 수신한 명령을 전달한다.

상기와 같은 방식으로 싱크 노드로부터 다수의 센서 노드에 센서 네트워크 형성 임무가 배포되어 명령이 전송되면, 다수의 센서 본체(34a-34e) 사이에 명령이 전송된 경로가 저장되며, 초기 통신방향으로 최적화된 경로(Routing) 형성이 이루어진다(S13).

따라서, 측정 로거(38)로부터 네트워크 형성 임무가 다수의 센서 본체(34a-34e)에 배포되면, 다수의 센서 본체(34a-34e)는 초기 통신방향을 설정하여 최적화된 경로(Routing)를 통하여 측정 데이터를 전송하는 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)가 형성된다.

상기 네트워크가 형성된 후, 측정 로거(38)로부터 다수의 센서 본체(34a-34e)에 대하여 계측을 요하는 센서 본체, 예를 들어 제5 센서 본체(34e)의 고유인식 주소(ID)와 계측 명령을 전송하면(S14), 상기한 최적화 경로를 따라 해당 제5 센서 본체(34e)에 계측 명령이 전달된다.

상기 계측 명령을 수신한 제5 센서 본체(34e)는 변위 센서(50)로부터 측정한 변위 신호를 신호변환부(54)를 통하여 A/D 변환한 후, 디지털 측정 데이터를 무선통신부(60)를 통하여 무선으로 전송한다(S15). 이 경우, 제5 센서 본체(34e)로부터 전송된 측정 데이터는 계측 명령을 수신한 경로의 역경로, 즉 제5 센서 본체(34e)로부터 제4 센서 본체(34d), 제3 센서 본체(34c), 제1 센서 본체(34a)를 거치는 최적화된 통신 경로를 이용하여 측정 로거(38)로 중계 전송이 이루어진다(S16). 상기와 같이 최적 경로로 측정 데이터가 중계되므로 무선 통달 거리가 길고, 정확한 데이터를 효율적으로 수집할 수가 있다.

측정 데이터를 수신한 측정 로거(38)는 무선 CDMA 모뎀(39)을 통하여 인터넷망(61)의 서버(62)에 전송하면(S17), 서버(62)는 계측 데이터를 데이터 베이스화 하고(S18), 분석 프로그램에 의해 도식화하며, 만약 측정된 피측정물의 변위량, 예를 들어 기울기 경사값이 미리 설정된 기준값에 도달하는 경우 경보 발령(문자 전송) 조취를 취함에 의해 안전 재해 담당자들에게 신속하고 정확하게 경보 전달이 이루어진다(S19).

또한, 측정 데이터를 필요로 하는 다수의 관련자들이 인터넷망(61)을 이용하여 장소와 시간에 관계없이 서버(62)에 접속하여 정보를 공유하게 할 수 있으므로 유비쿼터스 토목 안전 재해 예방시스템 구현이 가능하다(S20,S21).

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 회전이 용이한 원형으로 설계하고, 물의 유입을 차단할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 변위량 측정 장치의 양단에 연장로드를 연장함으로써 일정 간격의 측정 거리를 갖는 토목 구조물, 또는 대형 기계설비의 변위 측정이 가능하다.

더욱이, 본 발명에서는 변위량 측정 장치의 일단에 연장로드를 연장하고 경사 측정관에 삽입 가능한 롤러와 관절을 부착하거나 경사 측정관을 사용하지 않은 상태로 지중의 수평 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 예를 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 발명은 반도체 타입의 멤스 센서와 무선 지그비(Zigbee)를 이용하여 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 구축함으로써 토목/건축 구조물 및 지중 수평 변위 측정뿐 아니라, 설치 장소의 제약 없이 도로, 연약지반, 교량, 댐 등과 같은 토목 건설의 기울기 변위량을 측정하기 위한 분야에서 다양하게 적용되는 것이 가능하다.

20: 경사 측정관 27: 지중
30,30a,30b: 측정케이블 31a,31b: 고정브래킷
32a,32b: 고정홀 33a,33b: 고정볼트홀
34,34a,34b,34c: 센서 본체 35,35a-35c: 롤러뭉치
36: 관절 연결부 37,90a,90b: 연장 로드
38: 측정 로거 39: CDMA 모뎀
40a: 고정롤러 40b: 유동롤러
45: 몸체 35d,71a,71b: 센서 캡
50: 변위 센서 51: 유선 계측부
52: 무선 계측부 54: 신호 변환부
55: 제어부 56: 외부 전원부
57: 전압출력부 58: 시리얼 통신부
59: 밧데리 전원부 60: 무선통신부
61: 인터넷망 62: 서버
70: 케이스 75a,75b: 방수몰딩부
100,100a-100c200: 변위량 측정장치 200a-200d: 변위 센서 모듈

Claims (12)

1. 구조물 및 지중 수평 변위를 측정하기 위한 변위량 측정 시스템에 있어서,
   미세 반도체 제작 기술로 집적화되어 피측정물의 물리적 변화 신호를 검출하기 위한 멤스형 변위 센서와,
   상기 변위 센서의 물리적 변화 신호를 전압 신호로 변환하는 신호변환부와,
   상기 신호변환부의 신호 전압을 물리적 변화에 따른 전압으로 출력하는 전압 출력부와,
   적어도 상기 멤스형 변위 센서와 신호변환부를 내부에 내장하는 원통형 케이스와,
   상기 케이스의 양단에 결합되며 적어도 어느 하나의 중앙부를 관통하여 안테나 또는 측정 케이블 인출용 구멍을 갖는 제1 및 제2 센서 캡을 포함하며,
   상기 변위 센서가 내장된 케이스를 회전하여 고정함에 의해 측정방향 변환이 가능하고,
   수동 지시계를 상기 전압 출력부에 연결하여 피측정물의 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템.
2. 구조물 및 지중 수평 변위를 측정하기 위한 변위량 측정 시스템에 있어서,
   미세 반도체 제작 기술로 집적화되어 피측정물의 물리적 변화 신호를 검출하기 위한 멤스형 변위 센서와,
   상기 변위 센서의 물리적 변화 신호를 전압과 디지털 데이터로 변환하는 신호변환부와,
   상기 신호 변환부의 디지털 신호를 변위량 값으로 변환하고 상기 센서의 고유 인식 번호를 갖고 유선통신 기능을 제어하는 제어부와,
   상기 제어부에서 출력되는 디지털 측정 데이터를 시리얼 통신으로 입출력하는 시리얼 통신부와,
   상기 시리얼 통신부로부터 시리얼 멀티 드롭 방식으로 데이터를 수집하는 측정 로거와,
   적어도 상기 멤스형 변위 센서와 신호변환부를 내부에 내장하는 원통형 케이스와,
   상기 케이스의 양단에 결합되며 적어도 어느 하나의 중앙부를 관통하여 안테나 또는 측정 케이블 인출용 구멍을 갖는 제1 및 제2 센서 캡을 포함하며,
   상기 변위 센서가 내장된 케이스를 회전하여 고정함에 의해 측정방향 변환이 가능한 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템.
3. 구조물 및 지중 수평 변위를 측정하기 위한 변위량 측정 시스템에 있어서,
   미세 반도체 제작 기술로 집적화되어 피측정물의 물리적 변화 신호를 검출하기 위한 멤스형 변위 센서와,
   상기 변위 센서의 물리적 변화 신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호변환부와,
   상기 신호 변환부의 디지털 신호를 변위량 값으로 변환하고 상기 센서의 고유 인식 번호를 갖고 무선통신 기능을 제어하는 제어부와,
   상기 제어부에서 출력되는 디지털 측정 데이터를 지그비 방식으로 무선 입출력하는 무선 통신부와,
   상기 무선 통신부로부터 지그비 통신 방식으로 데이터를 수집하는 로거와,
   적어도 상기 멤스형 변위 센서와 신호변환부를 내부에 내장하는 원통형 케이스와,
   상기 케이스의 양단에 결합되며 적어도 어느 하나의 중앙부를 관통하여 안테나 또는 측정 케이블 인출용 구멍을 갖는 제1 및 제2 센서 캡을 포함하며,
   상기 변위 센서가 내장된 케이스를 회전하여 고정함에 의해 측정방향 변환이 가능한 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤스형(MEMS type) 변위 센서는 기울기 센서, 가속도 센서 및 자이로 센서 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 타입의 센서를 사용하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤스형(MEMS type) 변위 센서는 1축 내지 3축 센서 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템.
6. 삭제
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 각각 피측정물에 고정되며 상기 제1 및 제2 센서 캡의 외주가 결합되어 고정되는 원형 구멍을 갖고 상기 변위 센서의 선택된 자세를 설정시키기 위한 제1 및 제2 지지 브래킷을 더 포함하며,
   상기 변위 센서가 내장된 케이스를 제1 및 제2 지지 브래킷의 원형 구멍 내에서 회전하여 원하는 측정방향으로 설정하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 변위량 측정 시스템.
8. 구조물 및 지중 변위를 측정하기 위한 무선 변위량 측정 시스템에 있어서,
   각각 지그비 방식 무선 통신부를 구비하고 멤스형 변위 센서에 의해 검출된 피측정물의 변위를 신호변환부에 의해 디지털 데이터로 변환하여, 측정 데이터를 센서 고유 인식 번호(ID)를 갖고 지그비 통신으로 데이터 처리와 통신 경로 설정을 할 수 있는 다수의 센서 노드(Sensor Node)와,
   상기 다수의 센서 노드 각각에 내장된 배터리에 의해 센서 노드에 전원을 공급하는 다수의 전원부와,
   지그비 방식 무선 통신부를 구비하고 상기 다수의 센서 노드로부터 지그비 통신 방식으로 측정 데이터를 수집하도록 개별 센서 네트워크를 관리하는 싱크 노드(Sink Node)를 포함하며,
   상기 다수의 센서 노드는 싱크 노드(Sink Node)로부터의 센서 네트워크 형성 임무 배포에 응답하여 형성된 최적화된 경로를 따라 계측 명령의 수신 및 측정 데이터의 중계 전송이 이루어지도록, 다수의 피측정물에 분산 배치된 다수의 센서 노드를 지그비 통신으로 가장 인접한 센서 노드를 따라 센서 네트워크 형성 임무가 수신된 경로를 최적화 통신 경로로 설정하여 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)를 구성하고,
   상기 싱크 노드로부터의 계측 명령에 따라 상기 센서 노드에 구비된 변위센서로부터 측정된 측정 데이터를 상기 최적화 통신 경로를 따라 센서 측정 데이터를 중계 전송하여 상기 싱크노드에 취합하며,
   상기 다수의 센서 노드(Sensor Node)는 각각, 적어도 상기 멤스형 변위 센서와 신호변환부를 내부에 내장하는 원통형 케이스와,
   상기 케이스의 양단에 결합되며 적어도 어느 하나의 중앙부를 관통하여 안테나 또는 측정 케이블 인출용 구멍을 갖는 제1 및 제2 센서 캡을 포함하며,
   상기 멤스형 변위 센서가 내장된 케이스를 회전하여 고정함에 의해 측정방향 변환이 가능한 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 무선 변위량 측정 시스템.
9. 제8항에 있어서, 상기 다수의 센서 노드(Sensor Node)는 각각,
   미세 반도체 제작 기술로 집적화되어 피측정물의 물리적 변화 신호를 검출하기 위한 멤스형 변위 센서와,
   상기 변위 센서의 물리적 변화 신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호변환부와,
   상기 신호 변환부의 디지털 신호를 변위량 값으로 변환하고 상기 센서의 고유 인식 번호를 갖고 무선통신 기능을 제어하는 제어부와,
   상기 제어부에서 출력되는 디지털 측정 데이터를 최적화된 경로로 설정된 가장 인접한 센서 노드 또는 싱크 노드로 지그비 방식으로 무선 입출력하는 무선 통신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 무선 변위량 측정 시스템.
10. 제8항에 있어서, 상기 싱크 노드(Sink Node)는
    상기 다수의 센서 노드로부터 지그비 통신 방식으로 측정 데이터를 무선 입출력하는 무선 통신부와,
    상기 무선 통신부를 통하여 다수의 센서 노드로부터 지그비 통신 방식으로 데이터를 수집하여 수집된 데이터를 무선 CDMA 모뎀을 통하여 서버에 전송하는 로거를 포함하는 것을 특징으로 하는 멤스 센서를 이용한 무선 변위량 측정 시스템.
11. 삭제
12. 삭제

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