KR101446022B1 - 광섬유 볼트 풀림 모니터링 시스템 및 방법 - Google Patents

광섬유 볼트 풀림 모니터링 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

광섬유 볼트 풀림 모니터링 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템은, 적어도 하나의 볼트에 각각 설치된 적어도 하나의 볼트 풀림 센싱 노드가 마련된 광섬유 라인과 광섬유 라인에 광 펄스를 인가한 후 수신되는 광의 감쇠 추적을 통해 적어도 하나의 볼트의 풀림을 감지하는 광 측정기를 포함한다. 이에 의해, 다수의 볼트 체결을 상시 감시할 수 있고, 풀림 정도를 정량적으로 계측할 수 있게 된다.

Description

광섬유 볼트 풀림 모니터링 시스템 및 방법{A Fiber optic bolt loosening monitoring system and method}
본 발명은 광섬유 모니터링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유를 이용하여 설비 상의 볼트체결 구조적 문제를 모니터링하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
구조공학에서 볼트 체결은 피할 수 없는 디자인이며 대부분의 구조는 수천, 수만개의 볼트 체결부를 가지게 된다. 구조, 예를 들어 항공기, 기차 등 장기간 사용에 따라 지속적으로 진동에 노출되게 되고 이로 인해 볼트체결이 풀리는 사고가 발생한다.
압전소자 임피던스 기법, 압전소자 와셔 임피던스 기법, 유도파 기법을 사용한 볼트 풀림 감지 연구가 다수 진행되었다. 그러나, 이 기술들은 볼트 풀림에 의해 야기되는 토크량의 차이를 감지하기 때문에, 90도와 같이 심각한 볼트 풀림만 감지가 되며, 일반적으로 하나의 압전소자로 하나의 볼트체결 감시가 가능하기 때문에 많은 수의 압전소자, 케이블, 시스템 채널이 필요하다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 다수의 볼트 체결을 상시 감시할 수 있고 풀림 정도를 정량적으로 계측할 수 있는 광섬유 볼트 풀림 모니터링 시스템 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 볼트 풀림 모니터링 시스템은, 적어도 하나의 볼트에 각각 설치된 적어도 하나의 볼트 풀림 센싱 노드가 마련된 광섬유 라인; 및 상기 광섬유 라인에 광 펄스를 인가한 후 수신되는 광의 감쇠 추적을 통해, 상기 적어도 하나의 볼트의 풀림을 감지하는 광 측정기;를 포함한다.
광섬유는, 싱글모드 혹은 멀티모드 실리카 광섬유, 플라스틱 광섬유, 소직경 광섬유, 금속코팅 광섬유, 하드폴리머클래드 광섬유, 사파이어 광섬유, 할로우코어 광섬유일 수 있다.
상기 볼트 풀림 센싱 노드는, 제1 지점이 볼트에 연결되고, 제2 지점이 너트에 연결되어 있는 광섬유 라인의 일부분일 수 있다.
상기 볼트 또는 상기 너트가 풀림으로 인해, 상기 일부분은 전반사조건이 붕괴될 만큼 구부러질 수 있다.
상기 일부분이 구부러지면, 상기 일부분에서 광 손실이 발생하고, 상기 광 측정기는, 상기 광 손실을 감지하여, 상기 볼트 또는 상기 너트의 풀림을 감지할 수 있다.
상기 광 측정기는, 광 손실량을 측정하여 상기 볼트 또는 상기 너트의 풀림 각도를 파악할 수 있다.
상기 광섬유 라인에 다수의 볼트 풀림 센싱 노드가 마련된 경우, 상기 다수의 볼트 풀림 센싱 노드는 직렬로 연결될 수 있다.
상기 광 측정기는, 감쇠된 광의 수신 시간을 기초로, 풀려진 볼트의 위치를 파악할 수 있다.
상기 광 측정기는, 광손실측정기 혹은 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 볼트 풀림 모니터링 방법은, 적어도 하나의 볼트에 각각 설치된 적어도 하나의 볼트 풀림 센싱 노드가 마련된 광섬유 라인에 광 펄스 혹은 연속파를 인가하는 단계; 및 상기 광섬유 라인으로부터 수신되는 광의 감쇠 추적을 통해, 상기 적어도 하나의 볼트의 풀림을 감지하는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 다수의 볼트 체결을 상시 감시할 수 있고, 풀림 정도를 정량적으로 계측할 수 있게 된다. 또한, 다수의 볼트체결을 단일 광섬유 라인으로 동시에 감시할 수 있기 때문에 경제성이 매우 우수하다.
뿐만 아니라, 온도의 변화와 진동에 대해 광신호의 변화가 매우 작기 때문에 1°내외의 정밀한 상시감시가 가능하며 OTDR과 광섬유의 결합은 수십 km의 모니터링 거리를 제공하기 때문에 단일 시스템으로 최소한 수천 개의 볼트체결을 감시할 수 있는 이점을 제공한다.
도 1은 광섬유에서 굽힘 손실 메커니즘의 설명에 제공되는 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템을 도시한 도면,
도 3은 볼트 풀림 센싱 노드의 구조를 보다 자세하게 나타낸 도면,
도 4는 본 실시예에 사용가능한 SMF(코닝 SMF-28)을 제시한 도면,
도 5는 JDSU MTS-6000 OTDR 모델을 촬영한 사진,
도 6은 본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템을 실제작하여 촬영한 사진, 그리고,
도 7 내지 도 11은 실험결과를 나타낸 사진과 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 광섬유에서 굽힘 손실(Bend loss) 메커니즘의 설명에 제공되는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유의 직선 영역에서는 광 손실이 발생하지 않지만, 곡선 영역에서는 광 손실이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 볼트 풀림 모니터링 시스템은, 이와 같은 굽힘 손실 메커니즘에 기반한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 광섬유 볼트 풀림 모니터링 시스템은 단일 SMF(Single Mode Fiber) 라인(100)과 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)(200)을 포함하여 구축된다.
도 4에는 본 실시예에 사용가능한 SMF(코닝 SMF-28)을 제시하였는데, 이는 예시적인 것으로 다른 종류의 SMF가 사용될 수 있다. 더 나아가, 싱글모드 혹은 멀티모드 실리카 광섬유, 플라스틱 광섬유, 소직경 광섬유, 금속코팅 광섬유, 하드폴리머클래드 광섬유, 사파이어 광섬유, 할로우코어 광섬유 등이 사용될 수도 있다.
OTDR(200)은 광 펄스 또는 연속파를 SMF 라인(100)에 입사시켜 파단점에서의 프레넬 반사 또는 광섬유 내의 레일리 산란광을 검출함으로써 SMF(100)의 손실특성을 측정하기 위한 광 신호 측정기이다.
OTDR(200)은 SMF 라인(100)에서의 감쇠 및 반사 지점을 특정하기 위해, SMF 라인(100)으로부터의 반사를 측정한다. OTDR(200)은 도 5에 도시된 바와 같은 JDSU MTS-6000 OTDR 모델을 사용할 수 있지만, 그 밖의 다른 모델을 사용하는 것도 가능하며 반사광 대신 투과광을 측정하는 장치도 가능하다. 즉, OTDR(200)을 광 손실 측정기로 대체할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, SMF 라인(100)에는 볼트 풀림 센싱 노드들(110, 120)이 형성되어 있다. 볼트 풀림 센싱 노드들(110, 120)은 SMF 라인(100)의 일부분을 볼트와 너트 사이에 연결하여 구현한다.
도 2에 도시된 볼트 풀림 모니터링 시스템에는 2개의 볼트 풀림 센싱 노드들(110, 120)만이 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것으로, 이들의 개수는 1개 또는 3개 이상으로 가능하다.
도 3은 볼트 풀림 센싱 노드의 구조를 보다 자세하게 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바를 통해, 볼트 풀림 검출 원리를 이해할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 볼트 풀림 센싱 노드(120)가 형성된 볼트나 너트가 θ 만큼 회전하여 풀리게 되면, 볼트 풀림 센싱 노드(120)의 볼트 접점과 너트 접점 사이의 SMF 라인 부분은 전반사조건이 붕괴될 만큼 구부러져 광손실이 발생할 수도 있을 것임을 짐작할 수 있다.
이와 같은 광 손실은 OTDR(200)에 의한 감쇠 추적으로 감지될 수 있고, OTDR(200)에 의한 광 주행 거리 측정을 통해 풀려진(느슨해진) 볼트의 위치를 파악할 수 있다. 구체적으로, OTDR(200)은 광 펄스 또는 연속파를 SMF(100)에 입사시킨 후에, 수신된 광의 광량을 측정하여 감쇠를 감지하고, 수신 시간을 분석하여 볼트의 위치를 파악하게 된다.
한편, 볼트나 너트의 풀림 각도에 따라 광섬유의 구부러짐이 달라져 그에 따른 광 손실량 역시 달라지므로, OTDR(200)은 풀림 각도를 정량적으로 측정할 수 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템을 실제작하여 촬영한 사진이다. 실제작된 볼트 풀림 모니터링 시스템은 무인 공중 비행체의 재질과 동일한 스테인레스 스틸에 설치된 10개의 볼트/너트의 풀림을 모니터링하기 위한 것이다.
볼트 풀림 센싱 노드 1(Sensor 1)의 너트를 0°에서 11°까지 1°씩 증가시키면서 회전시키고, OTDR 감쇠 추적을 통해 볼트 풀림을 관찰한 결과가 도 7에 나타나 있다. 도 7에 도시된 바에 따르면, 감쇠(광 손실)는 풀림 각도에 따라 증가하는 것으로 나타났음을 확인할 수 있다.
보다 구체적으로는, 도 8에 나타난 바와 같이, 광 손실은 볼트 풀림 각에 따라 지수적으로 증가하였다. 따라서, 본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템을 통해 초기 볼트 풀림을 감지할 수 있음은 물론, 지수 곡선으로 풀림 각도를 정량화할 수 있다.
도 9는 본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템의 온도 변화에 따른 환경 실험 상황을 촬영한 사진이다. 챔버의 온도를 25℃부터 55℃까지 5℃ 씩 변화시키면서, 광 손실을 측정한 결과, 도 10에 도시된 바와 같이 온도 변화에 따른 편차는 크게 문제되지 않는 것으로 나타났다.
본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템의 가장 중요한 장점 중 하나는, 하나의 SMF 라인(100)을 이용하여 다수의 볼트 풀림 센싱 노드들을 직렬로 형성하고 동시에 여러 개의 볼트 풀림을 모니터링할 수 있는 기능이다.
OTDR의 거리 해상도를 고려할 때, 본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템은 수십 킬로미터 거리에 걸쳐 수천 개 이상의 볼트 풀림을 모니터링할 수 있다.
도 6에 도시된 10개의 볼트 조인트들에 대해, 홀수 번째 볼트 조인트들만을 6°씩 풀면서 측정한 광 손실과, 짝수 번째 볼트 조인트들만을 6°씩 풀면서 측정한 광 손실을 도 11에 나타내었다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템은 다수의 볼트 풀림을 동시에 모니터링할 수 있음은 물론, 느슨해진 볼트들의 위치들을 동시에 파악할 수 있음을 확인할 수 있다.
지금까지, SMF 라인(100)과 OTDR(200)을 이용한 볼트 풀림 모니터링 시스템 및 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 설명하고, 광섬유 볼트 풀림 모니터링 시스템을 실제작하여 수행한 실험결과에 대해 상세히 설명하였다.
본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템은 항공기, 교량, 발전소, 풍력터빈, 공장등 다량의 볼트체결을 포함한 구조물에서 볼트 풀림을 상시 감시하기 위한 용도로 사용가능하다.
언급한 항공기, 교량 등의 설비와 시설은 예시적인 것으로, 볼트 체결 구조를 가진 모든 구조물의 구조 건전성 모니터링을 위해 본 실시예에 따른 볼트 풀림 모니터링 시스템이 적용될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : SMF(Single Mode Fiber) 라인
200 : OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)
110, 120 : 볼트 풀림 센싱 노드

Claims (9)

  1. 적어도 하나의 볼트에 각각 설치된 적어도 하나의 볼트 풀림 센싱 노드가 마련된 광섬유 라인; 및
    상기 광섬유 라인에 광을 인가한 후 수신되는 광의 감쇠 추적을 통해, 상기 적어도 하나의 볼트의 풀림을 감지하는 광 측정기;를 포함하고,
    상기 볼트 풀림 센싱 노드는,
    제1 지점이 볼트에 연결되고, 제2 지점이 너트에 연결되어 있는 광섬유 라인의 일부분이며,
    상기 볼트 또는 상기 너트가 풀림으로 인해, 상기 일부분은 구부러지는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 모니터링 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 일부분이 구부러지면, 상기 일부분에서 광 손실이 발생하고,
    상기 광 측정기는,
    상기 광 손실을 감지하여, 상기 볼트 또는 상기 너트의 풀림을 감지하는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 모니터링 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광 측정기는,
    광 손실량을 측정하여 상기 볼트 또는 상기 너트의 풀림 각도를 파악하는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 모니터링 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 라인에 다수의 볼트 풀림 센싱 노드가 마련된 경우, 상기 다수의 볼트 풀림 센싱 노드는 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 모니터링 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 광 측정기는,
    감쇠된 광의 수신 시간을 기초로, 풀려진 볼트의 위치를 파악하는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 모니터링 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 광 측정기는,
    OTDR(Optical Time Domain Reflectometry)인 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 모니터링 시스템.
  9. 적어도 하나의 볼트에 각각 설치된 적어도 하나의 볼트 풀림 센싱 노드가 마련된 광섬유 라인에 광 펄스를 인가하는 단계; 및
    상기 광섬유 라인으로부터 수신되는 광의 감쇠 추적을 통해, 상기 적어도 하나의 볼트의 풀림을 감지하는 단계;를 포함하고,
    상기 볼트 풀림 센싱 노드는,
    제1 지점이 볼트에 연결되고, 제2 지점이 너트에 연결되어 있는 광섬유 라인의 일부분이며,
    상기 볼트 또는 상기 너트가 풀림으로 인해, 상기 일부분은 구부러지는 것을 특징으로 하는 볼트 풀림 모니터링 방법.
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