KR101383799B1 - Ｆｂｇ 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서 - Google Patents

Ｆｂｇ 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조물의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서는, 일정 면적에 복수의 FBG 센서를 배치하여 구조물에 간편하게 직접 부착 설치하고 해당 일정 면적에서 발생하는 구조물의 변형을 계측하되 광섬유 배열 방식에 따라 1방향이나 2방향 또는 3방향의 변형률을 계측함으로써, 구조물의 계측 지점에 존재하는 국부적 손상 부위에 기인한 변형률 계측 오류를 방지함과 아울러 변형률 측정의 정확성을 증가시키고 센서 설치의 경제성을 향상시키게 된다.

Description

ＦＢＧ 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서{Multi-direction strain sensor with FBGs of tape type}
본 발명은 구조물의 변형률을 계측하기 위한 변형률 계측 센서에 관한 것으로서, 특히 일정 면적에 복수의 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서를 배치하여 구조물에 간편하게 직접 부착 설치하고 해당 일정 면적에서 발생하는 구조물의 변형을 계측하되 광섬유 배열 방식에 따라 1방향이나 2방향 또는 3방향의 변형률을 계측함으로써, 구조물의 계측 지점에 존재하는 국부적 손상 부위에 기인한 변형률 계측 오류를 방지함과 아울러 변형률 측정의 정확성을 증가시키고 센서 설치의 경제성을 향상시키도록 하는 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에 관한 것이다.
일반적으로 변형률 계측 센서는 구조물의 변형 계측시에 널리 활용되는 센서로서 외력에 의해 발생하는 구조물의 변형을 계측하기 위한 용도로 사용된다.
종래에는 변형률 계측 센서로서 표면 부착형 전기저항식 변형률 계측 센서를 사용하였다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기저항식 변형률 계측 센서(2)는 구조물(1)의 표면에 부착하여 구조물(1)의 변형을 계측하되, 접착제를 이용하여 구조물(1)의 표면에 부착하거나 용접 내지 볼트 체결에 의해 구조물(1)의 표면에 부착하여서 구조물(1)의 변형률을 계측한다.
이와 같은 전기저항식 변형률 계측 센서(2)는 전기(electricity)를 이용하여 구동하기 때문에 주변 전자기파에 의해 계측값이 왜곡될 수 있으며, 해당 전기저항식 변형률 계측 센서(2)를 데이터로거(Data Logger)에 연결하기 위한 계측케이블의 길이에 따라 센서 계수값을 조정해야 하는 문제점이 있다.
그리고, 각각의 전기저항식 변형률 계측 센서(2)에 대하여 데이터로거에 연결하기 위한 채널이 하나씩 필요하기 때문에 전기저항식 변형률 계측 센서(2)를 이용한 계측점이 증가할수록 데이터로거의 수도 증가하여 계측시스템 구축비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 전기저항식 변형률 계측 센서(2)의 설치시에 각각의 센서(2)에 대하여 채널을 하나씩 대응되게 연결하여야하기 때문에 센서 계측점 증가에 따라 대응되는 수의 계측케이블을 데이터로거에 연결해야 하므로 설치에 장시간이 소요되며, 전기저항식 변형률 계측 센서(2)는 내구연한이 짧아서 주기적으로 교체해야하므로 유지 관리 비용이 증가하는 문제점이 있다.
한편, 전기저항식 변형률 계측 센서(2)를 도 1과 같이 구조물(1)의 계측 대상 위치에 부착할 경우에 해당 센서(2)에 의해 계측되는 구간은 센서(2)의 크기 안에 있는 부분이다.
예를 들어, 도 2에 도시된 것처럼, 콘크리트 구조물(10)에서 균열(13)이 존재하지 않는 부위(Z2)와 같이 구조물이 건전 정도가 양호한 부위의 면적 및 길이가 큰 경우에 해당 부위(Z2)의 지점에 설치되는 전기저항식 변형률 계측 센서의 계측값은 구조물(10)의 변형을 대표할 수 있으나, 부위(Z1),(Z3)와 같이 철근콘크리트 구조물(10)에서 외력이 가해짐에 기인하여 육안으로 관찰되지 않는 미세한 균열(13)이 발생한 경우 이러한 부위(Z1),(Z3)에 전기저항식 변형률 계측 센서를 부착하면, 외력에 의한 구조물(10)의 변형이 균열(13)에 의해 전기저항식 변형률 계측 센서에 그대로 전달되지 않음에 기인하여 해당 전기저항식 변형률 계측 센서에 의한 변형 계측값은 구조물(10)의 실제 변형률과 상이하게 되므로 구조물(10)의 변형을 대표할 수 없다.
이와 같이 전기저항식 변형률 계측 센서를 활용한 구조물의 변형률 계측 결과는 구조물의 유지 보수 작업 결정에 상당한 영향을 미치는 요소이므로, 건전하지 못한 부위(Z1), (Z3)에 설치되어 신뢰할 수 없는 전기저항식 변형률 계측 센서(2)의 계측값에 대해 구조물(10)의 변형을 평가할 경우 적절하지 못한 단단으로 인하여 불필요한 유지 보수 비용이 지출될 우려가 있다.
또한, 계측대상 구조물이 강재인 경우에 구조물 제작시의 오류나 해당 구조물에 가해진 하중 이력 등으로부터 구조물에 국부적인 손상이 발생한 때에는 특수장비를 이용하지 않고서는 이러한 손상 부위를 탐지하는 것은 불가능하고, 이 경우에도 건전하지 못한 부위에 전기저항식 변형률 계측 센서를 설치하게 되면 해당 센서에 의한 계측값은 신뢰할 수 없다.
이와 같이 구조물의 국부적인 손상으로 인한 건전하지 못한 부위에 전기저항식 변형률 계측 센서를 부착할 경우 해당 센서의 계측값에 대한 신뢰도가 상당히 저하되게 되나 국부적 손상을 육안으로 판별 불가능하기 때문에 해당 손상 부위에 설치된 센서에 의한 부정확한 계측값이 구조물 변형률 분석에 그대로 사용되어 예상하지 못한 결과가 도출될 수 있다.
그리고, 도 2의 부위(Z1),(Z3)와 같은 위치에 전기저항식 변형률 계측 센서를 설치할 경우, 해당 부위(Z1),(Z3)에서는 외력에 의해 변형이 상대적으로 거의 발생하지 않을 것이므로 구조물에 설계 단면력 이상의 외력이 가해져 전체 구조물의 안정성에 문제가 있음에도 이곳에 설치된 전기저항식 변형률 계측 센서는 안전한 값을 계측할 우려가 있다.
상술한 바와 같은 전기저항식 변형률 계측 센서의 문제점인 센서 주변 전자기에 의한 계측값 왜곡, 계측 케이블 길이에 따른 계측값 변화, 저 내구성 등의 문제점을 해결하기 위하여 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서를 사용하여 구조물의 변형률을 계측하는 방안이 제시된바 있다.
광섬유 내에 구비되는 FBG 센서는 여러 개의 회절격자로 축방향의 변형을 측정하는데, 구조물에 부착 설치된 FBG 센서는 계측 시스템으로부터 입사되는 광을 구조물로부터 가해지는 변형에 따라서 특정 파장으로 반사시키며 계측 시스템에서는 해당 반사광의 파장 변화를 측정함으로써 구조물의 변형률을 계측할 수 있게 한다.
특히 FBG 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 센서를 내장할 수 있어서 한 가닥의 광섬유로 여러 위치의 계측 대상 지점을 계측할 수 있으므로 인하여 전기저항식 변형률 계측 센서의 사용시에 각 센서에 개별적으로 채널을 연결해야 하는 문제점을 해결할 수 있고, 하나의 채널을 통하여 더 많은 계측 점에 대한 계측할 수 있다는 장점이 있다.
FBG 센서를 이용하여 구조물의 변형률을 계측하는 경우, 해당 FBG 센서를 구조물에 설치하여 변형률을 계측하는데, FBG 센서는 유리 재질인 광섬유의 특성상 손상받기 쉬우므로 구조물에 직접 부착하여 설치하지 못하고, 도 3에 도시된 바와 같이, 센서 보호를 위한 하우징(25)의 내부에 FBG 센서(23)를 설치하고 해당 하우징(25)을 구조물(20)에 부착하는 방식으로 FBG 센서를 구조물(20)에 설치하고 있다.
이와 같이 FBG 센서(23)를 설치하는 경우, 얇은 광섬유에 비하여 하우징(25)은 상당히 큰 물리적 제원을 가지고 있고 구조물(20)과 FBG 센서(23) 사이가 일정 거리(L) 만큼 이격되어 있음에 기인하여, FBG 센서(23)는 하우징(25)을 통해 전달되는 변형을 계측하게 되므로 구조물(20)의 실재 변형을 정확히 계측할 수 없게 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 일정 면적을 가지는 테이프 등에 복수의 광센서(FBG 센서)를 배치하여 구조물에 간편하게 직접 부착 설치하고 해당 일정 면적에서 발생하는 구조물의 변형을 계측하되 광섬유 배열 방식에 따라 1방향이나 2방향 또는 3방향의 다방향으로 변형률을 계측함으로써, 구조물의 계측 지점에 존재하는 국부적 손상 부위에 기인한 변형률 계측 오류를 방지함과 아울러 변형률 측정의 정확성을 증가시키고 센서 설치의 경제성을 향상시키도록 하는 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서를 제공함에 목적이 있다.
본 발명의 제1 실시예에 의하면, 구조물의 1방향 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서로서, 제1 필름지와 제2 필름지 사이에 FBG 센서를 구비한 광섬유를 한 방향으로 배열하여 평면 배치하여서, 상기 FBG 센서를 일정한 간격으로 배열하고, 상기 제1 필름지, 제2 필름지 및 광섬유를 일체화하여 이루어진 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서를 제공한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 상기 제1 필름지, 제2 필름지 및 광섬유는 접착제를 이용하여 부착하여서 일체화한다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 구조물의 2방향 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서로서, 제1 필름지 및 제2 필름지 사이에 복수의 FBG 센서를 구비한 광섬유를 제1 방향으로 배열하여 평면 배치하고, 제2 필름지 및 제3 필름지 사이에 상기 광섬유를 연속적으로 제2 방향으로 배열하여 평면 배치하여서, 상기 평면 배치된 광섬유의 각 교차점에서 FBG 센서를 상호 다른 방향으로 교차하여 배열하고, 상기 제1 필름지, 제2 필름지, 제3 필름지 및 상기 광섬유를 일체화하여 이루어진 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서를 제공한다.
본 발명의 제2 실시예에 따르면, 제1 필름지, 제2 필름지, 제3 필름지 및 광섬유는 접착제를 이용하여 부착하여서 일체화한다.
그리고, 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 제1 필름지 상에 평면 배치 완료된 광섬유는 제2 필름지의 일부를 관통하여 제2 필름지 상에 인출되어서 해당 제2 필름지 상에 평면 배치되며, 상기 광섬유는 연속적으로 이어진 하나의 광섬유이다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 의하면, 구조물의 3방향 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서로서, 제1 필름지 및 제2 필름지 사이에 복수의 FBG 센서를 구비한 광섬유를 제1 방향으로 배열하여 평면 배치하고, 제2 필름지 및 제3 필름지 사이에 상기 광섬유를 연속적으로 제2 방향으로 배열하여 평면 배치하고, 제3 필름지 및 제4 필름지 사이에 상기 광섬유를 연속적으로 제3 방향으로 배열하여 평면 배치하여서, 상기 평면 배치된 광섬유의 교차점에 FBG 센서를 상호 다른 방향으로 교차하여 배열하고, 상기 제1 필름지, 제2 필름지, 제3 필름지, 제4 필름지 및 상기 광섬유를 일체화하여 이루어진 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서를 제공한다.
본 발명의 제3 실시예에 의하면, 상기 제1 필름지, 제2 필름지, 제3 필름지, 제4 필름지 및 광섬유는 접착제를 이용하여 부착하여서 일체화한다.
그리고, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 상기 제1 필름지 상에 평면 배치 완료된 광섬유는 제2 필름지의 일부를 관통하여 제2 필름지 상에 인출되어서 해당 제2 필름지 상에 평면 배치되고, 상기 제2 필름지 상에 평면 배치 완료된 광섬유는 제3 필름지의 일부를 관통하여 제3 필름지 상에 인출되어서 해당 제3 필름지 상에 평면 배치되고, 상기 광섬유는 연속적으로 이어진 하나의 광섬유이다.
상술한 바와 같으 본 발명에 의하면, 일정 면적에 복수의 FBG 센서를 배치하여 구조물에 간편하게 직접 부착 설치하고 해당 일정 면적에서 발생하는 구조물의 변형을 계측하되 광섬유 배열 방식에 따라 1방향이나 2방향 또는 3방향의 변형률을 계측함으로써, 구조물의 계측 지점에 존재하는 국부적 손상 부위에 기인한 변형률 계측 오류를 방지함과 아울러 변형률 측정의 정확성을 증가시키고 센서 설치의 경제성을 향상시키게 된다.
도 1은 종래의 표면 부착형 전기저항식 변형률 계측 센서의 사용을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 균열이 존재하는 경우의 콘크리트 구조물을 예시한 도면이다.
도 3은 종래의 FBG 센서 설치 방식을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 평면도이다.
도 7는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에 배치되는 FBG 센서를 구비한 광섬유의 배치와 필름지의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에서의 FBG 센서의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 평면도이다.
도 11는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 분해 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에 배치되는 FBG 센서를 구비한 광섬유의 배치와 필름지의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에서의 FBG 센서의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명에 따른 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 제작 형태를 도시한 도면이다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 1방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 분해 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 구조물의 1방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서(30)는 복수의 FBG 센서(37)를 구비한 광섬유(33)를 평면 배치하되 두 장의 필름지(35) 사이에 횡방향으로 배열되도록 평면 배치하여 이루어진다. 두 장의 필름지(35) 사이에 광섬유(33)를 평면 배치하는 경우에 해당 광섬유(33)에 구비된 FBG 센서(37)가 일정한 간격으로 배열되도록 광섬유(33)를 평면 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 광섬유(33)에 구비된 FBG 센서(37)가 일정한 간격으로 배열되도록 광섬유(33)를 평면 배치하여 다방향 면적형 센서(30)를 구성함으로써, 다방향 면적형 센서(30)에 의해 구조물의 일정 면적에서 발생하는 1방향의 변형률을 계측할 수 있다.
이와 같은 다방향 면적형 센서(30)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 필름지(35a) 상에 FBG 센서(37)를 구비한 광섬유(33)를 횡방향으로 배열되도록 평면 배치하되, 각 FBG 센서(37)가 일정한 간격으로 배열되도록 광섬유(33)를 평면 배치하고, 광섬유(33)가 평면 배치된 제1 필름지(35a) 상에 제2 필름지(35b)를 포개어서 부착한다. 이때, 제1 및 제2 필름지(35a),(35b) 사이에 평면 배치된 광섬유(33)를 고정함과 동시에 제1 및 제2 필름지(35a),(35b)를 일체화하기 위하여 접착제를 사용한다. 이를 위하여, 제1 필름지(35a) 상에 평면 배치된 광섬유(33)를 접착제를 이용하여 고정함과 아울러 해당 광섬유(33)가 평면 배치된 제1 필름지(35a) 상에 접착제를 도포하여 제2 필름지(35b)를 포개어서 부착하거나, 접착제가 도포된 제1 필름지(35a) 상에 광섬유(33)를 평면 배치하여 접착하고서 접착제가 도포된 제2 필름지(35b)를 그 위에 포개어서 부착할 수도 있다. 제1 필름지(35a) 및 제2 필름지(35b)는 방수성, 내마모성 및 내열성을 갖는 통상적인 필름지를 사용하고, 접착제는 방수성 및 내열성을 갖는 통상적인 접착제를 사용하면 되므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 이루어진 다방향 면적형 센서(30)는 구조물에 직접 부착 설치하되, FBG 센서(37)는 계측 시스템으로부터 입사되는 광을 구조물로부터 가해지는 변형에 따라서 특정 파장으로 반사시키며, 계측 시스템에서는 해당 반사광의 파장 변화를 측정함으로써 구조물의 변형률을 계측할 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2 필름지(35a), (35b) 사이에 광섬유(33)를 평면 배치하여 일체화시켜 구성한 제1 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(30)는 FBG 센서(37)를 필름지에 의해 보호하는 구조로 되어있어서 별도의 하우징을 사용하지 않고서도 구조물에 직접 접착하여 설치할 수 있으므로 구조물에서 발생하는 변형을 직접적으로 정확히 계측할 수 있다. 그리고, 제1 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(30)는 복수의 FBG 센서(37)에 의해 일정 면적의 계측 영역을 형성하여 구조물의 변형률을 계측하므로, 계측 지점에 구조물의 국부적 손상 부위가 존재하더라도 해당 손상 부위 이외에 배열된 FBG 센서(37)에 의해 구조물의 실제 변형을 계측할 수 있어서, 구조물의 국부적 손상 부위에 기인한 변형률 계측 오류를 방지할 수 있다. 또한, 제1 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(30)는, 도 14에 예시한 바와 같이, 원하는 수의 FBG 센서 군을 테이프(TP) 형태로 제작하여 해당 테이프(TP)의 절취선(CL)을 따라 절취하여서 계측 대상의 구조물에 직접 부착하되 통상의 접착제를 이용하여 구조물에 접착함으로써 복수의 FBG 센서(37)를 한 번에 용이하게 계측 지점에 부착하여 설치할 수 있으므로 센서 설치를 단시간에 시행할 수 있어서 센서를 경제성 있게 설치할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 평면도이고, 도 7는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 분해 사시도이다. 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에 배치되는 FBG 센서를 구비한 광섬유의 배치와 필름지의 배치를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에서의 FBG 센서의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 구조물의 2방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서(40)는 복수의 FBG 센서를 구비한 하나의 광섬유(43)를 두 번 연속하여 평면 배치하되 해당 평면 배치를 세 장의 필름지(45) 사이에 삽입하여 이루어진다. 세 장의 필름지(45) 사이에 광섬유(43)를 두 번 연속하여 평면 배치하는 경우에, 해당 광섬유(43)에 구비된 FBG 센서를 일정 간격으로 배열하되 FBG 센서가 도시부호 47로 표시한 바와 같이 횡 방향 및 종 방향으로 상호 교차하도록 광섬유(43)를 2개 층으로 평면 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 광섬유(43)에 구비된 FBG 센서가 일정한 간격으로 횡 방향 및 종 방향으로 교차하여 배열되도록 광섬유(43)를 두 번 연속하여 평면 배치하여서 다방향 면적형 센서(40)를 구성함으로써, 다방향 면적형 센서(40)에 구비되는 두 방향으로 배열된 FBG 센서에 의해 구조물의 일정 면적에서 발생하는 2방향의 변형률을 계측할 수 있다.
이와 같은 다방향 면적형 센서(40)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 필름지(45a) 및 제2 필름지(45b) 사이에 FBG 센서를 구비한 광섬유(43)를 횡방향으로 배열되도록 평면 배치함과 아울러 제2 필름지(45b) 및 제3 필름지(45c) 사이에 FBG 센서를 구비한 상기 광섬유(43)를 연속적으로 종방향으로 배열되도록 평면 배치함으로써 광섬유(43)를 두 번 연속하여 평면 배치하되, 제1 필름지(45a) 및 제2 필름지(45b) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 횡방향으로 배열되도록 광섬유(43)를 배치하고, 제2 필름지(45b) 및 제3 필름지(45c) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 종방향으로 배열되도록 광섬유(43)를 배치함으로써 두 번 연속하여 평면 배치된 광섬유(43)의 각 교차 지점(47)에서 FBG 센서가 상호 다른 방향으로 교차하여 배열되도록 구성된다. 광섬유(43)를 평면 배치한 제1 필름지(45a) 상에 제2 필름지(45b)를 포개어 부착하고, 해당 제2 필름지(45b) 상에 광섬유(43)를 연속적으로 평면 배치하고, 제2 필름지(45b) 상에 제3 필름지(45c)를 포개어 부착한다.
이때, 제1 및 제2 필름지(45a),(45b) 사이에 평면 배치된 광섬유(43)와, 제2 필름지(45b) 및 제3 필름지(45c) 사이에 평면 배치된 광섬유(43)와, 제1 내지 제3 필름지(45a, 45b, 45c)를 일체화하기 위하여 접착제를 사용하여 부착한다. 이를 위하여, 제1 필름지(45a) 상에 평면 배치한 광섬유(43)를 접착제를 이용하여 고정함과 아울러 해당 광섬유(43)가 배치된 제2 필름지(45b) 상에 접착제를 도포하여 제2 필름지(45b)를 포개어서 부착하고 해당 제2 필름지(45b) 상에 연속적으로 평면 배치한 광섬유(43)를 접착제를 이용하여 고정하고서 해당 제2 필름지(45b) 상에 제3 필름지(45c)를 포개어 접착제를 이용하여 접착하거나, 접착제가 도포된 제1 필름지(45a) 상에 광섬유(43)를 평면 배치하여 접착하고서 접착제가 양면에 도포된 제2 필름지(45b)를 그 위에 포개어서 부착하고서 제2 필름지(45b) 상에 광섬유(43)를 연속적으로 평면 배치하고 해당 제2 필름지(45b) 상에 접착제가 도포된 제3 필름지(45c)를 부착할 수도 있다. 제1 내지 제3 필름지(45a, 45b, 45c)는 방수성, 내마모성 및 내열성을 갖는 통상적인 필름지를 사용하고, 접착제는 방수성 및 내열성을 갖는 통상적인 접착제를 사용하면 되므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
제2 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(40)에서의 복수의 FBG 센서를 구비한 광섬유(43)의 배치를 좀더 세부적으로 설명하면, 도 8에 도시된 바와 같이, 실선으로 표시한 횡방향으로 배열되는 광섬유(43)의 부분은 제1 필름지(45a) 및 제2 필름지(45b) 사이에 평면 배치되어서 부착되고, 파선으로 표시한 종방향으로 배열되는 광섬유(43)의 부분은 제2 필름지(45b) 및 제3 필름지(45c) 사이에 연속적으로 평면 배치되어서 부착된다. 이 때, 제1 필름지(45a) 상에 평면 배치 완료된 광섬유(43)는 제2 필름지(45b)의 일부를 관통하여 제2 필름지(45b) 상에 인출되어서 해당 제2 필름지(45b) 상에 평면 배치되며, 해당 연속하여 두 번 평면 배치되는 광섬유(43)는 연속적으로 이어진 하나의 광섬유이다. 제2 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(40)는 광섬유(43)를 두 번 연속하여 평면 배치하되 평면 배치된 광섬유(43)의 각 교차 점(47)에서 FBG 센서가 다른 방향으로 교차하여 배열되도록 구성되는데, 각 교차 점(47)에서 교차하여 배열되는 FBG 센서는 도 9의 측 단면도에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 필름지(45a), (45b) 사이에 횡방향으로 평면 배치된 광섬유의 FBG 센서(47)가 위치됨과 아울러 제2 및 제3 필름지(45b), (45c) 사이에 종방향으로 평면 배치된 광섬유의 FBG 센서(47)가 위치되는 형태로 배열된다.
이와 같이 이루어진 제2 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(40)는 구조물에 직접 부착 설치하되, 다방향 면적형 센서(40)는 연속적으로 두 번 평면 배치된 광섬유(43)의 각 교차 점(47)에서 FBG 센서가 교차하여 배열되도록 구성되어 있으므로, 해당 2방향으로 교차하여 설치된 FBG 센서가 계측 시스템으로부터 입사되는 광을 구조물로부터 가해지는 변형에 따라서 특정 파장으로 반사시키며, 계측 시스템에서는 해당 반사광의 파장 변화를 측정함으로써 2방향의 변형률을 계측할 수 있다.
이와 같이 제1 필름지(45a) 및 제2 필름지(45b) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 배열되도록 광섬유(43)를 횡방향으로 배열하여 평면 배치하고, 제2 필름지(45b) 및 제3 필름지(45c) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 배열되도록 광섬유(43)를 종방향으로 배열하여 평면 배치하여서 일체화하여 구성한 제2 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(40)는, FBG 센서(47)를 필름지에 의해 보호하는 구조로 되어있어서 별도의 하우징을 사용하지 않고서도 구조물에 직접 접착하여 설치할 수 있으므로 구조물에서 발생하는 변형을 직접적으로 정확히 계측할 수 있다. 그리고, 제2 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(40)는 2 방향으로 교차시켜 배열한 복수의 FBG 센서(47)에 의해 일정 면적의 계측 영역을 형성하여 구조물의 2방향의 변형률을 계측하므로, 계측 지점에 구조물의 국부적 손상 부위가 존재하더라도 해당 손상 부위 이외에 배열된 FBG 센서(47)에 의해 구조물의 실제 변형을 계측할 수 있어서, 구조물의 국부적 손상 부위에 기인한 변형률 계측 오류를 방지할 수 있다. 또한, 제2 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(40)는. 도 14에 예시한 바와 같이, 원하는 수의 FBG 센서 군을 테이프(TP) 형태로 제작하여 해당 테이프(TP)의 절취선(CL)을 따라 절취하여서 계측 대상의 구조물에 직접 부착하되 통상의 접착제를 이용하여 구조물에 접착함으로써 복수의 FBG 센서(47)를 한 번에 용이하게 계측 지점에 부착하여 설치할 수 있으므로 센서 설치를 단시간에 시행할 수 있어서 센서를 경제성 있게 설치할 수 있다.
또한, 도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 평면도이고, 도 11는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서의 분해 사시도이다. 또한, 도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에 배치되는 FBG 센서를 구비한 광섬유의 배치와 필름지의 배치를 설명하기 위한 도면이고, 도 13은 본 발명의 제3 실시예에 따른 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서에서의 FBG 센서의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 구조물의 3방향의 변형률을 계측하기 위한 FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서(50)는 복수의 FBG 센서를 구비한 하나의 광섬유(53)를 세 번 연속하여 평면 배치하되 해당 평면 배치를 네 장의 필름지(55) 사이에 삽입하여 이루어진다. 네 장의 필름지(55) 사이에 광섬유(53)를 세 번 연속하여 평면 배치하는 경우에, 해당 광섬유(53)에 구비된 FBG 센서를 일정 간격으로 배열하되 FBG 센서가 도시부호 57로 표시한 바와 같이 서로 다른 방향으로 3중 교차하도록 광섬유(53)를 평면 배치하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 광섬유(53)에 구비된 FBG 센서가 일정한 간격으로 다른 방향으로 교차하여 배열되도록 광섬유(53)를 세 번 연속하여 평면 배치하여서 다방향 면적형 센서다방향 면적형 센서(50)를 구성함으로써, 다방향 면적형 센서(50)에 구비되는 세 방향으로 배열된 FBG 센서에 의해 구조물의 일정 면적에서 발생하는 3방향의 변형률을 계측할 수 있다.
이와 같은 다방향 면적형 센서(50)는, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 필름지(55a) 및 제2 필름지(55b) 사이에 FBG 센서를 구비한 광섬유(53)를 제1 방향으로 배열되도록 평면 배치하고 제2 필름지(55b) 및 제3 필름지(55c) 사이에 FBG 센서를 구비한 광섬유(53)를 연속적으로 제2 방향으로 배열되도록 평면 배치함과 아울러 제3 필름지(55c) 및 제4 필름지(55d) 사이에 FBG 센서를 구비한 광섬유(53)를 연속적으로 제3 방향으로 배열되도록 평면 배치함으로써 광섬유(43)를 세 번 연속하여 평면 배치하되, 제1 필름지(55a) 및 제2 필름지(55b) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 제1 방향으로 배열되도록 광섬유(53)를 평면 배치하고, 제2 필름지(55b) 및 제3 필름지(55c) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 제2 방향으로 배열되도록 광섬유(53)를 평면 배치함과 아울러 제3 필름지(55c) 및 제4 필름지(55d) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 제3 방향으로 배열되도록 광섬유(53)를 평면 배치함으로써 세 번 연속하여 평면 배치된 광섬유(53)의 각 교차 지점(57)에서 FBG 센서가 상호 다른 방향으로 3중 교차하여 배열되도록 구성된다. 광섬유(53)를 평면 배치한 제1 필름지(55a) 상에 제2 필름지(55b)를 포개어 부착하고, 제2 필름지(55b) 상에 광섬유(53)를 연속적으로 평면 배치하고, 제2 필름지(55b) 상에 제3 필름지(55c)를 포개어 부착하고, 제3 필름지(55c) 상에 광섬유(53)를 연속적으로 평면 배치하고, 제3 필름지(55c) 상에 제4 필름지(55d)를 포개어 부착한다.
이때, 제1 및 제2 필름지(55a),(55b) 사이에 평면 배치된 광섬유(53)와, 제2 필름지(55b) 및 제3 필름지(55c) 사이에 평면 배치된 광섬유(53)와, 제3 필름지(55c) 및 제4 필름지(55d) 사이에 평면 배치된 광섬유(53)와, 제1 내지 제4 필름지(55a, 55b, 55c, 55d)를 일체화하기 위하여 접착제를 사용하여 부착한다. 이를 위하여, 제1 필름지(55a) 상에 평면 배치한 광섬유(53)를 접착제를 이용하여 고정함과 아울러 해당 광섬유(53)가 배치된 제1 필름지(55a) 상에 접착제를 도포하여 제2 필름지(55b)를 포개어서 부착하고 해당 제2 필름지(55b) 상에 연속적으로 평면 배치한 광섬유(53)를 접착제를 이용하여 고정하고서 해당 제2 필름지(55b) 상에 제3 필름지(55c)를 포개어 접착제를 이용하여 접착하고 해당 제3 필름지(55c) 상에 연속적으로 평면 배치한 광섬유(53)를 접착제를 이용하여 고정하고서 해당 제3 필름지(55c) 상에 접착제를 도포하여 제4 필름지(55d)를 포개어 접착하거나, 접착제가 도포된 제1 필름지(55a) 상에 광섬유(53)를 평면 배치하여 접착하고서 접착제가 양면에 도포된 제2 필름지(55b)를 그 위에 포개어서 부착하고서 제2 필름지(55b) 상에 광섬유(53)를 연속적으로 평면 배치하고 해당 제2 필름지(55b) 상에 접착제가 양면에 도포된 제3 필름지(55c)를 포개어서 부착하고서 제3 필름지(55c) 상에 광섬유(53)를 연속적으로 평면 배치하고 해당 제3 필름지(55c) 상에 접착제가 도포된 제4 필름지(55d)를 포개어서 부착할 수도 있다. 제1 내지 제4 필름지(55a, 55b, 55c, 55d)는 방수성, 내마모성 및 내열성을 갖는 통상적인 필름지를 사용하고, 접착제는 방수성 및 내열성을 갖는 통상적인 접착제를 사용하면 되므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
제3 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(50)에서의 복수의 FBG 센서를 구비한 광섬유(53)의 배치를 좀더 세부적으로 설명하면, 도 12에 도시된 바와 같이, 실선으로 표시한 제1 방향으로 배열되는 광섬유(53)의 부분은 제1 필름지(55a) 및 제2 필름지(55b) 사이에 평면 배치되어서 부착되고, 파선으로 표시한 제2 방향으로 배열되는 광섬유(53)의 부분은 제2 필름지(55b) 및 제3 필름지(55c) 사이에 연속적으로 평면 배치되어서 부착되고, 일점쇄선으로 표시한 제3 방향으로 배열되는 광섬유(53)의 부분은 제3 필름지(55c) 및 제4 필름지(55d) 사이에 연속적으로 평면 배치되어서 부착되는데, 제1 필름지(55a) 상에 평면 배치 완료된 광섬유(53)는 제2 필름지(55b)의 일부를 관통하여 제2 필름지(55b) 상에 인출되어서 해당 제2 필름지(55b) 상에 평면 배치되고, 제2 필름지(55b) 상에 평면 배치 완료된 광섬유(53)는 제3 필름지(55c)의 일부를 관통하여 제3 필름지(55c) 상에 인출되어서 해당 제3 필름지(55c) 상에 평면 배치되며, 해당 연속하여 세 번 평면 배치되는 광섬유(53)는 연속적으로 이어진 하나의 광섬유이다. 제3 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(50)는 광섬유(53)를 세 번 연속하여 평면 배치하되 평면 배치된 광섬유(53)의 각 교차 점(57)에서 FBG 센서가 서로 다른 방향으로 교차하여 배열되도록 구성되는데, 각 교차 점(57)에서 교차하여 배열되는 FBG 센서는 도 13의 측 단면도에 도시된 바와 같이 제1 및 제2 필름지(55a), (55b) 사이에 제1 방향으로 배열하여 평면 배치된 광섬유의 FBG 센서(57)가 위치됨과 아울러 제2 및 제3 필름지(55b), (55c) 사이에 제2 방향으로 배열하여 평면 배치된 광섬유의 FBG 센서(57)가 위치되고, 제3 및 제4 필름지(55c), (55d) 사이에 제3 방향으로 배열하여 평면 배치된 광섬유의 FBG 센서(57)가 위치되는 형태로 배열된다.
이와 같이 이루어진 제3 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(50)는 구조물에 직접 부착 설치하되, 다방향 면적형 센서(50)는 연속적으로 세 번 평면 배치된 광섬유(53)의 각 교차 점(57)에서 FBG 센서가 서로 다른 방향으로 3중 교차하여 배열되도록 구성되어 있으므로, 해당 3방향으로 교차하여 설치된 FBG 센서가 계측 시스템으로부터 입사되는 광을 구조물로부터 가해지는 변형에 따라서 특정 파장으로 반사시키며, 계측 시스템에서는 해당 반사광의 파장 변화를 측정함으로써 3방향의 변형률을 계측할 수 있다.
특히, 제3 실시예에 따른 3방향 변형률을 계측하는 다방향 면적형 센서(50)는, 평면응력장에서 주응력, 전단응력, 응력방향이 알려져 있지 않을 때 그 응력과 방향을 알기 위하여 측정하고 측정물의 한 점을 중심으로 하여 적어도 3방향 이상의 변형률을 측정하기 위한 로젯 변형 게이지(Rosette Strain Gage)로서 활용될 수도 있다.
이와 같이 제1 필름지(55a) 및 제2 필름지(55b) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 배열되도록 광섬유(53)를 제1 방향으로 배열하여 평면 배치하고, 제2 필름지(55b) 및 제3 필름지(55c) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 배열되도록 광섬유(53)를 제2 방향으로 배열하여 평면 배치하고, 제3 필름지(55c) 및 제4 필름지(55d) 사이에 각 FBG 센서가 일정한 간격으로 배열되도록 광섬유(53)를 제3 방향으로 배열하여 평면 배치하여서 일체화하여 구성한 제3 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(50)는, FBG 센서(57)를 필름지에 의해 보호하는 구조로 되어있어서 별도의 하우징을 사용하지 않고서도 구조물에 직접 접착하여 설치할 수 있으므로 구조물에서 발생하는 변형을 직접적으로 정확히 계측할 수 있다. 그리고, 제3 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(50)는 3 방향으로 교차시켜 배열한 복수의 FBG 센서(57)에 의해 일정 면적의 계측 영역을 형성하여 구조물의 3방향의 변형률을 계측하므로, 계측 지점에 구조물의 국부적 손상 부위가 존재하더라도 해당 손상 부위 이외에 배열된 FBG 센서(57)에 의해 구조물의 실제 변형을 계측할 수 있어서, 구조물의 국부적 손상 부위에 기인한 변형률 계측 오류를 방지할 수 있다. 또한, 제3 실시예에 따른 다방향 면적형 센서(50)는. 도 14에 예시한 바와 같이, 원하는 수의 FBG 센서 군을 테이프(TP) 형태로 제작하여 해당 테이프(TP)의 절취선(CL)을 따라 절취하여서 계측 대상의 구조물에 직접 부착하되 통상의 접착제를 이용하여 구조물에 접착함으로써 복수의 FBG 센서(57)를 한 번에 용이하게 계측 지점에 부착하여 설치할 수 있으므로 센서 설치를 단시간에 시행할 수 있어서 센서를 경제성 있게 설치할 수 있다.
30, 40, 50; FBG 광센서를 이용한 테이프형 다방향 면적형 센서
33, 43, 53: 광섬유
35, 35a, 35b, 45, 45a, 45b, 45c, 55, 55a, 55b, 55c, 55d; 필름지
37, 47, 57; FBG 센서

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 구조물의 3방향의 변형률을 계측하기 위한 변형률 계측 센서로서,
    복수의 FBG 센서를 구비한 광섬유는 제1 필름지 및 제2 필름지 사이에서 제1 방향으로 배열되어 평면 배치되고;
    상기 제1 필름지 상에 평면 배치 완료된 광섬유는, 연속적으로 제2 필름지의 일부를 관통하여 제2 필름지의 상면으로 인출되어 제2 필름지 상에서, 제1 방향과 상이한 제2 방향으로 배열되어 평면 배치되고;
    상기 제2 필름지 상에 평면 배치 완료된 광섬유는, 연속적으로 제3 필름지의 일부를 관통하여 제3 필름지의 상면으로 인출되어 제3 필름지 상에서, 제1 방향 및 제2 방향과 상이한 제3 방향으로 배열되어 평면 배치됨으로써;
    연속적으로 이어져서 제1 필름지와 제2 필름지와 제3 필름지 각각의 상면에 평면 배치된 상기 하나의 광섬유가 서로 교차하는 교차점에 FBG 센서가 상호 다른 방향으로 3중으로 포개져 교차한 상태로 배열되며;
    상기 제3 필름지 상에 평면 배치 완료된 광섬유를 제4 필름지가 덮으며;
    상기 제1 필름지, 제2 필름지, 제3 필름지, 제4 필름지 및 상기 광섬유는 접착제에 의해 서로 부착되어 일체화됨으로써 네 장의 필름지 사이에 하나의 광섬유가 세 번 연속하여 서로 다른 세 방향으로 평면 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 변형률 계측 센서.
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