KR101365046B1 - 축 검지 센서 및 방법 - Google Patents

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이상협
장경찬
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한국건설기술연구원
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 축 검지 센서는 도로의 기준선에 대하여 수직으로 매설되어 수평력 또는 회전력에 저항하는 반력을 가지는 고정자와, 상기 고정자의 상부에서 위치하며 수직으로 작용하는 하중에 의하여 하부로 이동하는 운동자와, 상기 고정자와 상기 운동자 사이에 위치하여 상기 운동자의 수직이동에 따른 전단력을 측정하는 압전소자를 포함할 수 있다.

Description

축 검지 센서 및 방법{Piezo Axle Sensor and Method Thereof}
본 발명은 축 검지 센서 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직하중에 대해 전단력을 측정하는 축 검지 센서 및 방법에 관한 것이다.
현재 국도 및 과적검문소에는 축 검지 센서가 설치 되어 있다. 축 검지 센서는 중량을 측정하는 센서이며 그 물리적 특성상 도로에 설치되면 현장의 설치환경, 매설방법에 따라 센서특성(감도, 신호의 신뢰성, 재현성, 에러, 노이즈 등)이 제조과정에서 교정된 결과에서 변하게 된다.
축 검지 센서는 사용되는 압전 재료에 따라 크게 수정(Quartz)또는 세라믹(Ceramic) 피에조 센서와 PVDF 피에조 센서로 나누어지고 운용되는 형태에 따라서는 피에조 케이블 센서와 주로 PVDF 필름이 내장되어 있는 피에조 스트립 센서로 나눌 수 있다. 이중 축검지 센서로 가장많이 사용되는 PVDF 피에조 센서는 설치 시 도로를 절개하고 센서를 매설한 후 레진을 이용하여 봉합 후 사용하고 있다. 이러한 과정은 센서 매설을 위한 공사시간과 이로 인한 도로차단시간이 많이 소요되어 교통혼잡과 유지관리비용의 부담이 있으며 센서를 이용한 활용가치는 매우 좋으나 설치, 복구, 유지관리를 위한 부가요소가 너무 비효율적이라는 문제점을 가지고 있다.
또한, Piezo센서를 보호하고 있는 케이스가 도로의 변형 및 파손, 도로변형에 대한 물리적 힘에 대응하지 못하여 파손이 쉽게 되고 있으며 이로 인한 보수공사 및 재설치로 위에서 언급한 교통혼잡과 유지관리비용의 부담이 더욱 증가되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 차량의 수직하중에 대해 전단력을 측정하므로 횡방향 장력, 비틀림에 대한 방해 요소를 차단할 수 있는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 한번의 시공으로 축 검지 센서를 시공할 수 있으므로 시간과 비용을 절감할 수 있는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 축 검지 센서는 도로의 기준선에 대하여 수직으로 매설되어 수평력 또는 회전력에 저항하는 반력을 가지는 고정자와, 상기 고정자의 상부에서 위치하며 수직으로 작용하는 하중에 의하여 하부로 이동하는 운동자와, 상기 고정자와 상기 운동자 사이에 위치하여 상기 운동자의 수직이동에 따른 전단력을 측정하는 압전소자를 포함할 수 있다.
상기 축 검지 센서는 상기 도로의 폭 방면으로 매설된 케이스 내부로 삽입될 수 있다.
상기 고정자는 상기 케이스 바닥에 고정되는 고정지지판과, 상기 지지판의 상부에서 상기 도로의 기준선으로 연장되어 상기 압전소자를 측면에 구비하는 고정전단판을 구비할 수 있다.
상기 운동자는 상기 도로의 기준선과 동일한 위치에 형성되며 차량과 접촉하는 운동고정판과, 상기 운동고정판의 적어도 한 측면에서 수직으로 하락하며 상기 압전소자와 접하는 운동전단판을 구비할 수 있다.
상기 고정자는 하중에 의하여 하부로 이동한 상기 운동자를 하중을 받기 전 위치로 이동시키기 위한 탄성수단을 구비할 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 축 검지 방법은 (a) 도로의 기준선에 대하여 도로 폭 방면으로 고정자를 수직으로 매설하는 단계; (b) 상기 고정자의 고정전단판 측면에 압전소자를 설치하는 단계; (c) 상기 고정자의 상부에 운동자를 설치하는 단계; (d) 차량의 하중에 의하여 상기 운동자가 수직으로 하락하는 단계; (e) 상기 압전소자가 상기 운동자가 하락하는 힘과 고정되어 있는 고정자 사이에 발생하는 전단력을 측정하는 단계; (f) 상기 압전소자가 측정한 전단력을 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 압전소자는 차량의 이동에 따라 변하는 수직하중을 측정하기 위하여 다수를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 축 검지 센서 및 방법에 의하면, 압전소자가 운동자와 고정자의 전단력을 측정하므로 횡방향 장력, 비틀림 등의 방해 요소를 차단할 수 있는 것이다.
그리고, 압전소자를 매설하는 수량에 따라 한번의 시공으로 다수의 전단력을 측정할 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축 검지 센서가 설치된 도로를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축 검지 센서를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자의 수량에 따른 축 검지 센서를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성수단을 구비하는 축 검지 센서를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축 검지 방법을 나타낸 순서도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 축 검지 센서 및 방법에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 축 검지 센서가 설치된 도로를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 축 검지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 축 검지 센서(10)는 도로(20)의 기준선(25)에 대하여 수직으로 매설되는 고정자(100)와, 수직으로 작용하는 하중에 의하여 하부로 이동하는 운동자(200)와, 전단력을 측정하는 압전소자(300)를 포함할 수 있다.
상기 축 검지 센서(10)는 도로(20)의 기준선(25)에 대하여 수직으로 매설되는 케이스(500)를 더 구비할 수 있다.
상기 케이스(500)는 도로(20)의 폭 방면으로 굴착하는 굴착부(40)에 삽입한다. 상기 케이스(500)는 축 검지 센서(10)를 내부에 삽입할 수 있도록 상부가 개방된 박스형태의 구조일 수 있으며, 상기 도로(20)의 굴착면이 붕괴되거나 도로(20)에서 발생하는 하중에 의하여 파손되지 않는 구조일 수 있다. 그리고, 상기 케이스(500)는 굴착면에서 유입되는 지하수나 비를 배수하는 별도의 배수구를 구비할 수 있다.
예를 들어, 상기 케이스(500)가 없이 도로(20)를 굴착한 굴착부(40)에 축 검지 센서(10)를 설치하면 차량의 진동에 의하여 굴착면이 붕괴되어 축 검지 센서(10)를 파손할 수 있다. 또한, 상기 축 검지 센서(10)는 압전소자(300)를 사용하여 차량의 하중을 측정하는 전기기구이므로 물에 매우 약한 성질을 갖고 있다. 그러므로, 케이스(500)가 없이 굴착부(40)에 축 검지 센서(10)를 설치하게 되면 굴착부(40)에서 발생하는 지하수와 비에 의하여 상기 축 검지 센서(10)가 파손될 수 있다.
또한, 상기 케이스(500)는 레진으로 형성될 수 있다.
상기 고정자(100)는 상기 케이스(500) 바닥에 고정되는 고정지지판(110)과, 상기 지지판의 상부에서 상기 도로(20)의 기준선(25)으로 연장되어 상기 압전소자(300)를 측면에 구비하는 고정전단판(120)을 구비할 수 있다.
상기 고정지지판(110)은 상기 케이스(500) 바닥에 고정되며 사방으로 이동되지 않도록 케이스(500) 바닥과 동일한 크기를 유지할 수 있다. 또한, 상기 축 검지 센서(10)에 차량의 하중이 작용하여 차량의 이동 방향으로 이동하거나 회전을 할 수 있는데 이를 방지하기 위하여 상기 고정지지판(110)을 상기 케이스(500) 바닥에 고정철물을 사용하여 고정할 수 있다.
예를 들어, 상기 고정지지판(110)과 상기 케이스(500) 바닥에 틈이 발생하게 되면 차량이 축 검지 센서(10) 상부에 올라서게 되면 축 검지 센서(10)는 차량이 진행하는 방향으로 밀리는 현상이 발생하게 되어 축 검지 센서(10)를 지탱하는 상기 고정지지판(110)이 상기 케이스(500) 바닥에 형성된 틈으로 이동할 수 있다. 그러므로 상기 고정지지판(110)과 상기 케이스(500) 바닥에 틈이 없이 동일한 크기를 유지하여 상기 고정지지판(110)이 사방으로 이동하지 않도록 한다.
그리고, 상기 고정지지판(110)에는 배수구를 설치하여 상기 축 검지 센서(10)로 유입되는 지하수나 빗물이 고이지 않도록 할 수 있다.
상기 고정전단판(120)은 상기 고정지지판(110)의 상부에서 상기 고정지지판(110)의 길이 방면으로 형성되어 상부로 연장된다. 상기 고정전단판(120)의 측면에는 압전소자(300)를 구비하여 전단력을 계산할 수 있다.
상기 운동자(200)는 상기 도로(20)의 기준선(25)과 동일한 위치에 형성되며 차량과 접촉하는 운동고정판과, 상기 운동고정판의 적어도 한 측면에서 수직으로 하락하며 상기 압전소자(300)와 접하는 운동전단판(220)을 구비할 수 있다.
그리고, 상기 운동자(200)는 상부에 하중이 작용하면 미세하게 하부로 하락하며, 상부의 하중이 사라지면 다시 원 상태로 돌아가는 탄성의 성질을 구비할 수 있다.
상기 운동고정판은 도로(20)의 기준선(25)과 동일한 위치에 형성되거나 도로(20)의 기준선(25)보다 높은 위치에 형성될 수 있다. 상기 운동고정판은 차량의 타이어(30)와 접할 수 있으므로 내구성이 강한 재질을 사용하거나 두께를 두껍게 할 수 있다. 또한, 상기 운동고정판은 케이스(500)와 동일한 폭과 길이로 형성되어 상부에서 차량의 하중이 작용할 때 이동하거나 휨 현상이 발생하지 않도록 한다.
예를 들어, 상기 운동고정판은 차량이 축 검지 센서(10) 상부에 올라서게 되면 차량이 진행하는 방향으로 밀리는 현상이 발생하게 되어 상기 운동고정판을 지탱하는 상기 고정전단판(120)을 축으로 이동하거나 회전하는 휨 현상이 발생할 수 있다.
그리고, 상기 운동고정판과 케이스(500)의 폭과 길이를 동일하게 유지하여 운동고정판과 케이스(500)의 틈으로 이물질이 들어가지 않도록 레진 등으로 충진할 수 있다.
상기 운동전단판(220)은 상기 운동고정판의 적어도 한 측면에서 수직으로 하부로 하락하며, 상기 고정전단판(120)에 고정되어 있는 압전소자(300)와 접할 수 있다. 상기 고정전단판(120)은 케이스(500)의 내부 측면과 근접하여 상부에 수직하중이 작용하면 케이스(500)의 틀에 맞게 하부로 하락하여 상기 운동자(200)가 이동하거나 회전하지 않도록 한다.
상기 압전소자(300)는 피에조 센서일 수 있으며 상기 고정전단판(120)과 상기 운동전단판(220)의 사이에 형성된다. 상기 압전소자(300)는 상기 고정전단판(120)이나 상기 운동전단판(220) 중 적어도 한 곳에 고정되며 고정되지 않은 곳이 하부로 내려갈 때 발생하는 전단력을 측정할 수 있다.
상기 압전소자(300)는 피에조 센서일 수 있다.
종래의 축 검지 센서(10)에 사용되던 피에조 센서는 작용한 하중에 의해 발생하는 전하가 압전 재료와 측정 회로의 특성으로 인해 수초에서 수분밖에 지속하지 못하기 때문에 상대적으로 짧은 시간 동안의 응력 변화를 감지하여 통과 차량의 하중을 측정하게 된다. 또한, 피에조 센서는 모두 압축방식의 하중측정구조이며 센서가 동축 케이블 형태인 경우는 노면의 진동이나 횡방향 장력, 비틀림 등 방해 요소를 포함하고 있어 차량의 타이어(30) 접지압의 수직 분력만을 센서에 작용하지 못하는 구조로 되어있다. 그리고, 온도 변화에 민감하여 하중인가와 상관없이 신호를 외곡시킬 수 있다.
하지만, 본원발명의 피에조 센서인 압전소자(300)는 차량의 축 하중계측에 사용되며, 전단하중에 대해 신호를 출력하는 구조로서 횡방향 감도, 온도변화에 따른 신호변화 등 종래의 센서에서 극복하지 못하는 오류요소들을 해소할 수 있다.
상기 압전소자(300)의 한 측면은 상기 고정자(100)의 고정전단판(120) 측면에 고정되고 다른 한 측면은 수직하중에 의하여 하부로 위치를 이동하는 운동자(200)와 접한다. 그리고, 상기 압전소자(300)는 상기 운동자(200)가 상부의 차량의 수직 하중에 의하여 하부로 위치를 이동할 때 발생하는 고정자(100)와 운동자(200)의 위치변화를 압축력이 아닌 전단력으로 출력하여 측정할 수 있다.
이하에서 본 발명의 다른 실시예에 따른 축 검지 센서를 설명함에 있어 상술한 실시 예에 따른 축 검지 센서와 동일한 구성에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 압전소자의 수량에 따른 축 검지 센서를 나타낸 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 축 검지 센서(10)는 압전소자(300)의 수량에 운동자(200)와 고정자(100)의 수량을 조절할 수 있다.
상기 축 검지 센서(10)는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 압전소자(300)를 하나 사용할 때는 고정지지판(110)의 한 측면에서 상부로 연장되는 고정전단판(120)을 구비하는 고정자(100)와, 운동지지판(210)의 하부에서 고정전단판(120)과 상반되는 운동지지판(210)의 측면에서 하부로 연장되는 운동전단판(220)을 구비하는 운동자(200)를 구비할 수 있다. 그리고, 상기 압전소자(300)는 고정전단판(120)과 운동전단판(220) 사이에 구비하여 수직으로 가해지는 하중에 대해 운동자(200)와 고정자(100)의 전단력을 측정할 수 있다.
또한, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 센서의 감도와 출력신호에 따라 다수의 압전소자(300)를 매설할 때에는 축 검지 센서(10)의 상부에 운동지지판(210)과 하부에 고정지지판(110)의 폭을 다수의 압전소자(300)를 매설할 수 있는 폭으로 넓게 하며, 압전소자(300)가 고정지지판(110)과 운동지지판(210) 사이에 구비될 수 있도록 고정전단판(120)과 운동전단판(220)의 수량을 늘릴 수 있다.
상기 도 4의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이 상기 축 검지 센서(10)는 압전소자(300)의 감도와 출력신호에 따라 개별 또는 조합하여 사용이 가능하다.
그러므로, 한번의 시공으로 두 개 이상의 축 검지 센서(10)를 매설하는 효과를 가지며 이로 인한 시간적, 경제적 이득을 볼 수 있다.
예를 들어, 종래의 압축력을 활용한 피에조 센서는 하나를 설치시 도로(20)를 절개하고 센서를 매설한 후 레진을 이용하여 봉합 후 사용하고 있다. 이러한 과정은 센서 매설을 위한 공사시간과 이로 인한 도로(20)차단시간이 많이 소요되어 교통혼잡과 유지관리비용의 부담이 있다. 그러므로, 도로(20)의 상황에 따라 두 개 이상의 피에조 센서를 매설할 때에는 두 배의 시간과 비용이 들 수 있다. 그에 반해, 본원발명은 도로(20)를 굴착한 후 압전소자(300)와 운동전단판(220)과 고정전단판(120)의 수량을 늘리는 것으로 두 개 이상의 출력신호를 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성수단을 구비하는 축 검지 센서를 나타낸 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 축 검지 센서(10)는 상부에 수직하중이 작용하면 수직으로 하락하는 운동자(200)와, 상기 축 검지 센서(10)가 이동이나 회전하지 않도록 하는 고정자(100)와, 상기 운동자(200)의 운동에 의하여 전단력을 측정하는 압전소자(300)와, 상기 운동자(200)의 위치를 원상태로 복구시키는 탄성수단(400)을 구비할 수 있다.
상기 운동자(200)는 상부에 차량의 하중이 작용하면 하부로 위치가 이동된다. 그리고, 상기 고정자(100)는 상기 운동자(200)를 하부에서 고정하며 고정자(100)의 고정전단판(120)의 측면에 압전소자(300)를 구비한다.
상기 압전소자(300)는 피에조 센서일 수 있다.
상기 탄성수단(400)은 상기 운동자(200)가 차량의 수직하중에 의하여 하부로 위치를 이동하였을 때 고정자(100)와 접하는 곳에 설치할 수 있다.
상기 탄성수단(400)은 상기 운동자(200)와 상기 고정자(100)의 사이에는 하중에 의하여 하부로 이동한 상기 운동자(200)를 하중을 받기 전 위치로 이동시키기 위하여 구비할 수 있다. 상기 탄성수단(400)은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 운동전단판(220)과 고정지지판(110)이 접하는 곳에 레진 등의 탄성이 있는 재질로 충진되어 미세하게 하부로 하락하는 상기 운동자(200)를 상부로 상승시킬 수 있다.
또한, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 탄성수단(400)은 하중이 많이 나가는 차량의 축 하중을 측정하는 지역에서는 스프링 등과 같이 탄성이 있는 재질을 상기 운동자(200)와 상기 고정자(100)가 접하는 곳에 다수 설치할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 축 검지 방법을 나타낸 순서도이다.
단계 610에서 축 검지 센서(10)를 설치할 도로(20)의 폭 방면으로 굴착을 한다.
단계 620은 단계 610에서 굴착한 굴착부(40)의 바닥에 고정자(100)를 고정한다. 상기 굴착부(40)의 바닥에 케이스(500)를 매설하고 고정자(100)를 고정할 수 있다.
단계 630에서 굴착부(40)의 바닥에 고정한 고정자(100)의 고정지지판(110) 상부에서 상부로 연장한 고정전단판(120)의 측면에 압전소자(300)를 고정한다. 상기 압전소자(300)는 감도와 출력신호에 따라 고정전단판(120)의 양 측면에 고정할 수 있으며, 두 개 이상의 압전소자(300)를 매설하기 위해서는 고정전단판(120)의 수량을 늘린다.
단계 640에서는 상기 고정자(100) 상부에 상기 운동자(200)를 설치한다. 상기 운동자(200)는 도로(20)의 기준선(25)과 동일하거나 높게 설치될 수 있다.
단계 650에서 차량에 의하여 도로(20)의 기준선(25) 하부로 수직하중이 작용할 수 있다.
단계 660에서는 단계 650에서 발생한 수직하중에 의하여 운동자(200)가 수직으로 하락할 수 있다.
단계 670은 단계 660에서 운동자(200)가 수직으로 하락할 때 압전소자(300)가 고정자(100)와 운동자(200) 사이에 발생하는 전단력을 측정한다.
단계 680은 단계 670에서 압전소자(300)가 측정한 전단력에 대하여 출력 신호를 검출하면 출력할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 축 검지 센서 및 방법에 대해 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니한다. 그리고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10: 축 검지 센서 20: 도로
25: 기준선 30: 타이어
40: 굴착부 100: 고정자
110: 고정지지판 120: 고정전단판
200: 운동자 210: 운동지지판
220: 운동전단판 300: 압전소자
400: 탄성수단 500: 케이스

Claims (8)

  1. 도로의 폭 방면으로 매설되는 레진으로 형성된 케이스와,
    상기 케이스의 내부에 삽입되어 상기 도로의 기준선에 대하여 수직으로 매설되어 수평력 또는 회전력에 저항하는 반력을 가지는 고정자와,
    상기 고정자의 상부에서 위치하며 수직으로 작용하는 하중에 의하여 하부로 이동하는 운동자와,
    상기 고정자와 상기 운동자 사이에 위치하여 상기 운동자의 수직이동에 따른 전단력을 측정하는 압전소자를 구비하고,
    상기 고정자는 상기 케이스 바닥에 고정되는 고정지지판과,
    상기 고정지지판의 상부에서 상기 도로의 기준선으로 연장되어 상기 압전소자를 측면에 구비하는 고정전단판을 구비하고,
    상기 운동자는 상기 도로의 기준선과 동일한 위치에 형성되며 차량과 접촉하는 운동고정판과,
    상기 운동고정판의 적어도 한 측면에서 수직으로 하락하며 상기 압전소자와 접하는 운동전단판을 구비하고,
    상기 고정전단판과 상기 운동전단판을 다수 구비하여 한번 시공으로 다수의 압전소자를 매설할 수 있는 것을 특징으로 하는 축 검지 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자는 하중에 의하여 하부로 이동한 상기 운동자를 하중을 받기 전 위치로 이동시키기 위한 탄성수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 축 검지 센서.
  6. 삭제
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