KR101913218B1 - 안전진단을 위한 경사측정 대상의 3차원 경사 측정이 가능한 광섬유 센서 이용 구성의 경사측정장치 및 이를 이용한 경사측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조인트 결합링(11)과 센서 결합링(12), 경사회전링(20)과 수평결합부재(21)를 가지며 제1축 회전과 제2축 회전이 가능한 회전조인트(2), 경사회전링(20)과 직교하도록 배치되는 중심추(3); 및 중심추(3)의 상단과 센서 결합링(12) 사이에서 배치되어 신축 변형률을 측정하는 복수개의 광섬유 센서(4)를 포함하며; 경사측정 대상의 경사에 따라 중심추(3)가 중력방향을 유지하도록 움직이게 되면, 회전조인트(2)가 제1축 회전 및 제2축 회전하게 되어 광섬유 센서(4)에 신축변형이 유발되고, 이러한 신축변형을 측정함으로써 중심추(3)의 기울어짐 정도를 파악하여 경사측정 대상의 경사도를 측정함으로써, 경사측정 대상이 3차원 형태로 기울어지더라도 광섬유 센서를 이용하여 정확한 신축 변형률을 측정하여 경사측정 대상의 경사도를 매우 정확하게 측정할 수 있게 되는 하게 되는 “안전진단을 위한 경사측정 대상의 3차원 경사 측정이 가능한 광섬유 센서 이용 구성의 경사측정장치 및 이를 이용한 경사측정방법”에 대한 것이다.

Description

안전진단을 위한 경사측정 대상의 3차원 경사 측정이 가능한 광섬유 센서 이용 구성의 경사측정장치 및 이를 이용한 경사측정방법{Inclinometer using Optical Fiber Sensors, and Method for Measuring Inclining Angle using such Inclinometer}

본 발명은 광섬유 센서를 이용한 경사측정 대상의 3차원 경사 측정이 가능한 경사측정장치 및 이를 이용한 경사측정방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 경사도를 측정하고자 하는 대상("경사측정 대상")에 설치되어 경사도를 측정하되, 경사측정 대상이 3차원 형태로 기울어지더라도 광섬유 센서를 이용하여 정확한 신축 변형률을 측정함으로써, 경사측정 대상의 경사도를 매우 정확하게 측정할 수 있게 되는 경사측정장치와, 이를 이용하여 경사측정 대상의 경사도를 측정하는 방법에 관한 것이다.

경사를 측정하기 위한 경사계 즉, 경사측정장치로서, 변형률 측정에 의한 장력 변화를 산출할 수 있는 광섬유 센서를 추에 연결해둔 상태에서, 경사측정장치가 기울어짐에 따라 광섬유 센서를 통해서 변형률 및 이에 근거한 장력 변화를 측정함으로써 경사정도 즉, 경사도를 측정하는 기술이, 대한민국 등록특허 제10-0571294호 등에 의해 공지되어 있다. 변형률 측정용 광섬유 센서의 대표적인 예로는 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber Bragg Grating 센서/이하, "FBG 센서"라고 약칭함)가 있는데, FBG 센서는 광섬유가 연장되는 방향으로 발생하는 변형률은 정확하게 측정할 수 있지만, 이에 직교하는 방향으로 발생하는 변형률은 측정할 수 없다는 한계가 있다.

따라서 경사측정 대상이 하나의 평면을 따라서 기울어지는 경우 즉, 2차원의 형태로 기울어지는 경우에는, 추와 연결된 광섬유 센서에 광섬유 연장 방향의 1축으로만 변형이 발생하게 되므로 변형률 및 장력을 정확하게 측정하여 경사도를 파악할 수 있지만, 경사측정 대상이 2차원 평면을 벗어난 형태로 즉, 3차원의 형태로 기울어지는 경우, 추와 연결된 광섬유 센서에는 광섬유 연장 방향뿐만 아니라 이에 직교하는 다른 2축으로도 변형이 발생하게 되고, 이러한 직교방향으로는 광섬유 센서를 통한 정확한 변형률 및 장력 측정이 불가능하게 되어 3차원 형태의 기울어짐에 대해서는 경사를 정확하게 측정할 수 없다는 한계가 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0571294호(2006. 04. 17. 공고).

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, FBG 센서로 대표되는 광섬유 센서를 이용하면서도, 경사측정 대상의 3차원 형태 기울어짐에 대해서도 그 경사도를 정확하게 측정할 수 있는 경사측정장치와, 이를 이용하여 경사도를 측정하게 되는 경사측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 조인트 결합링과 센서 결합링을 포함하는 본체; 조인트 결합링의 원주 내측에 위치하는 경사회전링, 및 경사회전링의 가상평면 원중심을 통과하도록 배치되어 경사회전링에 대해 제1축 회전이 가능하도록 구비된 수평결합부재를 포함하는 회전조인트; 봉부재와 중량체를 포함하여, 봉부재가 경사회전링의 가상평면 원중심 위치에서 수평결합부재와 직교하도록 결합됨으로써, 경사회전링의 가상평면 원중심을 관통하여 위치하게 되는 중심추; 및 중심추의 상단과 센서 결합링 사이에서 배치되어 신축 변형률을 측정하는 복수개의 광섬유 센서를 포함하며; 경사회전링은 수평결합부재와 직교하는 가상 선을 회전축으로 하여 제2축 회전이 가능하도록 조인트 결합링에 결합되어 있으며; 본체가 경사측정 대상에 설치됨으로써, 경사측정 대상의 경사에 따라 중심추가 중력방향을 유지하도록 움직이게 되면, 중심추의 움직임에 의해 경사회전링이 제2축 회전하고 수평결합부재가 제1축 회전하여 회전조인트가 중심추에 맞추어 기울어짐으로써, 중심추의 상단에 결합된 광섬유 센서에 신축변형이 유발되고, 광섬유 센서에 의해 신축변형을 측정함으로써 중심추의 기울어짐 정도를 파악하여 경사측정 대상의 경사도를 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 경사측정장치가 제공된다.

또한 본 발명에서는 상기한 경사측정장치를 경사측정 대상의 표면에 설치하여, 경사측정 대상의 경사로 인한 중심추의 움직임에 의해 회전조인트의 경사회전링이 평면회전 및 연직회전하게 되어 중심추의 상단에 결합된 광섬유 센서에 신축변형이 유발되고, 광섬유 센서에 의해 신축변형을 측정함으로써 중심추의 기울어짐 정도를 파악하여 경사측정 대상의 경사도를 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 경사측정방법이 제공된다.

본 발명에 따른 경사측정장치 및 경사측정방법에 있어서, 본체에는 경사측정 대상에 밀착 설치되는 받침판이 구비되며; 조인트 결합링은, 연직방향으로 받침판과 간격을 두고 받침판과 평행을 이루면서 배치되고; 센서 결합링은 연직방향으로 조인트 결합링의 위쪽으로 조인트 결합링과 평행을 이루면서 배치되며; 수평결합부재는 막대부재로 이루어져서 경사회전링의 가상평면 원중심을 통과하도록 경사회전링의 내측에 구비되는데, 관통회전핀이 경사회전링을 관통하여 수평결합부재의 양단에 각각 결합됨으로써, 관통회전핀을 회전중심으로 하여 수평결합부재가 경사회전링에 대해 제1축 회전하며; 경사회전링의 원주에서 수평결합부재와 직교하는 가상의 선과 교차하는 위치에는 각각 수평관통핀이 경사회전링을 수평방향으로 관통하여 구비되어 경사회전링은 수평관통핀을 회전중심으로 하여 경사회전링의 가상평면이 기울어지도록 제1축 회전하는 구성을 가질 수 있다.

본 발명에 의하면, 경사측정 대상이 3차원 형태로 기울어지더라도 그에 맞추어서 중심추도 기울어질 수 있으며, 중심추와 연결된 광섬유 센서에는 항상 광섬유의 연장 방향으로만 신축 변형률이 발생하게 되어 정확한 신축 변형률을 측정할 수 있으며, 이러한 정확한 신축 변형률에 기초한 기하적인 간편한 분석을 통해서 경사측정 대상의 경사도를 매우 정확하게 측정할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.

도 1은 본 발명에 따른 경사측정장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 경사측정장치에 대한 도 1의 화살표 D-D에 따른 개략적인 반단면 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 경사측정장치에 대한 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 경사측정장치에 구비되는 회전조인트와 중심추만을 본체로부터 분리시켜서 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다.
도 5는 본 발명의 경사측정장치에 있어서 경사회전링에 관통회전핀이 설치된 위치에서, 경사회전링, 조인트 결합링 및 센서 결합링의 일부를 센서 결합링의 일부를 절단하여 생략한 상태를 보여주는 개략적인 단면 사시도이다.
도 6은 수평결합부재가 관통회전핀을 회전중심으로 하여 제1축 회전한 상태를 보여주는 도 4에 대응되는 개략적인 사시도이다.
도 7은 경사회전링이 수평관통핀을 회전중심으로 하여 제2축 회전한 상태를 보여주는 도 4에 대응되는 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 경사측정장치에서 회전조인트가 제2축 회전한 상태를 보여주는 도 1에 대응되는 개략적인 사시도이다.
도 9는 도 8의 화살표 F-F에 따른 개략적인 반단면 사시도이다.
도 10은 도 8의 상태에 대한 개략적인 평면도이다.
도 11은 본 발명의 경사측정장치에서 회전조인트가 제1축 회전된 상태를 보여주는 도 1에 대응되는 개략적인 사시도이다.
도 12는 도 11의 화살표 E-E에 따른 개략적인 반단면 사시도이다.
도 13은 도 11의 상태에 대한 개략적인 평면도이다.
도 14는 경사측정 대상에 본 발명의 경사측정장치가 놓여있는 상태를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 15는 도 14에 도시된 상태에 있는 경사측정장치를 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 16은 도 15의 화살표 J-J에 따른 개략적인 반단면 사시도이다.
도 17은 도 15의 상태에 대한 개략적인 평면도이다.
도 18은 제1축 회전과 제2축 회전의 발생 순서를 달리 표현한 도 16에 대응되는 개략적인 반단면 사시도이다.
도 19는 도 18에 도시된 상태에 대한 도 17에 대응되는 개략적인 평면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 1에는 본 발명에 따른 경사측정장치(100)의 개략적인 사시도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1에 도시된 본 발명의 경사측정장치(100)에 대한 도 1의 화살표 D-D에 따른 개략적인 반단면 사시도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 1에 도시된 본 발명의 경사측정장치(100)에 대한 위에서 아래로 내려다본 개략적인 평면도가 도시되어 있다.

도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 경사측정장치(100)는, 경사측정 대상에 설치되는 본체(1)와, 상기 본체(1)에 결합 설치되는 회전조인트(2)와, 상기 회전조인트(2)와 결합되어 경사측정 대상이 기울어진 정도에 따라 중력방향을 향하도록 기울어지는 중심추(3)와, 상기 중심추(3)와 본체(1) 사이에 설치되어 경사측정 대상의 기울어짐으로 인하여 발생하는 변형률을 측정하는 복수개의 광섬유 센서(4)를 포함하여 구성된다.

본체(1)는, 경사측정 대상에 밀착 설치되는 받침판(10)과, 연직방향으로 간격을 두고 상기 받침판(10)과 평행을 이루면서 배치되는 조인트 결합링(11)과, 연직방향으로 조인트 결합링(11)의 위쪽으로 조인트 결합링(11)과 평행을 이루면서 배치되는 센서 결합링(12)을 포함하여 구성된다. 조인트 결합링(11)은 원형의 링(ring)부재로 이루어져 있다. 센서 결합링(12)은 연직방향으로 조인트 결합링(11)의 위쪽에서 조인트 결합링(11)과 평행을 이루면서 배치되는 부재로서, 후술하는 것처럼 복수개의 광섬유 센서(4)의 일단부가 각각 센서 결합링(12)에 결합 고정된다. 도면에 도시된 실시예의 경우, 센서 결합링(12)도 조인트 결합링(11)과 마찬가지로 원형의 링부재로 이루어져 있으나, 센서 결합링(12)의 형태는 반드시 원형일 필요는 없다. 따라서 센서 결합링(12)은 위에서 아래로 내려다본 평면 형상이 타원형 링, 사각형 링, 및 기타 다각형 링의 형태가 될 수도 있는 것이다. 받침판(10)과 조인트 결합링(11) 사이, 그리고 조인트 결합링(11)과 센서 결합링(12) 사이에는 결합지주(13)가 연직하게 설치되어 결합됨으로써, 받침판(10), 조인트 결합링(11), 센서 결합링(12) 및 결합지주(13)가 하나의 조립체를 이루게 된다. 도 2에서는 결합지주(13)의 일부를 생략하여 도시하였다.

도 4에는 본 발명의 경사측정장치(100)에 구비되는 회전조인트(2)와 중심추(3), 그리고 광섬유 센서(4)만을 본체(1)로부터 분리시켜서 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 5에는 회전조인트(2)와 본체(1)의 결합 구조를 상세히 보여주기 위하여 경사회전링(20)의 수평관통핀(23) 위치에서, 경사회전링(20), 조인트 결합링(11) 및 센서 결합링(12)의 일부를 절단하여 생략한 상태를 보여주는 개략적인 단면 사시도가 도시되어 있다.

도 4에 예시된 것처럼 회전조인트(2)는 경사회전링(20)을 포함하고 있다. 편의상 회전조인트(2)의 경사회전링(20)에 의해 만들어지는 가상의 원형평면을 "경사회전링의 가상평면"이라고 기재한다. 아울러, 센서 결합링(12)에 의해 만들어지는 가상의 평면은 "상단 가상평면"이라고 기재한다. 경사회전링(20)에는, 경사회전링의 가상평면 원중심을 통과하도록 경사회전링의 가상평면을 가로지르는 수평결합부재(21)가 경사회전링(20)에 대해 회전가능하도록 구비되어 있다. 구체적으로 수평결합부재(21)는 막대부재로 이루어져서 경사회전링(20)의 가상평면 원중심을 통과하도록 경사회전링(20)의 내측에 구비되는데, 수평결합부재(21)가 도 4에서 화살표 P 방향으로 회전할 수 있도록 수평결합부재(21)의 양단이 경사회전링(20)에 결합되어 있다. 즉, 도면에 예시된 것처럼 관통회전핀(210)이 경사회전링(20)을 관통하여 수평결합부재(21)의 양단에 각각 결합됨으로써, 관통회전핀(210)을 회전중심으로 삼아서 수평결합부재(21)가 도 4의 화살표 P방향으로 회전할 수 있게 되는 것이다. 수평결합부재(21)에서 그 정중앙에는 중심추(3)의 봉부재(30)가 직교한 상태로 관통하여 수평결합부재(21)와 일체 결합되어 있다. 따라서 중심추(3)는 경사회전링(20)의 가상평면 원중심을 관통하여 위치하게 된다.

중심추(3)는, 길게 연장된 봉부재(30) 및 상기 봉부재(30)의 하단에 일체 구비된 중량체(31)로 이루어진다. 봉부재(30)는 수평결합부재(21)와 직교한 상태로 수평결합부재(21)를 관통하여 결합되어 있다. 중심추(3)의 상부 즉, 봉부재(30)의 상단에는, 신축에 따른 변형률을 측정할 수 있는 복수개의 광섬유 센서(4)가 결합되어 수평하게 배치된다. 즉, 복수개의 광섬유 센서(4) 각각의 일단은 봉부재(30)에 결합되고 타단은 센서 결합링(12)에 결합되어 있으며, 따라서 센서 결합링(12)으로 이루어진 상단 가상평면상에는 복수개의 광섬유 센서(4)가 배치된다. 도면에 도시된 실시예의 경우, 4개의 광섬유 센서(4)가 서로 직각을 이루도록 배치되어 있다. 광섬유 센서(4)로는 FBG 센서를 이용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

경사회전링(20)은 조인트 결합링(11)의 내측에 배치되는데, 경사회전링(20)의 원주에서 수평결합부재(21)와 직교하는 위치에는, 수평관통핀(23)이 구비되어 경사회전링(20)이 조인트 결합링(11)에 대해 수평관통핀(23)을 회전중심으로 삼아서 도 4의 화살표 R로 표시된 것처럼 회전할 수 있도록 결합되어 있다. 즉, 도면에 예시된 것처럼 경사회전링(20)이 조인트 결합링(11)의 내측에 배치된 상태에서, 수평관통핀(23)이 조인트 결합링(11)을 관통하여 경사회전링(20)에 결합되는 것이다. 따라서 수평관통핀(23)을 회전중심으로 삼아서 경사회전링(20)은 도 4의 화살표 R로 표시된 것처럼 회전이 가능한 것이다. 이러한 수평관통핀(23)은 경사회전링(20)의 원주에서 서로 대향되는 위치에 구비되는데, 대향하고 있는 2개의 수평관통핀(23) 사이를 연결하는 가상의 선은 수평결합부재(21)와 직교한다.

도 1 내지 도 4에 도시된 상태는, 기울어지지 않은 경사측정 대상 즉, 경사도가 0(zero)인 경사측정 대상에 본 발명의 경사측정장치(100)를 설치하였을 때의 상태("제로경사 상태")인데, 이러한 제로경사 상태를 도면으로 도시함에 있어서, 편의상 서로 직교하는 3차원의 x-y-z축에서 중심추(3)는 z축으로 연장되고, 경사회전링(20)에 의해 만들어지는 평면은 x-y 평면에 존재하게 되며, 수평결합부재(21)는 y축으로 연장되어 있고, 수평관통핀(23)을 연결하는 가상의 선은 x축으로 연장되어 있는 것으로 도시하였다.

앞서 설명한 것처럼, 수평결합부재(21)는 관통회전핀(210)을 회전중심으로 삼아서 도 4의 화살표 P방향으로 회전할 수 있다. 도 6에는 수평결합부재(21)가 관통회전핀(210)을 회전중심으로 하여 회전한 상태를 보여주는 도 4에 대응되는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 후술하는 것처럼 중심추(3)가 기울어지면 그에 따라 수평결합부재(21)가 도 6에 도시된 것처럼 관통회전핀(210)을 중심으로 삼아서 회전하게 된다. 도 6에 도시된 것처럼 중심추(3)가 x-z축 평면에서 기울어짐에 따라 수평결합부재(21)가 관통회전핀(210)을 중심으로 화살표 P1방향으로 회전하는 것을 본 명세서에서는 "제1축 회전"이라고 기재한다.

한편, 앞서 설명한 것처럼, 경사회전링(20)은, 조인트 결합링(11)의 내측에 배치된 상태에서, 수평관통핀(23)을 회전중심으로 삼아서 도 4의 화살표 R 방향으로 회전할 수 있다. 도 7에는 경사회전링(20)이 수평관통핀(23)을 회전중심으로 하여 회전한 상태를 보여주는 도 4에 대응되는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 경사회전링(20)의 원주에서 수평결합부재(21)와 직교하는 가상의 선이 닿게 되는 위치에는 각각 수평관통핀(23)이 경사회전링(20)을 수평방향으로 관통하여 구비되어 있다. 따라서 경사회전링(20)은 수평관통핀(23)을 회전중심으로 삼아서 경사회전링(20)의 가상평면이 도 7에 도시된 것처럼 y-z축 평면을 따라 기울어지도록 화살표 R1 방향으로 회전하는 바, 이러한 경사회전링(20)의 회전을 본 명세서에서는 "제2축 회전"이라고 기재한다.

이와 같은 구성을 가지는 회전조인트(2)가 본체(1)에 설치된 상태에서 중심추(3)는 조인트 결합링(11)과 센서 결합링(12)의 중앙에 위치하게 된다. 봉부재(30)의 상부에 결합되어 있는 광섬유 센서(4)는 센서 결합링(12)으로 이루어진 상단 가상평면 상에 수평하게 배치되고 그 타단은 센서 결합링(12)에 결합된다.

본 발명에 따른 경사측정장치(100)를 이용하여 경사측정 대상의 경사를 측정하는 과정을 설명하기에 앞서 "회전조인트(2)의 회전 동작"에 대해서 살펴본다. 도 8에는 회전조인트(2)의 경사회전링(20)이 수평관통핀(23)을 회전중심으로 삼아서 "제2축 회전"하여 화살표 R1 방향으로 기울어진 상태를 보여주는 도 1에 대응되는 개략적인 사시도가 도시되어 있고, 도 9에는 도 8의 화살표 F-F에 따른 개략적인 반단면 사시도가 도시되어 있으며, 도 10에는 도 8의 상태에 대한 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 도 9는 도 2에 대응되는 도면이고, 도 10은 도 3에 대응되는 도면이다. 도 9 및 도 10에서 점선은 각각 도 2 및 도 3에 도시된 상태(제2축 회전이 일어나기 전의 상태)를 나타내고, 실선은 제2축 회전된 후의 상태를 나타낸다.

수평관통핀(23)은 경사회전링(20)을 수평방향으로 관통하되, 경사회전링(20)의 원주에서 서로 대향되는 위치에 한 쌍으로 구비된다. 따라서 수평관통핀(23)을 회전중심으로 삼아서 경사회전링(20)은 그 가상평면이 기울어지도록 회전(제2축 회전)할 수 있게 된다. 이와 같이 경사회전링(20)이 도 8에서 화살표 R1으로 표시한 것처럼 수평관통핀(23)을 회전중심으로 삼아서 제2축 회전되면, 경사회전링(20)의 가상평면은 기울어지게 된다. 도 8 내지 도 10에서 서로 대향되는 위치에 구비된 수평관통핀(23)을 이어주는 가상의 선은 x-y-z축에서 x축 방향으로 연장된 것으로 도시되어 있으므로, 경사회전링(20)의 제2축 회전은 y-z축 평면을 따라서 일어난다.

도 11에는 경사회전링(20)의 가상평면은 기울어지지 않은 채 단지 수평결합부재(21)가 관통회전핀(210)을 중심으로 하여 제1축 회전된 상태를 보여주는 도 1에 대응되는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 12에는 도 11의 화살표 E-E에 따른 개략적인 반단면 사시도가 도시되어 있으며, 도 13에는 도 11의 상태에 대한 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 도 12는 도 2에 대응되는 도면이고, 도 13은 도 3에 대응되는 도면이다. 도 12 및 도 13에서 점선은 각각 도 2 및 도 3에 도시된 상태(제1축 회전이 일어나기 전의 상태)를 나타내고, 실선은 제1축 회전된 후의 상태를 나타낸다. 수평결합부재(21)는 막대부재로 이루어져서 경사회전링(20)의 가상평면 원중심을 통과하도록 경사회전링(20)의 내측에 구비되는데, 관통회전핀(210)이 경사회전링(20)을 관통하여 수평결합부재(21)의 양단에 각각 결합된다. 따라서 앞서 설명한 것처럼 수평결합부재(21)는 관통회전핀(210)을 회전중심으로 삼아서 경사회전링(20)에 대해 제1축 회전하게 된다. 도 11 및 도 12에서 수평결합부재(21)가 x-y-z축에서 y축 방향으로 연장된 것으로 도시되어 있으므로, 수평결합부재(21)의 제1축 회전은 x-z축 평면을 따라서 일어난다.

다음에서는 본 발명의 경사측정장치(100)를 이용하여 경사를 측정하는 방법에 대해 설명한다. 도 14에는 경사측정 대상의 경사도를 측정하기 위하여, 경사측정 대상(200)에 본 발명의 경사측정장치(100)가 놓여있는 상태를 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 경사를 측정하기 위해서는 경사측정 대상(200)의 표면에 받침판(10)이 놓이도록 경사측정장치(100)를 설치한다. 경사측정 대상(200)이 기울어지면, 중심추(3)는 중력이 작용하는 방향을 향하는 상태를 그대로 유지하지만, 중심추(3)를 제외한 경사측정장치(100)의 나머지 부분은 경사측정 대상과 함께 기울어진다. 도 15에는 도 14에 도시된 상태에 있는 경사측정장치(100)를 본체(1)가 직립되어 있는 형태로 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있는데, 경사측정 대상이 기울어지지 않은 상태에서의 경사측정장치(100) 모습을 보여주는 도 1과 대비할 수 있도록 편의상 도 15에서는 경사측정장치(100)의 본체(1)는 도 1에 도시된 상태를 그대로 유지한 채로 중심추(3)만이 중력방향을 향하여 기울어진 것으로 도시하였다. 기울어진 경사측정 대상에 경사측정장치(100)가 설치되면, 앞서 설명한 것처럼 중심추(3)는 중력이 작용하는 방향을 향하는 상태를 그대로 유지하지만, 중심추(3)를 제외한 경사측정장치(100)의 나머지 부분은 경사측정 대상과 함께 기울어진다. 그렇지만 이러한 상태를 본체(10)를 중심으로 본다면, 경사측정장치(100)의 나머지 부분은 그대로 있는 것이고 중심추(3)만이 기울어지는 것이 된다. 이와 같이 경사측정장치(100)의 나머지 부분은 그대로 있는 것이고 중심추(3)만이 기울어진 상태를 도 15에 도시한 것이다.

중심추(3)의 봉부재(30)는 수평결합부재(21)와 항상 직교하도록 수평결합부재(21)에 결합되어 있으므로, 경사측정 대상에 경사측정장치(100)가 놓이게 되어 중심추(3)가 기울어지게 되면, 수평결합부재(21) 및 이와 결합된 경사회전링(20)도 중심추(3)와 동일한 방향으로 기울어진다. 이 때, 수평결합부재(21)의 제1축 회전과 경사회전링(20)의 제2축 회전이 각각 개별적으로 또는 모두 발생하면서 회전조인트(2)가 중심추(3)와 함께 기울어지게 된다.

도 16에는 도 15의 화살표 J-J에 따른 개략적인 반단면 사시도가 도시되어 있으며, 도 17에는 도 15의 상태에 대한 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 도 16은 도 2에 대응되는 도면이고, 도 17은 도 3에 대응되는 도면이며, 도 16 및 도 17에서 점선은 각각 도 2 및 도 3에 도시된 상태(중심추의 3차원 경사가 발생하기 전의 상태)를 나타내고, 실선은 경사진 후의 상태를 나타낸다.

도 1 내지 도 4에 도시된 제로경사 상태에 있던 경사측정장치(100)에서는, 회전조인트(2)의 수평관통핀(23) 사이를 이어주는 가상의 선이 x축 방향을 향하고 있다. 이러한 상태에서 중심추(3)가 단순히 z-y축 평면을 따라서만 기울어진다면, 회전조인트(2)의 경사회전링(20)은 오로지 도 7 내지 도 10에 도시된 것처럼 제2축 회전만을 하게 된다. 즉, 중심추(3)가 기울어져서 움직이는 평면("중심추 경사평면")이 도 7에 도시된 것처럼 z-y축 평면이라면, 회전조인트(2)에서는 경사회전링(20)의 제2축 회전만이 일어나는 것이다. 반면에 중심추(3)가 단순히 z-x축 평면을 따라서만 기울어진다면, 회전조인트(2)의 경사회전링(20)에는 회전이 발생하지 않고, 수평결합부재(21)만이 도 6에 도시된 것처럼 제1축 회전하게 된다.

그런데 도 1 내지 도 4에 도시된 상태에 있던 중심추(3)가, 도 14 및 도 15에 도시된 것처럼 z-y축 평면을 벗어나서 x축 및 y축과 각각 소정의 각도를 가지도록 기울어지는 경우에는, 회전조인트(2)에서는 제2축 회전과 제1축 회전이 모두 일어나게 된다. 즉, 중심추(3)가 3차원으로 기울어지게 되어 중심추 경사평면이 z-y축 평면과 상이한 경우에는, 도 7 내지 도 10을 참조하여 설명한 경사회전링(20)의 제2축 회전과, 도 6, 도 12 및 도 13을 참조하여 설명한 수평결합부재(21)의 제1축 회전이 함께 진행되는 것이다. 이와 같은 경사회전링(20)의 제2축 회전과 수평결합부재(21)의 제1축 회전이 모두 진행됨으로써, 본 발명에 따른 경사측정장치(100)에서는 중심추(3)가 3차원의 어느 방향으로 기울어지더라도 그에 맞추어서 회전조인트(2)가 중심추(3)와 함께 기울어지게 된다.

경사회전링(20)의 제2축 회전과 수평결합부재(21)의 제1축 회전이 모두 진행되는 것을 도면으로 표현함에 있어서, 도 16 및 도 17에서는, 경사회전링(20)의 제2축 회전과 수평결합부재(21)의 제1축 회전이 함께 진행하되, 경사회전링(20)의 제2축 회전이 우선적으로 진행되고, 이후에 수평결합부재(21)의 제1축 회전이 진행되는 것으로 도시되어 있다. 그러나 이와 반대로 수평결합부재(21)의 제1축 회전이 우선적으로 진행되고, 이후에 경사회전링(20)의 제2축 회전이 진행되는 것으로 도시할 수도 있다. 도 18은 도 16에 대응되는 개략적인 반단면 사시도가 도시되어 있으며, 도 19에는 도 17에 대응되는 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 도 16 내지 도 19에서는 경사회전링(20)의 제2축 회전과 수평결합부재(21)의 제1축 회전을 각각 설명하기 위하여, 제2축 회전과 제1축 회전이 선,후를 가지는 것으로 도시하였지만, 실제로는 2종류의 회전이 동시에 병행하여 진행될 수 있다.

이와 같이 경사측정 대상의 경사에 맞추어서 중심추(3)가 기울어지면서 경사회전링(20)의 제2축 회전과 수평결합부재(21)의 제1축 회전이 진행되면, 그에 따라 중심추(3)의 상단이 움직이게 되고, 중심추(3)의 봉부재(30) 상단에 결합된 광섬유 센서(4)에는 신축 변형이 발생하게 된다. 도 3에 도시된 것처럼 제로경사 상태에서는 중심추(3) 상단이 센서 결합링(12)의 "상단 가상평면" 중심에 위치하게 된다. 그런데 경사측정 대상이 기울어지게 되면, 중심추(3) 상단은 센서 결합링(12)의 상단 가상평면 중심에서 벗어나도록 움직이게 된다. 이러한 중심추(3) 상단의 움직임으로 인하여, 중심추(3)의 상단과 센서 결합링(12) 사이에 배치되어 있던 복수개의 광섬유 센서(4) 각각에는 신축 변형이 발생되고, 광섬유 센서(4)에서는 이러한 신축 변형률을 측정하게 된다. 각 광섬유 센서(4)에서의 신축 변형률을 알게 되면, 간단한 기하학적인 연산에 의해 중심추(3)의 상단이 센서 결합링(12)의 상단 가상평면 중심으로부터 벗어난 길이를 알 수 있으며, 중심추(3)와 수평결합부재(21)가 결합되어 있는 지점에서부터 광섬유 센서(4)가 결합되어 있는 중심추(3)의 봉부재(30) 단부까지의 길이를 알고 있으므로, 이에 근거한 간단한 기하학적인 연산에 의해 중심추(3)가 제로경사 상태에서부터 기울어진 각도 즉, 중심추(3)의 경사각도를 정확하게 산출하여 측정할 수 있게 되며, 이를 통해서 경사측정 대상의 경사도를 정확하게 측정하게 되는 것이다.

앞서 살펴본 것처럼, 종래 기술의 경우, 경사측정 대상이 2차원 평면을 벗어나서 3차원의 형태로 기울어지게 되면 중심추와 연결된 광섬유 센서에는 광섬유 연장 방향뿐만 아니라 이에 직교하는 다른 2축으로도 변형이 발생하게 되어 광섬유 센서를 통한 정확한 변형률의 측정이 불가능하다는 한계가 있다. 그러나 본 발명의 경우, 경사측정 대상이 3차원 형태로 기울어지더라도 그에 맞추어서 중심추(3)도 기울어질 수 있으며, 중심추(3)와 연결된 광섬유 센서(4)에는 항상 광섬유의 연장 방향으로만 신축 변형률이 발생하게 되어, 정확한 신축 변형률을 측정할 수 있으며, 이러한 정확한 신축 변형률에 기초한 기하적인 간편한 분석을 통해서 경사측정 대상의 경사도를 매우 정확하게 측정할 수 있게 되는 장점이 발휘된다.

1: 본체
2: 회전조인트
3: 중심추
4: 광섬유 센서
100: 경사측정장치

Claims (3)

1. 조인트 결합링(11)과 센서 결합링(12)을 포함하는 본체(1);
   조인트 결합링(11)의 원주 내측에 위치하는 경사회전링(20), 및 경사회전링의 가상평면 원중심을 통과하도록 배치되어 경사회전링에 대해 제1축 회전이 가능하도록 구비된 수평결합부재(21)를 포함하는 회전조인트(2);
   봉부재(30)와 중량체(31)를 포함하여, 봉부재(30)가 경사회전링(20)의 가상평면 원중심 위치에서 수평결합부재(21)와 직교하도록 결합됨으로써, 경사회전링(20)의 가상평면 원중심을 관통하여 위치하게 되는 중심추(3); 및
   중심추(3)의 상단과 센서 결합링(12) 사이에서 배치되어 신축 변형률을 측정하는 복수개의 광섬유 센서(4)를 포함하며;
   경사회전링(20)은 수평결합부재(21)와 직교하는 가상 선을 회전축으로 하여 제2축 회전이 가능하도록 조인트 결합링(11)에 결합되어 있으며;
   본체(1)가 경사측정 대상에 설치됨으로써, 경사측정 대상의 경사에 따라 중심추(3)가 중력방향을 유지하도록 움직이게 되면, 중심추(3)의 움직임에 의해 수평결합부재(21)가 제1축 회전하고 경사회전링(20)이 제2축 회전하여 회전조인트(2)가 중심추(3)에 맞추어 중심추(3)와 함께 기울어짐으로써, 중심추(3)의 상단에 결합된 광섬유 센서(4)에 신축변형이 유발되고, 광섬유 센서(4)에 의해 신축변형을 측정함으로써 중심추(3)의 기울어짐 정도를 파악하여 경사측정 대상의 경사도를 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 경사측정장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   본체(1)에는 경사측정 대상에 밀착 설치되는 받침판(10)이 구비되며;
   조인트 결합링(11)은, 연직방향으로 받침판(10)과 간격을 두고 받침판(10)과 평행을 이루면서 배치되고;
   센서 결합링(12)은 연직방향으로 조인트 결합링(11)의 위쪽으로 조인트 결합링(11)과 평행을 이루면서 배치되며;
   수평결합부재(21)는 막대부재로 이루어져서 경사회전링(20)의 가상평면 원중심을 통과하도록 경사회전링(20)의 내측에 구비되는데, 관통회전핀(210)이 경사회전링(20)을 관통하여 수평결합부재(21)의 양단에 각각 결합됨으로써, 관통회전핀(210)을 회전중심으로 하여 수평결합부재(21)가 경사회전링(20)에 대해 제1축 회전하며;
   경사회전링(20)의 원주에서 수평결합부재(21)와 직교하는 가상의 선과 교차하는 위치에는 각각 수평관통핀(23)이 경사회전링(20)을 수평방향으로 관통하여 구비되어 경사회전링(20)은 수평관통핀(23)을 회전중심으로 하여 경사회전링(20)의 가상평면이 기울어지도록 제1축 회전하는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 경사측정장치.
   
3. 경사측정 대상의 경사도를 측정하는 방법으로서,
   조인트 결합링(11)과 센서 결합링(12)을 포함하는 본체(1); 조인트 결합링(11)의 원주 내측에 위치하는 경사회전링(20), 및 경사회전링의 가상평면 원중심을 통과하도록 배치되어 경사회전링에 대해 제1축 회전이 가능하도록 구비된 수평결합부재(21)를 포함하는 회전조인트(2); 봉부재(30)와 중량체(31)를 포함하여, 봉부재(30)가 경사회전링(20)의 가상평면 원중심 위치에서 수평결합부재(21)와 직교하도록 결합됨으로써, 경사회전링(20)의 가상평면 원중심을 관통하여 위치하게 되는 중심추(3); 및 중심추(3)의 상단과 센서 결합링(12) 사이에서 배치되어 신축 변형률을 측정하는 복수개의 광섬유 센서(4)를 포함하며; 경사회전링(20)은 수평결합부재(21)와 직교하는 가상 선을 회전축으로 하여 제2축 회전이 가능하도록 조인트 결합링(11)에 결합되어 있는 구성의 경사측정장치(100)를, 경사측정 대상(200) 위에 설치하여;
   경사측정 대상의 경사에 따라 중심추(3)가 중력방향을 유지하도록 움직이게 됨으로써 중심추(3)의 움직임에 의해 수평결합부재(21)가 제1축 회전하고 경사회전링(20)이 제2축 회전하여 회전조인트(2)가 중심추(3)에 맞추어 중심추(3)와 함께 기울어져서 중심추(3)의 상단에 결합된 광섬유 센서(4)에 신축변형이 유발되면, 광섬유 센서(4)에 의해 신축변형을 측정함으로써 중심추(3)의 기울어짐 정도를 파악하여 경사측정 대상의 경사도를 산출하는 것을 특징으로 하는 경사측정방법.

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