KR101730843B1 - 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

광섬유격자센서를 이용한 가속도센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 피측정 대상물에 설치되는 본체, 상기 본체의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전체, 상기 회전체의 일측에 나란하게 설치되는 고정체, 상기 회전체와 고정체에 외면에 접착되어 긴장 상태를 유지한 상태로 설치되는 광섬유, 상기 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서, 상기 회전체의 일측에 설치되어 추의 기능을 하는 중량부재 및 상기 광섬유의 초기 설치 시 상기 광섬유에 작용하는 장력을 조절하는 장력조절부를 포함하는 구성을 마련하여, 광섬유의 최초 설치 시 광섬유에 초기 인장력을 인가하여 광섬유를 긴장 상태로 유지함으로써, 장시간 사용시 광섬유의 길이 변화로 인한 측정 오류를 방지하고, 피측정 대상물에서 전달되는 진동에 의한 중력가속도 변화를 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

광섬유격자센서를 이용한 가속도센서 및 그의 제조방법{ACCELERATION SENSOR USING FIBER BRAGG GRATING SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 광섬유격자를 이용한 가속도센서 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교량이나 터널 등의 피측정 대상물에서 진동에 의해 발생하는 중력가속도의 변화를 측정하는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 지하철이 운행되는 터널은 지상에서 발생되는 충격이나 지하철의 운행시 발생되는 진동 및 소음에 의해 변형이 발생할 우려가 있으므로, 터널의 변위를 주기적으로 측정하여야 한다.

즉, 터널의 변위 측정은 터널 내부 단면의 거동을 측정하여 터널의 안정성 여부를 판단하는 것이며, 주로 터널의 기울어짐이나 소음 진동에 의한 중력가속도 측정이 해당된다.

종래에는 전기 저항식 게이지를 사용하여 터널의 변위를 측정하였으나, 계측 정밀도가 떨어지고, 특히 지하철이 운행 중에는 전자기파의 영향으로 측정값을 신뢰할 수 없어, 실시간 계측을 하지 못하고, 지하철의 운행이 종료된 후에나 측정이 가능하였다.

그러나 터널의 변위는 지하철의 운행 속도와 그 하중에 상당한 물리적 영향을 받는다는 사실을 상기할 때 지하철이 운행중일 때 계측을 못한다는 것은 매우 큰 문제점이 아닐 수 없다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 광섬유격자센서를 이용해서 피측정 대상물의 변위를 측정하는 기술을 개시하여 특허 출원해서 등록 받은 바 있다.

도 1은 종래기술에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위 계측장치의 구성도이다.

종래기술에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위 계측장치는 터널 벽면과 같은 피측정 대상물에 설치되어 기울어짐이나 가속도를 측정한다.

이를 위해, 상기 변위 계측장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 피측정 대상물에 설치되는 본체(2), 본체(2) 내부에 고정 설치되는 고정체(3), 고정체(3)와 소정 거리로 이격되어 베어링 결합에 의해 회전 가능하게 본체(2) 내에 설치되는 회전체(4), 고정체(3)의 상부 외측면에 접착되고 회전체(4)의 상부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 설치되며 양단부에 광단자(5)가 각기 설치된 광섬유(6), 고정체(3)와 회전체(4) 사이의 광섬유(6) 상에 설치되는 광섬유격자센서(7) 및 회전체(4)의 하부와 지지대(8)에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추(9)를 포함한다.

종래기술에 따른 변위 계측장치(1)는 본체(2) 내부에 회전체(4)와 고정체(3)에 고착되어 감겨있는 광섬유(6)가 본체(2)의 외부로 나오면서 형성된 광단자(5)를 통해 광섬유(6) 사이에 연결된 광섬유격자센서(7)의 천이된 파장값을 외부 출력단자로 전달한다.

그리고 중량부재인 추(9)가 지지대(8)를 통해 회전체(4)에 일체로 연결되어 회전체(4)가 회전축에서 베어링에 의해 회전하는 경우, 광섬유격자센서(7)는 회전체(4)와 고정체(3)에 일체로 고착된 광섬유(6)에 의해 인장응력 내지는 압축응력을 받는다.

그래서 회전체(4)와 고정체(3) 사이에 마련된 광섬유격자센센서(7)의 파장 변이는 변위 계측장치(1)의 전체적인 기울어짐이 발생되는 경우, 회전체(4)가 베어링 회전하면서 지지대(8)와 추(9)의 기울어짐에 따라 발생된다.

이에 따라, 종래기술에 따른 변위 계측장치(1)는 광섬유격자센서(7)의 파장 변이를 측정함으로써, 변위 계측장치(1)의 기울어진 변형정도를 정밀하게 측정할 수 있다.

여기서, 추(9)가 기울어지는 경우 진자운동을 하게 되는데, 진폭을 제한하거나 추(9)를 구속하기 위하여 변위조절장치(10)가 추(9)의 양측에 구비된다.

대한민국 특허 등록번호 제10-0835850호(2008년 6월 5일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1225699호(2013년 1월 24일 공고)

그러나 종래기술에 따른 변위 계측장치에서는 변위조절장치(10)를 이용해서 추(9)의 양측을 압박고정하여 구속하거나, 푸는 과정이 모두 본체(2) 내부에서 실시됨에 따라, 현장에서 설치하는 경우 다시 본체(2)를 열고 변위조절장치(10)를 풀어야 하고, 추(9)의 진폭 조절을 위해 다시 초기 설정값을 고려해야 하는 문제점이 있었다.

그리고 특허문헌 2는 본체의 외부에서 진폭조절구를 조정하여 중량부재를 구속하거나 해제 가능하게 하는 장점이 있으나, 추(9)의 진동으로 인한 가속도 측정이 불가능한 한계가 있었다.

또한, 종래기술에 따른 변위 계측장치는 하나의 광섬유를 회전체와 고정체의 일측면에 고정함에 따라, 장기간 사용시 광섬유의 길이가 늘어나는 경우, 압축응력의 측정이 불가능하고, 인장응력 측정값의 정밀도가 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 교량이나 터널 등의 피측정 대상물에 설치되어 진동에 의한 중력가속도의 변화값을 측정하는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 초기 설치 시 광섬유의 양단에 초기 인장력을 인가해서 장시간 사용으로 인해 광섬유의 길이가 늘어나더라도 진동에 의한 중력가속도의 변화값을 정밀하게 측정할 수 있는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서는 피측정 대상물에 설치되는 본체, 상기 본체의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전체, 상기 회전체의 일측에 나란하게 설치되는 고정체, 상기 회전체와 고정체에 외면에 접착되어 긴장 상태를 유지한 상태로 설치되는 광섬유, 상기 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서, 상기 회전체의 일측에 설치되어 추의 기능을 하는 중량부재 및 상기 광섬유의 초기 설치 시 상기 광섬유에 작용하는 장력을 조절하는 장력조절부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 중량부재의 진폭을 제한하거나 움직임을 구속하는 변위제한부를 더 포함하고, 상기 변위제한부는 상기 본체를 관통해서 상기 중량부재의 상부 및 하부에 각각 미리 설정된 간격만큼 이격되어 설치되는 한 쌍의 변위조절볼트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 장력조절부는 상기 고정체의 내부에 슬라이딩 이동 가능하게 설치되는 조절블록의 일단에 체결되는 장력조절볼트를 포함하고, 상기 장력조절볼트는 상기 광섬유의 최초 설치 시 회전조작에 의해 상기 조절블록의 위치를 이동시켜 상기 광섬유에 미리 설정된 초기 인장력을 인가하는 것을 특징으로 한다.

상기 고정체의 내부에는 상기 조절블록이 슬라이딩 이동하는 이동공간이 형성되고, 상기 고정체의 전후면에는 각각 가이드공이 형성되며, 상기 조절블록의 전후면에는 각각 상기 가이드공에 삽입되어 이동거리가 제한되는 가이드돌부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 회전체를 가로질러 설치되는 회전축, 상기 회전축과 중량부재를 연결하는 지지대 및 상기 회전체와 회전축이 회전 가능하도록 상기 회전축의 전후단에 각각 설치되고 상기 본체 내부에 마련된 설치부재에 설치되는 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 광섬유격자센서는 상기 광섬유가 상기 회전체 및 고정체와 각각 접착되는 접착부 사이에 하나가 설치되거나, 상기 광섬유의 상단부와 하단부에 각각 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 본체는 측정하고자 하는 피측정 대상물의 진동 방향에 따라 수평 또는 수직하게 설치되어 피측정 대상물의 상하 방향 또는 좌우 방향 진동에 의한 중력가속도 변화를 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 제조방법은 (a) 회전체와 중량부재 및 고정체를 나란하게 배치하고, 상기 회전체의 외주면과 상기 고정체 내부에 슬라이딩 이동 가능하게 설치된 조절블록의 상면 및 하면에 광섬유격자센서가 설치된 광섬유를 순차적으로 배치하는 단계, (b) 상기 광섬유의 상단부와 하단부를 상기 조절블록의 상면과 하면에 각각 고정하는 단계, (c) 장력조절부를 이용해서 상기 조절블록의 위치를 이동시켜 상기 광섬유에 미리 설정된 초기 인장력을 인가하는 단계 및 (d) 상기 광섬유의 중앙부를 상기 회전체의 외주면에 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계는 (c1) 상기 고정체의 일측면을 관통해서 상기 조절블록의 일단에 체결된 장력조절볼트를 회전시켜 상기 조절블록의 위치를 이동시키는 단계 및 (c2) 상기 광섬유의 외부 출력단자에 연결된 계측기를 이용해서 상기 광섬유에서 출력되는 빛의 파장이 상기 광섬유의 고유파장값에 도달하면, 상기 초기 인장력이 인가되도록 상기 장력조절볼트를 추가 회전시켜 장력을 조절하는 단계를 포함하고, 상기 초기 인장력은 상기 광섬유의 고유파장값의 0.1% 내지 0.2%의 범위로 설정되는 것을 특징으로 한다.

상기 (b)단계는 (b1) 상기 조절블록의 상하면에 경화 촉진제가 혼합된 제1 접착제를 도포하여 상기 광섬유를 조절블록의 상하면에 고정하는 단계와 (b2) 상기 회전체의 외주면에 경화 지연제가 혼합된 제2 접착제를 도포하는 단계를 포함하고, 상기 (d)단계에서 상기 광섬유는 상기 (c)단계에 의해 초기 인장값이 인가된 상태에서 상기 회전체의 외주면에 고정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 (e) 상기 광섬유에 초기 인장력이 인가된 후, 상기 고정체와 조절블록 사이의 공간에 접착제를 주입해서 상기 고정체와 조절블록을 고정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 (f) 본체의 상단과 하단에서 각각 변위조절볼트를 체결해서 상기 중량부재의 변위를 제한하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서 및 그의 제조방법에 의하면, 광섬유의 최초 설치 시 광섬유에 초기 인장력을 인가하여 광섬유를 긴장 상태로 유지할 수 있다는 효과가 얻어진다

이에 따라, 본 발명에 의하면, 장시간 사용시 광섬유의 길이 변화로 인한 측정 오류를 방지하고, 피측정 대상물에서 전달되는 진동에 의한 중력가속도 변화를 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 발명에 의하면, 측정하고자 하는 진동 방향에 따라 가속도센서를 수평 또는 수직방향으로 설치해서 피측정 대상물에서 전달되는 상하 방향 및 좌우 방향 진동에 따라 가속도센서에서 출력되는 파장값을 이용해서 진동에 의한 중력가속도의 변화와 진동주파수를 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

또, 본 발명에 의하면, 한 쌍의 광섬유격자센서를 광섬유의 상부와 하부에 각각 설치함으로써, 광섬유의 상부와 하부에 대칭적으로 발생하는 인장응력과 압축응력을 측정 성능을 더욱 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 의하면, 변위조절볼트를 이용해서 중량부재의 변위를 제한함으로써, 중량부재의 필요 이상의 변위 발생을 미연에 방지하여 광섬유격자센서의 내구성 저하를 방지하고, 이동 시에 변위조절볼트를 조여서 중량부재에 밀착시켜 중량부재를 고정함에 따라 광섬유격자센서의 파손을 방지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 종래기술에 따른 광섬유격자센서를 이용한 변위 계측장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 사시도,
도 3은 도 2에 도시된 가속도센서의 분해 사시도,
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 본체를 제거한 상태의 정면도와 평면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 제조방법을 단계별로 설명하는 공정도,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 구성도,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 구성도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서 및 그의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 가속도센서의 분해 사시도이다.

도 2에는 가속도 센서 내부의 구성을 보이기 위해, 본체의 전면에 개방된 상태가 도시되어 있다.

본 실시 예에서 전방, 후방, 좌측 및 우측 등 방향을 지시하는 용어는 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각 방향을 나타내는 것으로 설명한다.

그리고 본 실시 예에서는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서를 수평하게 설치해서 상하 방향 진동에 따른 중력가속도의 변화를 측정하는 것으로 설명한다.

그러나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서를 수직 방향으로 설치해서 좌우 방향 진동에 따른 중력가속도의 변화를 측정할 수도 있음에 유의하여야 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서(20)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 피측정 대상물에 설치되는 본체(21), 본체(21)의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전체(30), 회전체(30)의 일측에 나란하게 설치되는 고정체(40), 회전체(30)와 고정체(40)에 외주면에 접착되어 긴장 상태를 유지한 상태로 설치되는 광섬유(22), 광섬유(22) 상에 설치되는 광섬유격자센서(23) 및 회전체(30)의 일측에 설치되어 추의 기능을 하는 중량부재(50) 및 광섬유(22)의 초기 설치 시 광섬유(22)에 작용하는 장력을 조절하는 장력조절부(60)를 포함한다.

이와 함께, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서(20)는 중량부재(50)의 진폭을 제한하거나 움직임을 구속하는 변위제한부(70)를 더 포함할 수 있다.

본체(21)는 대략 직육면체 형상으로 형성되고, 본체(21)의 내부에는 회전체(30), 고정체(40), 중량부재(50) 및 장력조절부(60)가 설치되도록 공간이 형성될 수 있다.

본체(21)의 외면에는 본체(21)의 설치 방향에 따라 수평 상태를 확인할 수 있도록, 수평계(도면 미도시)와 수직계(도면 미도시)가 설치될 수 있다.

본체(21)의 일측에는 장력조절부(60)로 마련되는 장력조절볼트를 본체(21) 외부에서 조작 가능하도록 조작공이 형성될 수 있다.

변위제한부(70)는 중량부재(50)의 상부 및 하부에 각각 미리 설정된 간격만큼 이격되어 설치되는 한 쌍의 변위조절볼트(71)를 포함하고, 각 변위조절볼트(71)를 조이거나 풀어줌으로써, 중량부재(50)의 상하 방향 이동거리, 즉 진폭을 제한할 수 있다.

따라서, 본 발명은 중량부재의 필요 이상의 변위 발생을 미연에 방지하여 광섬유격자센서의 내구성 저하를 방지하고, 이동 시에 변위조절볼트를 조여서 중량부재에 밀착시켜 중량부재를 고정함에 따라 광섬유격자센서의 파손을 방지할 수 있다.

변위조절볼트(71)는 본체(20)의 외부에서 사용자가 조작이 가능하도록 설치되는 것이 바람직하다.

이를 위해, 본체(21)의 상면과 하면에는 각각 변위제한부(70)로 마련된 한 쌍의 변위조절볼트(71)가 체결되는 체결공이 형성될 수 있다.

본체(21) 내부에는 회전체(30), 고정체(40) 및 중량부재(50)를 설치할 수 있도록 설치부재(24)가 마련된다.

예를 들어, 설치부재(24)는 도 3에 도시된 바와 같이, 본체(21)의 좌측면과 전면 및 후면에 각각 수평하게 설치되는 제1 내지 제3 설치바(25 내지 27)를 포함할 수 있다.

제2 및 제3 설치바(26,27)에는 각각 회전체(30)의 회전축(31) 전후단에 설치되는 베어링(32)이 설치되도록 설치공이 형성될 수 있다.

제2 및 제3 설치바(26,27)의 우측단에는 각각 고정체(40)의 전후면에 형성되는 결합돌부(44)가 결합되도록 결합홈(261,262)이 형성될 수 있다.

한편, 본체(21)는 외부에서 전달되는 진동에 의해 본체(21)의 상방 및 하방으로 진동하고, 중량부재(50)는 관성에 의해 본체(21)의 상하 방향 진동과 무관하게 일정한 위치를 유지할 수 있다.

이에 따라, 실제로는 피측정 대상물에 설치된 본체(21)가 상하 진동하나, 본 실시 예에서는 본체(21)를 기준으로 한 중량부재(50)의 상하 방향으로의 변위를 중량부재(50)의 진동으로 설명한다.

광섬유(22)의 양단에는 외부 출력단자가 마련되고, 광섬유(22) 상에는 회전체(30) 및 고정체(40)와의 접착부 사이에 광섬유격자센서(23)가 설치될 수 있다.

광섬유격자센서(23)는 파이버 브랙 그레이팅(Fiber Bragg Grating; FBG)이라고도 불리며, 광파이버의 코어부의 굴절율을 일정한 주기로 변화시킨 것으로서, 특정 파장(Bragg 파장)의 광 만을 선택적으로 반사한다.

이러한 광섬유격자센서(23)는 고유한 파장 값을 가지며, 전자기파의 영향을 거의 받지 않는 등 물리적인 특성이 매우 우수하다.

광섬유격자센서(23)는 단위면적당 인장력이 매우 높은 반면, 지름이 125㎛로 매우 작아서 외부의 충격에 쉽게 파단될 수 있기 때문에, 부착시에 매우 섬세한 작업이 요구된다.

또한, 광섬유격자센서(23)는 회전체(30)와 고정체(40)의 외주면을 연결하도록 설치 시, 측정값의 정밀도를 높이기 위해, 인장력을 갖도록 팽팽하게 당겨져 긴장된 상태로 설치되는 것이 바람직하다.

다음, 도 4 및 도 5를 참조하여 회전체, 고정체 및 장력조절부의 구성을 상세하게 설명한다.

도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 본체를 제거한 상태의 정면도와 평면도이다.

회전체(30)는 대략 원통 형상으로 형성되고, 회전체(30)의 중앙부에는 회전체(30)의 전면과 후면을 가로질러 회전축(31)이 설치될 수 있다.

회전체(30)의 외주면에는 광섬유(22)를 설치할 수 있도록 단면이 'u' 형상 또는 'v' 형상의 설치홈이 형성될 수 있다.

회전축(31)의 전후단에는 각각 회전축(31)의 회전운동시 설치부재(24)와의 마찰력을 최소화하도록 한 쌍의 베어링(32)이 설치된다.

이에 따라, 회전체(30)는 본체(21) 내부에 설치된 상태에서 회전축(31)과 함께 회전할 수 있다.

회전축(31) 상에는 회전체(30)와 한 쌍의 베어링(32) 사이에 각각 제2 및 제3 설치바(26,27)와 나란하게 한 쌍의 지지대(33)가 설치되고, 각 지지대(33)의 우측단에는 중량부재(50)가 설치된다.

고정체(40)는 대략 직육면체 형상으로 형성되고, 고정체(40)의 내부에는 슬라이딩 이동 가능하게 조절블록(41)이 설치될 수 있다.

이를 위해, 고정체(40)의 내부에는 조절블록(41)이 슬라이딩 이동 가능하도록 이동공간이 형성될 수 있다.

고정체(40)의 전후면에는 각각 조절블록(41)의 양단에 형성된 가이드돌부(43)의 이동을 가이드하는 가이드공(42)이 형성될 수 있다.

가이드공(42)은 조절블록(41)의 슬라이딩 이동 방향을 따라 연장되는 장공으로 형성될 수 있다.

이와 함께, 고정체(40)의 전후면 우측단에는 각각 제2 및 제3 설치바(26,27)의 우측단에 형성된 결합홈(261,262)에 결합되는 결합돌부(44)가 형성될 수 있다.

조절블록(41)은 고정체(41) 내부에 형성된 상기 이동공간의 폭과 동일하거나 슬라이딩 이동시 마찰력을 최소화하기 위해 이동공간의 폭보다 약간 작은 폭을 갖는 대략 직육면체 형상으로 형성될 수 있다.

조절블록(41)의 전면과 후면에는 각각 가이드공(42)에 삽입되는 가이드돌부(43)가 돌출 형성될 수 있다.

따라서 조절블록(41)의 최대 이동 거리는 가이드공(42)의 길이로 제한될 수 있다.

조절블록(41)의 상면과 하면에는 각각 광섬유(22)를 설치할 수 있도록 단면이 'u' 형상 또는 'v' 형상의 설치홈이 형성될 수 있다.

장력조절부(60)는 고정체(40)의 일측면, 도 5에서 보았을 때, 우측면을 관통해서 조절블록(41)의 우측단에 체결되는 장력조절볼트(61)를 포함할 수 있다.

장력조절볼트(61)는 광섬유(22)의 최초 설치 시 광섬유(22)에 초기 인장력을 인가하는 기능을 한다.

즉, 장력조절볼트(61)를 일측, 예컨대 반시계 방향으로 회전시키면, 조절블록(41)이 회전체(30)를 향해 슬라이딩 이동함에 따라 광섬유(22)에 작용하는 인장력이 감소된다.

반면, 장력조절볼트(61)를 반대측, 예컨대 시계 방향으로 회전시키면, 조절블록(41)이 회전체(30)와 멀어지는 방향을 향해 슬라이딩 이동함에 따라 광섬유(22)에 작용하는 인장력이 증가한다.

그래서 본 발명은 광섬유의 최초 설치 시 장력조절볼트를 이용해서 조절블록을 회전체로부터 멀어지도록 이동시켜 광섬유에 초기 인장력을 인가한다.

이에 따라, 본 발명은 장시간 사용으로 인해 광섬유의 길이가 늘어나더라도 최초 설치 시 인가된 초기 인장력에 의해 광섬유를 긴장 상태로 유지할 수 있다.

이로 인해, 본 발명은 광섬유의 길이 변화로 인한 측정 오류를 방지하고, 진동에 의한 중력가속도 변화를 정밀하게 측정할 수 있다.

여기서, 상기 초기 인장력은 광섬유가 갖는 고유파장값의 약 0.1% 내지 0.2%의 범위, 바람직하게는 약 0.15%로 설정될 수 있다.

예를 들어, 광섬유(22)는 약 800㎚ 내지 1600㎚의 고유파장값을 가짐에 따라, 초기 인장력은 광섬유에서 출력되는 파장값이 약 2㎚ 정도 변화되도록 설정될 수 있다.

다음, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 제조방법을 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 제조방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.

먼저, 도 6의 S10단계에서 작업자는 회전체(30)와 중량부재(50)를 조립한다.

상세하게 설명하면, 작업자는 회전체(30)의 중앙부에 회전축(31)을 결합하고, 회전축(31)의 전후단에 각각 한 쌍의 지지대(33)와 베어링(32)을 순차적으로 결합한다.

그리고 한 쌍의 지지대(33) 사이에 중량부재(50)를 배치한 후, 한 쌍의 지지대(33) 외측에서 각각 고정볼트를 체결해서 각 지지대(33)와 중량부재(50)를 고정한다.

S12단계에서 작업자는 조립된 회전체(30)와 중량부재(40)의 외측에, 제1 내지 제3 설치바(25 내지 27)를 대략 'ㄷ' 형상으로 배치해서 설치부재(24)를 조립한다.

이때, 회전체(30)의 양측에 설치된 한 쌍의 베어링(32)은 각각 제2 및 제3 설치바(26,27)에 형성된 설치공에 삽입된다.

그리고 작업자는 제2 및 제3 설치바(26,27)의 우측에 고정체(40)를 결합한다.

이때, 고정체(40)의 전후면 우측단에 각각 형성된 한 쌍의 결합돌부(44)는 제2 및 제3 설치바(26,27)의 우측단에 각각 형성된 결합홈(261,271)에 결합된다.

이와 같이 결합된 설치부재(24)와 고정체(40)은 대략 사각틀 형상을 이루게 된다.

S14단계에서 작업자는 회전체(30)의 외주면과 고정체(40)의 조절블록(41) 상하면에 접촉되게 광섬유(22)를 설치하고, 고정체(40) 내부에 슬라이딩 이동 가능하게 결합된 조절블록(41)의 상하면에 고정체를 고정한다.

이때, 광섬유(22)는 조절블록(41)의 상하면과 회전체(30)의 외주면에 형성된 설치홈을 따라 배치될 수 있다.

이하에서는 조절블록(41)의 상면과 회전체(30)의 상단 사이에 배치되는 부분을 '광섬유(22)의 상단부'라 하고, 조절블록(41)의 하면과 회전체(30)의 하단 사이에 배치되는 부분을 '광섬유(22)의 하단부'라 하며, 회전체(30)의 외주면과 접촉되는 부분을 '광섬유(22)의 중앙부'라 한다.

작업자는 조절블록(41)의 상면 및 하면과 회전체(30)의 외주면에 각각 형성된 설치홈에 경화시간이 서로 다른 제1 및 제2 접착제를 도포하고, 광섬유(22)의 상단부와 하단부가 서로 평행이 되도록 배치해서 조절블록(41)에 고정한다(S14).

그리고 작업자는 광섬유(2)의 양단에 마련된 외부 출력단자에 상기 외부 출력단자를 통해 출력되는 빛의 파장을 계측하는 계측기에 연결한다.

여기서, 상기 제1 접착제는 광섬유(22)를 조절블록(41)의 상면과 하면에 신속하게 접착하는 기능을 하고, 상기 제2 접착제는 아래에서 설명할 S16단계에서 광섬유(22)에 초기 인장력을 조절하는 시간이 경과한 이후에 광섬유(22)를 회전체(30)의 외주면에 접착하는 기능을 한다.

이를 위해, 제1 접착제는 경화시간을 단축하기 위해, 에폭시와 같이 점착성을 갖는 주제와 경화 촉진제를 혼합해서 제조되고, 제2 접착제는 경화시간을 지연하기 위해, 상기 주제와 경화 지연제를 혼합해서 제조될 수 있다.

S16단계에서 작업자는 고정체(40)의 우측면을 관통해서 조절블록(41)에 장력조절볼트(61)를 체결하고, 장력조절볼트(61)를 일측 방향, 예컨대 시계 방향으로 회전시켜 조절블록(41)을 회전체(30)에서 멀어지도록 우측 방향으로 슬라이딩 이동시킨다.

이때, 광섬유(22)는 상단부와 하단부가 각각 조절블록(41)의 상면과 하면에 고정된 상태이기 때문에, 광섬유(22)에 인장력이 작용한다.

그러면, 작업자는 상기 계측기를 통해 광섬유(22)에서 출력되는 빛의 파장값이 고유파장값에 도달되는지 여부를 검사하고, 고유파장값에 도달되면 광섬유(22)에 미리 설정된 초기 인장력이 인가되도록 장력조절볼트(61)를 회전 조작한다.

이와 같이, 본 발명은 광섬유의 양단을 먼저 조절블록에 고정하고, 장력조절볼트를 이용해서 광섬유에 초기 인장력을 추가적으로 인가할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 장시간 사용으로 인해 광섬유의 길이가 변화하더라도, 광섬유에 인가된 초기 인장력을 이용해서 광섬유에 작용하는 인장응력뿐만 아니라, 압축응력도 정밀하게 측정할 수 있다.

한편, S14단계에서 회전체(30)의 설치홈에는 제1 접착제에 비해 경화시간이 긴 제2 접착제가 도포된 상태이므로, 광섬유(22)는 초기 인장력이 인가된 상태에서 회전체(30)의 외주면에 서서히 고정된다(S18).

작업자는 광섬유(22)에 초기 인장력이 인가된 상태를 유지하기 위해, 고정체(40) 내부에 형성된 이동공간에 에폭시 등의 합성수지 재질의 재료로 제조된 접착제를 주입해서 조절블록(41)과 고정체(40)를 고정할 수 있다(S20).

S22단계에서 작업자는 조립이 완료된 회전체(30), 고정체(40) 및 중량부재(50)를 본체(21) 내부에 설치하고, 본체(21)의 상부 및 하부에 각각 변위조절볼트(71)를 체결해서 중량부재(50)의 변위를 제한한다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여 제조된 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서는 터널이나 교량 등의 피측정 대상물에 수평하게 설치되고, 피측정 대상물에서 전달되는 진동에 의한 중량부재의 진폭에 따라 변화된 파장을 출력한다.

이에 따라, 본 발명은 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서에서 출력되는 파장값을 이용해서 진동에 의한 중력가속도의 변화와 진동주파수를 정밀하게 측정할 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 광섬유(22)의 상단부에 하나의 광섬유격자센서(23)를 설치하고, 터널 등의 피측정 대상물에 수평으로 설치해서 상하 방향 진동에 의한 중력가속도의 변화를 측정하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 구성도이고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 구성도이다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서(20)는 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 실시 예의 구성과 유사하고, 다만 한 쌍의 광섬유격자센서(23)가 광섬유(22)의 상단부와 하단부에 각각 설치된다.

이와 같이, 본 발명은 한 쌍의 광섬유격자센서를 광섬유의 상부와 하부에 각각 설치함에 따라, 광섬유의 상단부와 하단부에 발생하는 인장응력과 압축응력을 측정할 수 있다.

즉, 피측정 대상물에서 전달되는 진동에 의해 본체(21)가 상방으로 이동하는 경우, 관성에 의해 중량부재(50)는 상대적으로 하부로 이동된 상태가 된다.

그러면, 광섬유(22)의 상단부와 하단부는 각각 회전체(30)와 고정체(40)에 고정된 상태이므로, 광섬유(22)의 상단부에는 압축응력이 작용하고, 광섬유(22)의 하단부에는 인장응력이 작용한다.

반면, 피측정 대상물에서 전달되는 진동에 의해 본체(21)가 하방으로 이동하는 경우, 관성에 의해 중량부재(50)는 상대적으로 상부로 이동된 상태가 된다.

그러면, 광섬유(22)의 상단부에는 인장응력이 작용하고, 광섬유(22)의 하단부에는 압축응력이 작용한다.

이와 같이, 광섬유(22)의 상단부와 하단부에 각각 설치된 한 쌍의 광섬유격자센서(23)는 각각 광섬유(22)의 상단부와 하단부에서 대칭적으로 작용하는 압축응력과 인장응력에 따라 빛의 파장값을 변화시켜 출력한다.

이에 따라, 본 발명은 한 쌍의 광섬유격자센서를 광섬유의 상부와 하부에 각각 설치함으로써, 광섬유의 상부와 하부에 대칭적으로 발생하는 인장응력과 압축응력을 정밀하게 측정할 수 있다.

본 발명의 또다른 실시 예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서(20)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기한 실시 예들의 구성과 유사하고, 다만 피측정 대상물에 수직하게 설치된다.

이로 인해, 중량부재(50)는 피측정 대상물에서 전달되는 진동에 의해 좌우 방향으로 진동한다.

이와 같이, 본 발명은 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서를 교량이나 터널 등의 피측정 대상물에 수직하게 설치해서 좌우 방향 진동에 의한 중력가속도의 변화 및 진동주파수를 정밀하게 측정할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 가속도센서를 교량이나 터널 등의 피측정 대상물에 수평 또는 수직하게 설치해서 상하 또는 좌우 방향 진동에 의한 중력가속도의 변화 및 진동주파수를 정밀하게 측정하는 기술에 적용된다.

20: 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서
21: 본체 22: 광섬유
23: 광섬유격자센서 24: 설치부재
25 내지 27: 제1 내지 제3 설치바
261,262: 결합홈 30: 회전체
31: 회전축 32: 베어링
33: 지지대 40: 고정체
41: 조절블록 42: 가이드공
43: 가이드돌부 44: 결합돌부
50: 중량부재 60: 장력조절부
61: 장력조절볼트 70: 변위제한부
71: 변위조절볼트

Claims (12)

1. 측정하고자 하는 피측정 대상물의 진동 방향에 따라 수평 또는 수직하게 설치되는 본체,
   상기 본체의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전체,
   상기 회전체의 일측에 나란하게 설치되는 고정체,
   상기 회전체와 고정체에 외면이 접촉되어 긴장 상태를 유지한 상태로 설치되는 광섬유,
   상기 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서,
   상기 회전체의 일측에 설치되어 추의 기능을 하는 중량부재,
   상기 광섬유의 초기 설치 시 상기 광섬유에 작용하는 장력을 조절하는 장력조절부 및
   상기 중량부재의 진폭을 제한하거나 움직임을 구속하는 변위제한부를 포함하여 피측정 대상물의 상하 방향 또는 좌우 방향 진동에 의한 중력가속도 변화를 측정하고,
   상기 변위제한부는 상기 본체를 관통해서 상기 중량부재의 상부 및 하부에 각각 미리 설정된 간격만큼 이격되어 설치되는 한 쌍의 변위조절볼트를 포함하며,
   상기 장력 조절부는 상기 고정체 내부에 슬라이딩 이동 가능하게 설치되는 조절블록과
   상기 조절블록의 일단에 체결되는 장력조절볼트를 포함하고,
   상기 고정체의 내부에는 상기 조절블록이 슬라이딩 이동하는 이동공간이 형성되고,
   상기 고정체의 전후면에는 각각 장공 형상의 가이드공이 형성되며,
   상기 조절블록의 전후면에는 각각 상기 가이드공에 삽입되어 이동거리가 제한되는 가이드돌부가 형성되고,
   상기 본체에는 상기 회전체를 가로질러 설치되는 회전축,
   상기 회전축과 중량부재를 연결하는 지지대 및
   상기 회전체와 회전축이 회전 가능하도록 상기 회전축의 전후단에 각각 설치되고 상기 본체 내부에 마련된 설치부재에 설치되는 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 장력조절볼트는 상기 광섬유의 최초 설치 시 회전조작에 의해 상기 조절블록의 위치를 이동시켜 상기 광섬유에 미리 설정된 초기 인장력을 인가하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제3항에 있어서,
   상기 광섬유격자센서는 상기 광섬유가 상기 회전체 및 고정체와 각각 접착되는 접착부 사이에 하나가 설치되거나,
   상기 광섬유의 상단부와 하단부에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서.
7. 삭제
8. 제1항, 제3항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 제조방법에 있어서
   (a) 회전체와 중량부재 및 고정체를 나란하게 배치하고, 상기 회전체의 외주면과 상기 고정체 내부에 슬라이딩 이동 가능하게 설치된 조절블록의 상면 및 하면에 광섬유격자센서가 설치된 광섬유를 순차적으로 배치하는 단계,
   (b) 상기 광섬유의 상단부와 하단부를 상기 조절블록의 상면과 하면에 각각 고정하는 단계,
   (c) 장력조절부를 이용해서 상기 조절블록의 위치를 이동시켜 상기 광섬유에 미리 설정된 초기 인장력을 인가하는 단계,
   (d) 상기 광섬유의 중앙부를 상기 회전체의 외주면에 고정하는 단계,
   (e) 상기 광섬유에 초기 인장력이 인가된 후, 상기 고정체와 조절블록 사이의 공간에 접착제를 주입해서 상기 고정체와 조절블록을 고정하는 단계 및
   (f) 본체의 상단과 하단에서 각각 변위조절볼트를 체결해서 상기 중량부재의 변위를 제한하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 (c)단계는
   (c1) 상기 고정체의 일측면을 관통해서 상기 조절블록의 일단에 체결된 장력조절볼트를 회전시켜 상기 조절블록의 위치를 이동시키는 단계 및
   (c2) 상기 광섬유의 외부 출력단자에 연결된 계측기를 이용해서 상기 광섬유에서 출력되는 빛의 파장이 상기 광섬유의 고유파장값에 도달하면, 상기 초기 인장력이 인가되도록 상기 장력조절볼트를 추가 회전시켜 장력을 조절하는 단계를 포함하고,
   상기 초기 인장력은 상기 광섬유의 고유파장값의 0.1% 내지 0.2%의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 제조방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 (b)단계는 (b1) 상기 조절블록의 상하면에 경화 촉진제가 혼합된 제1 접착제를 도포하여 상기 광섬유를 조절블록의 상하면에 고정하는 단계와
    (b2) 상기 회전체의 외주면에 경화 지연제가 혼합된 제2 접착제를 도포하는 단계를 포함하고,
    상기 (d)단계에서 상기 광섬유는 상기 (c)단계에 의해 초기 인장값이 인가된 상태에서 상기 회전체의 외주면에 고정되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 가속도센서의 제조방법.
11. 삭제
12. 삭제

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