KR101687956B1 - 광원을 이용한 경사계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광원을 이용한 경사계에 관한 것으로, 광원을 이용한 경사계에 있어서, 사방으로 광을 조사하는 광원; 상기 광원을 중심으로 하는 링의 형태를 가지고, 거품을 포함한 액체로 채워지며, 상기 광을 투과시켜 투과광을 생성하고, 상기 광을 반사하여 반사광을 생성하는 유리관; 상기 광원과의 사이에 상기 유리관을 두고 상기 유리관을 둘러싸는 형태로 형성되고, 상기 투과광 및 상기 반사광을 감지하는 센서; 및 상기 센서로부터 감지 결과를 입력받아 경사도를 판단하는 제어부를 포함하는 광원을 이용한 경사계를 제공한다.

Description

광원을 이용한 경사계{CLINOMETER USING LIGHT SOURCE}

본 발명은 광원을 이용한 경사계에 관한 것으로서, 특히 광원이 조사하는 빛이 경사도에 영향을 받는 투과물에 투과되어 수신단에 도달하도록 하고, 수신단에 도달한 빛의 세기와 위치를 감지하여 경사도를 측정하는 광원을 이용한 경사계에 관한 것이다.

일반적으로 다양한 분야에서 각도 또는 경사를 측정하는 것을 필요로 하고 있다. 예를 들면, 지중 경사계는 건설 현장에서 굴착 작업 또는 성토 작업을 수행하는 경우에 공동 현상, 지하 수위의 변화 등 기타 영향으로 인한 토립자의 수평 변위량의 위치, 크기 및 속도를 계측하여 설계상의 예상 변위량과 비교 검토함으로써 안전도 및 피해 영향권을 추정하는 데 사용되고 있다.

특히, 광학 경사계는, 광원이 조사하는 광을 매질인 액면, 즉, 기체와 액체가 이루는 수평 경계면에 투과시키고, 이를 통하여 광선의 위상 이동이 야기되면, 야기된 위상 이동을 검출하여 소정의 관계식에 따라 경사도를 측정하고 있다.

다시 말하면, 스넬의 법칙(Snell's law)에 따라 굴절률이 다른 2개의 등방, 비전도성 매질의 경계에서 빛이 굴절할 때 입사광의 방향(i)과 굴절광의 방향(r)(액면에 대한 법선을 기준으로 한 각도) 사이에 sin i/sin r=n2/n1와 같은 식이 성립하므로 이를 이용하여 경사도를 측정할 수 있다(여기서, n1은 입사광이 통과하는 매질의 굴절률이고, n2는 굴절광이 통과하는 매질의 굴절률이다).

그러나, 전술한 바와 같은 종래의 광학 경사계에 의하면, 광선의 위상 이동을 야기하기 위하여 액면을 사용하므로, 액체의 동적 성질에 기인한 진동, 대류 등에 의하여 액면에 편차가 생겨 반사광선이나 투과광선에 영향을 주는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여, 광원이 조사하는 빛이 기포를 포함하는 유리관에 투과되어 수신단에 도달하도록 하고, 수신단에 도달한 빛의 세기와 위치를 감지하여 경사도를 측정함으로써, 액체의 동적 성질에 따른 측정 오차를 최소화하는 광원을 이용한 경사계를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 광원을 이용한 경사계에 있어서, 사방으로 광을 조사하는 광원; 상기 광원을 중심으로 하는 링의 형태를 가지고, 거품을 포함한 액체로 채워지며, 상기 광을 투과시켜 투과광을 생성하고, 상기 광을 반사하여 반사광을 생성하는 유리관; 상기 광원과의 사이에 상기 유리관을 두고 상기 유리관을 둘러싸는 형태로 형성되고, 상기 투과광 및 상기 반사광을 감지하는 센서; 및 상기 센서로부터 감지 결과를 입력받아 경사도를 판단하는 제어부를 포함한다.

이 때, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기 유리관의 단면은 사각형일 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기 유리관의 단면은 원형일 수 있다.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기 유리관의 단면은 상기 광원에 인접한 제1면은 평면이고 상기 제1면의 반대측인 제2면은 상기 투과광을 굴절할 수 있는 곡률을 가진 반원형으로 형성될 수 있다.

또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 상기 센서는 상기 유리관을 둘러싸는 원통형일 수 있다.

전술한 본 발명에 따르면, 광원이 조사하는 빛이 기포를 포함하는 유리관에 투과되어 수신단에 도달하도록 하고, 수신단에 도달한 빛의 세기와 위치를 감지하여 경사도를 측정함으로써, 액체의 동적 성질에 따른 측정 오차를 최소화하는 것이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계를 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계를 정면에서 바라본 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계를 측면에서 바라본 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계의 유리관이 사각형의 단면을 갖는 경우를 나타낸 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계의 유리관이 굴절용 곡면을 포함한 단면을 갖는 경우를 나타낸 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계의 동작을 나타낸 도면이다.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계의 센서의 감지 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별이 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계를 나타낸 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계를 정면에서 바라본 구조를 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계를 측면에서 바라본 구조를 나타낸 단면도로, 도 1 내지 도 3에 의하면 본 발명의 실시예에 의한 광원을 이용한 경사계는, 광원(100), 유리관(200), 센서(300) 및 제어부(400)를 포함한다.

광원(100)은, 사방으로 광을 조사하고, 조사된 광을 유리관(200)에 제공한다. 여기서, 광원(100)은, 전력 소모가 비교적 적은 LED(Light Emitting Diode)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않는다.

또한, 유리관(200)은, 광원(100)을 중심으로 하는 링의 형태를 가지고, 거품(201)을 포함한 액체로 채워지며 광원(100)이 조사한 광을 투과시켜 투과광을 생성하고, 광원(100)이 조사한 광을 반사하여 반사광을 생성한다. 이 때, 유리관(200)은, 광원(100)이 조사한 광의 일부는 투과하고, 일부는 반사하는데, 반사하는 광의 양에 비교하여 투과하는 광의 양이 많은 구조를 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 유리관(200) 내의 거품(201)은 유리관(200) 내의 액체에 비하여 낮은 밀도를 가지고, 이에 따라 중력 가속도의 방향의 반대 방향에 위치하게 되는데, 경사계가 기울어지게 되면 거품(201)의 유리관(200) 내의 위치가 변경되어 투과광과 반사광이 센서(300)에 도달하는 위치 및 세기를 변경시키게 된다. 한편, 사용자가 흔들림이 심한 환경에서 경사계를 사용해야 하는 경우에는, 유리관(200) 내에 사용하는 액체로서 점도(Viscosity)가 상대적으로 높은 물질을 사용하여 거품(201)의 진동을 감소시킴으로써 센서(300)에 도달하는 투과광의 위치 및 세기의 잦은 변화에 따른 경사계의 오차를 감소시킬 수 있다.

한편, 센서(300)는, 광원(100)과의 사이에 유리관(200)을 두고 유리관(200)을 둘러싸는 형태로 형성되고, 투과광 및 반사광을 감지하며, 감지된 투과광 및 반사광에 따른 결과값을 제어부(400)로 출력한다. 이 때, 센서(300)는, 도 2a에 도시된 바와 같이 유리관(200)을 둘러싼 원통형인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 도 2b에 도시된 바와 같은 삼각기둥 형태, 도 2c에 도시된 바와 같은 사각기둥 형태일 수도 있다.

또한, 제어부(400)는, 센서(300)로부터 감지 결과를 입력받아 경사도를 판단한다. 이 때, 제어부(400)는, 센서(300)에 도달한 투과광 및 반사광의 세기와 위치를 감지하여 유리관(200) 내 거품의(201) 위치를 파악하고, 미리 저장된 거품(201)의 위치 대 경사도의 관계에 대한 데이터, 예를 들면, 거품(201)의 위치를 입력값, 경사도를 출력값으로 하는 수학식이나 거품(201)의 위치와 경사도를 대응시킨 테이블 등에 기초하여 경사도를 측정할 수 있다. 여기서, 제어부(400)는, 센서(300)가 감지한 결과를 전압의 형태로 입력받고, 입력된 전압을 증폭하며, 증폭된 전압을 필터링한 후 경사도를 판단할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계의 유리관(200)이 사각형 유리관(210)인 경우를 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계의 유리관(200)이 굴절용 유리관(220)인 경우를 나타낸 도면이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계의 동작을 나타낸 도면이고, 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원을 이용한 경사계의 센서의 감지 결과를 나타낸 도면으로, 도 4a 내지 도 5c를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 광원을 이용한 경사계의 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 광원(100)은, 링형인 유리관(200, 210, 220)의 중심점에 해당하는 위치에 고정되는데(고정 구조는 편의상 도시되지 않음), 제어부(200)의 제어에 의하여 활성화되면, 사방으로 광을 조사하게 된다.

이후에, 광원(100)에 의하여 조사된 광은, 유리관(200, 210, 220)을 투과하거나 유리관(200, 210, 220)에 반사되는데, 투과광의 양이 반사광의 양보다 많도록 하기 위해서는 도 3에 도시된 바와 같은 원형 단면의 유리관(200) 보다는 도 4a에 도시된 바와 같은 사각형 유리관(210)의 구조가 제공되는 것이 바람직하다. 더욱이, 도 4b에 도시된 바와 같은 굴절용 유리관(220)은, 센서(300)를 마주한 면이 실린더형 렌즈(Cylindrical Lens)와 같은 곡면으로 형성되고, 이를 통하여 투과광을 굴절시킴으로써 센서(300)에 도달하는 투과광을 집중시킬 수 있다. 즉, 굴절용 유리관(220)은, 곡면이 제공하는 굴절률에 따라 초점 거리를 형성하고, 형성된 초점 거리에 따라 투과광을 집중시킴으로써 센서(300) 수광부(Detector)의 감도가 동일한 경우에 광원(100)의 전력(Power)이 작더라도 거품(201)의 위치를 효과적으로 감지할 수 있는 이점을 가진다.

이후에, 유리관(200, 210, 220)을 투과한 투과광 및 유리관(200, 210, 220)에 반사된 반사광은, 센서(300, 310, 320)에 도달하게 된다. 즉, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 유리관(210) 내 액체를 투과한 투과광과 유리관(210) 내 거품(201)을 투과한 투과광은 그 빛의 세기에 있어서 상이하므로, 센서(300, 310, 320)는 투과광의 도달 위치 별로 상이한 전압 값을 제어부(400)에 전달하게 된다. 이 때, 도 5c에 도시된 바와 같이, 센서(300, 310, 320)가 감지한 결과(편의상 인버스 그레이 스케일(Inverse Gray Scale)을 사용함)에 의하면 도 5c의 중앙에 나타난 원모양에서 알 수 있듯이 거품(201)의 위치를 파악할 수 있다.

최종적으로, 제어부(400)는, 센서(300, 310, 320)로부터 광의 세기에 따른 전압값을 광의 도달 위치 정보와 함께 제공받고, 센서(300, 310, 320)로부터 입력받은 결과값을 이용하여 경사도를 계산하게 된다. 이를 위하여 제어부(400)는, 경사계를 최초로 제조할 때 수평 시의 거품(201)의 위치에 따라 감지되는 광의 세기와 위치에 대한 전압값을 기준 값으로 하여 저장할 수 있으며, 사용자의 편의성을 제공하기 위하여 사용자의 입력에 따라 기준 값을 갱신할 수도 있다. 한편, 제어부(400)는, 거품(201)의 위치 대 경사도의 관계에 대한 데이터, 예를 들면, 거품(201)의 위치를 입력값, 경사도를 출력값으로 하는 수학식이나 거품(201)의 위치와 경사도를 대응시킨 테이블 등을 미리 저장하고, 센서(300, 310, 320)로부터 거품(201)의 위치가 반영된 광의 위치 및 세기에 따른 전압값을 입력받아 경사도를 계산할 수 있다.

한편, 본 발명의 링형 유리관(200, 210, 220)은, 구(Sphere)로 대체될 수도 있으며, 구로 대체된 경우 1회의 측정만으로도 제어부(400)가 전후좌우의 모든 경사도를 판단할 수 있게 된다.

또한, 유리관(200, 210, 220) 내의 거품(201)은, 고체의 구로 대체될 수도 있으며, 고체의 구는 일반적으로 액체보다 밀도가 높으므로 이에 따라 유리관(200, 210, 220) 내에서 중력 가속도의 방향과 동일한 방향에 위치하게 되는데, 경사계가 기울어지게 되면 구의 유리관(200) 내의 위치가 변경되어 투과광과 반사광의 위치 및 세기를 변경시키게 된다. 이 때, 유리관(200, 210, 220) 내에 고체의 구를 포함하는 경우에는 액체 대신 기체로 유리관(200, 210, 220)을 채울 수도 있으며, 흔들림이 심한 경우에는 유리관(200, 210, 220)의 내부를 점성이 높은 액체로 도포하여 고체의 구가 심한 흔들림 등 노이즈에 의하여 영향 받지 않도록 하는 것도 가능하다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 얼마든지, 치환, 변경 및 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100: 광원 200: 유리관
201: 거품 210: 사각형 유리관
220: 굴절용 유리관 300: 센서
310: 삼각기둥형 센서 320: 사각기둥형 센서
400: 제어부

Claims (5)

1. 광원을 이용한 경사계에 있어서,
   사방으로 광을 조사하는 광원;
   상기 광원을 중심으로 하는 링의 형태를 가지고, 거품을 포함한 액체로 채워지며, 상기 광을 투과시켜 투과광을 생성하고, 상기 광을 반사하여 반사광을 생성하는 유리관;
   상기 광원과의 사이에 상기 유리관을 두고 상기 광원을 중심으로 상기 유리관을 둘러싸는 원통형의 형태로 형성되고, 상기 투과광 및 상기 반사광을 감지하는 센서; 및
   상기 센서로부터 감지 결과를 입력받아 경사도를 판단하는 제어부를 포함하고,
   상기 유리관의 단면은 상기 광원에 인접한 제1면은 평면이고 상기 제1면의 반대측인 제2면은 상기 투과광을 굴절할 수 있는 곡률을 가진 반원형으로 형성된 광원을 이용한 경사계.
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