KR102082238B1 - 변형 가능한 센서 케이스를 갖는 변위 측정장치, 이를 이용한 레일 변위 측정장치 및 변위량 계측 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 변위 측정장치를 연결하여 토목 구조물 및 지중 변위를 검출할 때 토목 구조물 및 지중 변위에 대응하여 변형 가능한 센서 케이스를 이용함에 의해 측정장치의 구조를 단순화할 수 있고, 센서의 파손을 방지할 수 있는 변형 가능한 센서 케이스를 갖는 변위 측정장치, 이를 이용한 레일 변위 측정장치 및 변위량 계측 시스템에 관한 것이다.
상기 변위 측정장치는 피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변형이 발생하는 센서 케이스; 및 상기 센서 케이스에 설치되어 센서 케이스의 변형을 검출하여 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

변형 가능한 센서 케이스를 갖는 변위 측정장치, 이를 이용한 레일 변위 측정장치 및 변위량 계측 시스템{Displacement Measuring Apparatus Having Transformable Sensor Case, Apparatus for Measuring Rail Displacements and System for Measuring Displacements Using the Same}

본 발명은 변형 가능한 센서 케이스를 갖는 토목 구조물, 지중 및 레일의 변위 측정장치에 관한 것으로, 특히 토목 구조물의 기울기, 지중 경사(地中 傾斜) 및 지반 침하(地盤 沈下) 등의 변위량을 측정하여, 토목 구조물 및 지반 거동 상태를 감시할 수 있는 변형 가능한 센서 케이스를 갖는 변위 측정장치, 이를 이용한 레일 변위 측정장치 및 변위량 계측 시스템에 관한 것이다.

도로, 터널, 교량, 댐 등의 토목 구조물의 변위나, 경사면 절개지, 지하철 공사 현장, 고층건물 신축용 지하 기초 공사 시에 측벽 등의 지중 수평 변위 또는 간척 매립지, 연약지반 등의 지반 침하 변위는 구조물의 설계기준 또는 공사현장의 적용 공법에 따라 구조물 또는 측벽의 변위량을 검출하여 거동을 감시할 필요가 있다.

일반적으로 경사센서를 이용한 토목 계측용 측정장치는 다수 있지만, 토목 공사 현장의 적용 용도에 따라 측정기의 외관 구조가 다르고, 일정한 길이의 경사센서를 볼트로 연결 조립하여, 경사계관 속에 넣어 지중(地中)에 매설하거나, 토목 구조물에 부착하는 구조로 되어 있다. 토목분야에서는 경사센서의 기울기 변위량을 길이단위(mm)로 변환하여, 구조물의 기울은 정도(Tilt), 혹은 지반의 침하량(Settlement)을 알아내어, 토목 현장의 안정도 판정 데이터로 활용하고 있다.

종래에 지중의 기울기를 측정하는 방법은 단일의 경사계관을 먼저 땅 속에 매설하고, 경사계관 속으로 복수의 경사센서에 부착된 복수의 센서롤러를 이용하여 경사계관 속으로 밀어 넣으면서, 복수의 경사센서를 복수의 센서 연결 볼트로 연결하여 복수의 경사센서를 설치한 후, 각각의 경사 센서에 의해 지중 수평 변위를 감지한 후, 센서 외부에 노출되어 있는 복수의 측정 케이블을 통하여 측정 데이터를 수집하여 지중 수평 변위를 판단하였다.

그러나, 종래의 지중 수평 변위 측정장치는 복수의 경사센서마다 연결된 복수의 측정 케이블이 복수의 경사센서 외부로 노출된 구조이므로, 경사계관과 센서롤러 사이에 끼어서, 설치 가능한 센서 숫자에 제한이 있고 설치되는 센서가 늘어남에 따라 설치가 매우 어려워진다.

또한, 종래의 지중 수평 변위 측정장치 또는 지반 침하량 측정 시스템은 구조가 복잡하고, 설치하기가 매우 어려우며, 경사계관이 기우는 정도를 경사계관 안쪽의 홈에 닿은 센서롤러를 통하여 전달된 경사계관의 변위를 센서가 감지하는 간접 계측 방법이므로 실변화와는 상당히 큰 오차가 있다.

종래의 지중 수평 변위 측정장치 또는 지반 침하량 측정 시스템의 문제를 개선하고자 한국 공개특허공보 제10-2007-0018211호(특허문헌 1)에는 각각의 측정센서가 신호 변환부를 통하여 측정 시스템 본체에 연결된 단일의 측정 케이블에 병렬 연결됨에 따라 복수의 단위 변위 측정기와 측정 시스템 본체 사이의 선 연결이 간단하게 이루어지는 토목 구조물 및 지중 변위측정장치가 제안되어 있다.

상기 특허문헌 1의 복수의 단위 변위 측정기 각각은 측정센서와 신호 변환부가 원통형 케이싱에 내장되어 있으며, 인접한 원통형 케이싱은 연결 관절부를 통하여 절곡 가능하게 결합된 구조를 가지고 있다.

그러나, 특허문헌 1에서는 연결 관절부의 관절 각도를 초과하는 변위가 발생하는 경우 파손이 발생하거나 변위된 변화량을 측정할 수 없는 문제가 발생한다.

즉, 도 1 및 도 2와 같이 도로(3)나 지반(1) 침하를 계측하기 위해 복수의 측정센서(501~506)를 직렬로 연결하여 지중에 매설하고 지반(1)이 침하하는 것을 센서 기울기 변화를 감지하여 침하량을 측정할 때, 지반 위로 흙이 성토되어 가면 하부로 측정센서(501~506)가 내려가면서 일정 깊이 이상이 되면 측정센서들의 프로파일이 V자 모양으로 변형이 생기면서 파손이 발생하여 계측이 어려워지게 된다.

또한, 철로 지반 침하와 변형이 우려되는 연약 지반, 절개지, 계곡과 직면한 부분, 또는 구조물의 변형이 이루어질 수 있는 터널, 교량 위를 지나는 철도 레일은 그의 변위량을 측정하여 지반 침하와 변형으로 인하여 발생할 수 있는 대형 철도 사고를 미연에 방지하고, 열차의 안전 운행을 위하여 철도 레일의 안전 상태를 상시 계측하는 것이 필요하다.

종래에 피측정물인 레일 양단에 간편하게 감지 센서를 설치함으로써 철도 지반 침하를 측정할 수 있는 설치가 간단한 저가격의, 레일 변위량 측정 장치가 한국 공개특허공보 제10-2010-0088945호(특허문헌 2)에 제안되어 있다.

특허문헌 2의 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량 측정장치는 일측에 제1레일에 고정되는 측정 고정단을 구비하고 일정 길이로 연장된 고정로드와, 일측이 제2레일에 고정되는 측정 이동단을 구비하고 일정 길이로 연장된 이동로드와, 고정로드에 고정 설치되어 제2레일의 변위에 연동하여 이동로드가 이동하는 길이 변위량을 전기적 측정신호로 검출하기 위한 길이센서와, 이동로드에 부착되어 제2레일의 기울기 값을 측정하는 경사센서를 포함하고 있다.

즉, 특허문헌 2의 레일 변위량 측정장치는 일단이 한쌍의 레일에 고정된 고정로드와 이동로드의 연결부위에 원통형의 센서 케이스를 설치하고 케이스 내부에 내장된 길이센서의 일단을 이동로드의 일단에 연결하여, 이동로드의 변위를 감지하여 레일의 변위량을 측정하고 있다.

상기 특허문헌 2의 레일 변위량 측정장치는 레일 고정부재의 힌지결합부에 힌지결합하는 센서 케이싱과 센서 케이싱에 설치되는 각도센서에 의해 한 쌍의 레일 고정부재의 각도변화만을 측정하는 것이므로, 양측 레일의 높이 차이와 같이 레일의 다양한 변위를 측정하기 어려운 문제가 있다.

또한, 레일 고정부재는 외측 지지부재와 내측 지지부재가 서로 다른 구조를 가지는 것이므로 상호 호환성이 없다.

더욱이, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 사용된 센서 케이스는 재질이 일반적인 스텐레스 스틸(SUS)이거나 알루미늄(Al)을 사용하고 있어, 측정센서가 부착된 구조물(예를 들어, 철도 레일, H빔, 교량의 기둥 등)의 단순 기울어짐은 계측 가능하나 센서 케이스의 길이방향 변형이 발생하는 경우 구조물에 인가되는 압력이나 부하의 변화에 의한 변위량, 즉 압축이나 인장 강도(힘)의 변화량을 측정할 수 없다.

: 한국 공개특허공보 제10-2007-0018211호 : 한국 공개특허공보 제10-2010-0088945호

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 고안된 것으로, 그 목적은 복수의 변위 측정장치를 연결하여 토목 구조물 및 지중 변위를 검출할 때 토목 구조물 및 지중 변위에 대응하여 변형 가능한 센서 케이스를 이용함에 의해 측정장치의 구조를 단순화할 수 있고, 센서의 파손을 방지할 수 있는 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 토목 구조물 및 지중 변위에 대응하여 센서 케이스에 인가되는 인장강도, 압축강도, 회전(비틀림), 압력, 힘과 같은 다양한 물리량을 감지하여 정밀 침하량을 측정함에 의해 침하 프로파일을 계측할 수 있으며, 토목 구조물 및 지반의 거동 상태를 정밀하게 감시할 수 있는 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 센서 케이스에 길이, 기울기, 가속도, 스트레인, 힘 등을 함께 측정할 수 있는 복합 센싱 기능을 갖는 다목적 측정 센서를 내장함에 의해 토목 구조물 및 지중 변위에 대응하여 인장강도, 압축강도, 회전(비틀림), 압력, 힘과 같은 다양한 물리량을 용이하게 감지할 수 있는 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 토목 구조물 및 지중 변위가 발생할 때 이에 대응하여 센서 케이스의 가동부 또는 센서 케이스 자체가 변위 및/또는 변형됨에 따라 토목 구조물 및 지중의 변위를 측정할 수 있는 변위 측정장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 센서 케이스가 변형 가능한 재질을 사용하거나 가동 케이스가 고정 케이스로부터 텔레스코프 방식으로 변형 가능한 구조를 가지고 있어, 변위 측정장치가 부착된 피구조물(예를 들어, 철도 레일, H빔, 교량의 기둥 등)의 단순 기울어짐은 물론 센서 케이스의 길이방향 변위 및/또는 변형이 발생하는 경우 구조물에 인가되는 압력이나 부하의 변화에 의한 변위량을 측정할 수 있는 변위 측정장치 및 변위량 계측 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 센서 케이스가 변위 및/또는 변형 가능한 재질을 사용하면서 양 단부에 연결 브라켓을 구비하고, 연결 브라켓(연결 조인트)을 절곡 또는 선회 가능하게 연결함에 의해 피구조물의 변형시에도 센서의 파손을 방지할 수 있는 변위 측정장치 및 변위량 계측 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 외력이 인가될 때 변위 및/또는 변형 가능한 가요성 센서 케이스를 사용하면서 양 단부에 연결 브라켓을 사용하지 않고 복수개의 변위 측정장치를 일정한 간격으로 설치하여 계측 시스템을 구성할 수 있는 변위 측정장치 및 변위량 계측 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 레일 지지대와 측정 센서 사이에 어떤 중간부재도 사용하지 않고 레일 지지대에 측정 센서를 바로 설치할 수 있어 계측 오차를 발생시키지 않고 신뢰도 높은 레일 변위를 직접 측정할 수 있는 레일 변위 측정장치 및 변위량 계측 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변위 측정장치는 피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변위 또는 변형이 발생하는 센서 케이스; 및 상기 센서 케이스에 설치되어 센서 케이스의 변위 또는 변형을 검출하여 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 측정 센서는 상기 센서 케이스 내부의 수용 공간에 설치되어 센서 케이스의 변위가 발생할 때 기울기, 위치 및 좌표 중 적어도 하나를 측정하는 제1측정 센서; 및 상기 센서 케이스 내부에 설치되며, 센서 케이스의 변위 또는 변형이 발생할 때 길이 변위, 위치 좌표, 뒤틀림, 회전, 응력 및 압력 중 적어도 하나를 검출하는 제2측정 센서;를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1측정 센서는 경사 센서, 가속도계 센서, 진동 센서, 자이로 센서 중 어느 하나 또는 이들의 조합이고, 상기 제2측정 센서는 길이 센서, 스트레인 게이지, 진동현 방식(VIBRATING WIRE TYPE) 센서, 직선형 가변 차동변압기(Linear Variable Differential Transformer: LVDT)형 길이 센서, 선형 가변 위치센서(LVIT: Linear Variable Inductive Transducer), 광 센서, 레이저 센서 중 어느 하나일 수 있다.

상기 센서 케이스는 외력이 가해질 때 변형이 발생하는 가동 케이스를 구비하며, 상기 센서 케이스의 가동 케이스에 설치되어 센서 케이스의 변형이 발생할 때 상기 가동 케이스의 기울기, 뒤틀림 및 회전 중 적어도 하나를 검출하는 제3측정 센서;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 측정 센서는 스트레인 게이지이고, 상기 센서 케이스에 인가되는 응력에 대응하는 길이변형률을 측정할 수 있다.

더욱이, 상기 센서 케이스는 내부에 센서 케이스의 자세 변위를 측정하는 측정 센서를 수용하기 위한 수용 공간을 갖는 통형상의 고정 케이스; 및 외력이 가해지거나 지반침하가 발생할 때 상기 고정 케이스로부터 길이방향 변위, 뒤틀림 또는 회전이 이루어지는 가동 케이스;를 포함하며, 상기 가동 케이스는 고정 케이스에 텔레스코프 방식으로 이동 가능하게 설치될 수 있다.

상기 가동 케이스는 외주부에 상기 가동 케이스의 가동길이만큼 환형 요홈이 형성되어 있으며, 상기 고정 케이스의 선단부에 구비된 스토퍼는 상기 환형 요홈에 결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 변위 측정장치에서 상기 센서 케이스는 금속재 또는 합성수지재로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 센서 케이스의 양단부에 각각 설치되는 한쌍의 연결 브라켓; 및 각각 평행한 한쌍의 레일의 하측 플랜지 또는 하나의 레일의 하측 플랜지를 내부에 수용하여 지지하는 제1 및 제2 레일 지지대;를 더 포함하며, 상기 센서 케이스의 한쌍의 연결 브라켓은 각각 제1 및 제2 레일 지지대에 각각 고정될 수 있다.

더욱이, 상기 센서 케이스의 양단부에 각각 설치되는 한쌍의 연결 브라켓을 더 포함하며, 복수의 변위 측정장치를 상호 연결할 때, 인접한 변위 측정장치의 연결 브라켓은 절곡 가능하게 결합될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 변위 측정장치는 피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변형이 발생하는 센서 케이스; 상기 센서 케이스에 설치되어 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서; 및 상기 센서 케이스의 양단부에 각각 설치되는 한쌍의 연결 브라켓;를 포함하며, 지중에 복수의 변위 측정장치를 상호 연결하여 매설할 때, 인접한 변위 측정장치의 연결 브라켓 사이에는 절곡 가능하게 연결될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 레일 변위 측정장치는 각각 평행한 한쌍의 레일의 하측 플랜지 또는 하나의 레일의 하측 플랜지를 내부에 수용하여 지지하는 제1 및 제2 레일 지지대; 및 양단부가 각각 상기 제1 및 제2 레일 지지대에 고정 설치되어 레일의 변위를 측정하기 위한 변위 측정장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 및 제2 레일 지지대는 각각, 일측에 상기 하측 플랜지의 일측을 수용하는 제1 요홈을 구비하는 레일내부지지대; 일측에 상기 하측 플랜지의 타측을 수용하는 제2 요홈을 구비하는 레일외부지지대; 및 상호 조합되어 상기 제1 및 제2 요홈 내부에 레일의 하측 플랜지를 수용하도록 설치된 레일내부지지대와 레일외부지지대를 결속하여 고정하는 지지대 결합부재;를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레일 변위 측정장치는 레일의 하측 플랜지를 내부에 수용하여 지지하는 레일 지지대; 및 상기 레일 지지대에 고정 설치되어 레일의 변위를 측정하기 위한 변위 측정장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 변위량 계측 시스템은 피측정물의 변위를 검출한 후 검출된 변위 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 전송하기 위한 복수의 변위 측정장치;를 포함하며, 상기 복수의 변위 측정장치는 각각, 피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변형이 발생하는 센서 케이스; 상기 센서 케이스에 설치되어 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서; 및 상기 센서 케이스의 양단부에 각각 설치되는 한쌍의 연결 브라켓;를 포함하며, 인접한 변위 측정장치의 연결 브라켓 사이에는 절곡 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 변위량 계측 시스템은 피측정물의 변위를 검출한 후 검출된 변위 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 전송하기 위한 복수의 변위 측정장치;를 포함하며, 상기 복수의 변위 측정장치는 각각, 피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변형이 발생하는 센서 케이스; 및 상기 센서 케이스에 설치되어 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서;를 포함하며, 상기 복수의 변위 측정장치는 일정한 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 레일 변위량 계측 시스템은 각각 레일과 레일 사이 또는 하나의 레일에 간격을 두고 설치되어 레일의 변위에 따라 레일 사이의 간격 변위와 레일 좌우 기울기 값을 검출하는 복수의 레일 변위 측정장치; 상기 레일 사이의 간격 변위와 레일 좌우 기울기 값을 디지털 데이터로 변환하여 전송하는 통신수단; 상기 통신수단을 통하여 상기 복수의 레일 변위 측정장치로부터 계측된 디지털 데이터를 수신한 후, 모뎀을 통하여 디지털 계측 데이터를 공중망으로 전송하는 데이터 로거; 및 상기 공중망을 통하여 데이터 로거로부터 전송된 디지털 계측 데이터를 수신한 후 계측 데이터를 누적하여 종합한 후 미리 설정된 표준 기준값과 비교하여 레일의 안정도를 판단하는 시스템 서버를 포함하며, 상기 레일 변위 측정장치는 레일 사이의 간격 변위와 레일 좌우 기울기값의 변화로 인한 지반 침하를 검출하는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 토목 구조물 및 지중 변위에 대응하여 변형 가능한 센서 케이스를 이용함에 의해 측정장치의 구조를 단순화할 수 있고, 토목 구조물 및 지반의 거동 상태를 정밀하게 감시할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 피구조물의 변위/변형 발생에 대응하여 변형 가능한 센서 케이스를 이용함에 의해 센서 케이스에 인가되는 인장강도, 압축강도, 비틀림, 압력, 힘을 감지하여 정밀 침하량을 측정함에 의해 정밀한 침하 프로파일 계측할 수 있으며, 센서의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 측정센서가 센서 케이스 내주부에 설치되어 피구조물의 변위/변형 발생에 대응하여 센서 케이스에 인가되는 인장강도, 압축강도, 비틀림, 압력, 힘을 감지하여 피구조물의 안전성을 예측할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 측정센서가 센서 케이스 내주부에 설치되어 피구조물의 변위/변형가 발생할 때 이에 대응하여 센서 케이스의 가동부가 변위 및/또는 변형됨에 따라 토목 구조물 및 지중 변위를 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 센서 케이스에 인가되는 인장강도, 압축강도, 비틀림, 압력, 힘을 감지하여 측정장치의 상부에 성토된 성토량을 정밀하게 측정할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 변위 측정장치는 단일 또는 복수개 조합하여 터널 지중 변위계나 록볼트(rock bolt) 축력계에 적용함에 의해 용이하게 터널의 변위를 측정하는 시스템을 구성할 수 있다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 복수의 변위 측정장치가 각각 도로와 지반의 침하를 계측하기 위해 지중에 매설된 변위량 계측 시스템을 개략적으로 나타낸 개략 단면도이다.
도 3 및 3도 4는 각각 본 발명에 따른 복수의 변위 측정장치가 레일의 변위를 측정하기 위해 레일에 설치된 레일 변위량 계측 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 5은 본 발명에 따른 변위 측정장치가 레일의 변위를 측정하기 위해 하나의 레일에 설치된 상태를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 변위 측정장치가 레일의 변위를 측정하기 위해 한쌍의 레일 사이에 설치된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 변형 가능한 센서 케이스를 갖는 변위 측정장치의 사시도이다.
도 8a 내지 도 8c는 각각 본 발명의 제1실시예에 따른 변형 가능한 센서 케이스를 갖는 변위 측정장치의 길이방향 단면도이다.
도 9a 내지 도 9c는 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 텔레스코프 방식으로 길이변형이 가능한 센서 케이스를 갖는 변위 측정장치의 길이방향 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 발명의 변위 측정장치는 예를 들어, 철도 레일, H빔, 교량의 기둥 등의 피구조물에 노출되어 설치되거나, 도로, 터널, 교량, 댐 등의 토목 구조물이나, 경사면 절개지, 지하철 공사 현장, 고층건물 신축용 지하 기초 공사장 측벽, 간척 매립지, 연약지반 등의 지반 침하 예상지역에 매립 설치될 수 있다.

이 경우, 피구조물의 자세 변경이나 길이 또는 형상의 변형이 발생할 때, 또는 지반 침하 예상지역의 지반 침하가 발생할 때 변위 측정장치는 이에 대응하여 센서 케이스의 길이 변위 및/또는 변형이 발생하거나 자세 변위(예를 들어, 회전(비틀림))가 발생할 수 있다.

이하의 설명에서는 변위 측정장치에 길이 변위 및/또는 변형이 발생하거나 자세 변위(예를 들어, 회전(비틀림))가 발생할 수 있는 피구조물의 자세 변경이나 길이 또는 형상의 변형이나 지반 침하를 모두 포함하여 단순히 "변위" 또는 "변위 발생"으로만 표현할 수 있다.

또한, 변위 측정장치가 설치되는 피구조물이나 변위 측정장치가 매립된 지역은 "피측정물"로 지칭될 수 있다.

본 발명에 따른 변위량 계측 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 각각 도로(3)나 지반(1)의 침하를 계측하기 위해 각각 측정 센서(S1~S6)를 내장한 복수의 변위 측정장치(501~506)를 상호 연결하여 지중에 매설한 상태로 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2에서 복수의 변위 측정장치(501~506)는 데이터 로거(33)에 연결되어 이로부터 측정값을 무선 또는 유선 통신망을 이용하여 시스템 서버(38)로 전송한다.

또한, 상기 측정 센서(S1~S6)를 내장한 복수의 변위 측정장치(501~506)는 터널의 내주면에 설치되어 터널 내공변위를 검출하여 터널의 안전성을 판단하는 데 이용될 수 있다.

상기 복수의 변위 측정장치(501~506)는 도 7 내지 도 9c에 도시된 변위 측정장치(50,50a)를 사용하여 구성될 수 있으며, 추후에 설명한다.

또한, 본 발명에 따른 변위 측정장치(50,50a)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 한쌍의 레일 지지대(10)를 이용하여 레일(60,60a)에 설치하는 경우 레일 변위 측정장치(100~N)를 구성할 수 있다.

좀더 구체적으로 살펴보면, 레일(60,60a)의 길이방향 변위를 측정하는 경우 도 7 내지 도 9c에 도시된 변위 측정장치(50,50a)를 도 5와 같이 하나의 레일(60)에 길이방향을 따라 설치하고, 지반 침하로 인하여 한쌍의 레일(60,60a) 사이의 변위를 측정하는 경우 도 6과 같이 한쌍의 레일 사이에 변위 측정장치(50,50a)를 설치한다.

더욱이, 각각 레일(60,60a)의 변위를 측정하기 위해 복수의 레일 변위 측정장치(100~N)를 한쌍의 레일(60,60a) 사이와 하나의 레일(60)에 길이방향을 따라 혼합하여 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 시스템을 구성하면 레일 변위량 계측 시스템이 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변위량 계측 시스템은 피측정물의 변위를 검출한 후 검출된 변위 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 전송하기 위한 복수의 변위 측정장치(501~506)를 포함하며, 상기 복수의 변위 측정장치는 각각, 피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변형이 발생하는 센서 케이스(70,70a), 상기 센서 케이스에 설치되어 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서(54~57), 및 상기 센서 케이스의 양단부에 각각 설치되는 한쌍의 연결 브라켓(51,52)를 포함하며, 인접한 변위 측정장치의 연결 브라켓(51,52) 사이에는 절곡 가능하게 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 변위량 계측 시스템은 피측정물의 변위를 검출한 후 검출된 변위 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 전송하기 위한 복수의 변위 측정장치(501~506)를 포함하며, 상기 복수의 변위 측정장치는 각각, 피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변형이 발생하는 센서 케이스(70,70a), 및 상기 센서 케이스에 설치되어 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서(54~57)를 포함하며, 상기 복수의 변위 측정장치(501~506)는 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.

이 경우, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 변위 측정장치(501~506)(100~N) 사이에는 데이터 통신에 필요한 측정케이블(31)이 연결되어 있다.

도 7 및 도 8a를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 변위 측정장치(50)는 적어도 하나, 필요에 따라 복수의 측정 센서(S11~S13)(54,55a,55b), 복수의 측정 센서(S11~S13)(54,55a,55b)가 내장되도록 내부에 수용 공간(A1)을 갖는 센서 케이스(70) 및 센서 케이스(70)의 양단부에 부착되는 한쌍의 연결 브라켓(51,52)을 포함하고 있다.

상기 센서 케이스(70)는 내부에 수용 공간(A1)을 갖는 통형상으로 이루어지며, 재질은 외력이 인가될 때 길이방향의 변위가 이루어질 수 있는 금속재 또는 합성수지재로 이루어질 수 있다. 상기 금속재는 예를 들어, Ni, Cr 등이 함유되어 압력 또는 충격이 가해질 때 크랙이나 파손이 발생하지 않고 신축, 변형이 이루어질 수 있는 고탄성, 고연성 특성을 갖는 합금을 사용할 수 있다.

센서 케이스(70)는 예를 들어, 원통형이나 사각통과 같은 다각형 통으로 이루어질 수 있으며, 단일체 또는 복수개를 조합하여 구성될 수 있다. 센서 케이스(70)는 예를 들어, 자바라 또는 벨로우즈(bellows) 형태의 금속 또는 합성수지로 이루어진 가요성과 신축성을 갖는 관을 적용할 수 있다.

연결 브라켓(51,52)에는 관통구멍(53)이 형성되어 있으며, 인접한 변위 측정장치 사이에 2개의 연결 브라켓(51,52)의 관통구멍(53)을 예를 들어, 볼트와 너트를 사용하여 절곡 또는 회전 가능하게 연결함에 의해 연결 브라켓(51,52)은 관절 또는 연결조인트로서 역할을 할 수 있다.

또한, 한쌍의 연결 브라켓(51,52)은 도 7에 도시된 바와 같이, 센서 케이스(70)의 양단부에 분해 가능하게 결합되면서 양단부를 실링하는 실링캡과 일체로 형성될 수 있다.

또한, 연결 브라켓(51,52)은 변위 측정장치를 하나의 레일 또는 한쌍의 레일 사이를 연결하여 설치할 때, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 레일 지지대(10)에 연결시에 이용될 수 있다.

복수의 측정 센서(S11~S13)(54,55a,55b)는, 예를 들어, 센서 케이스(70) 내부의 수용 공간(A1)에 고정 설치되어 센서 케이스(70)의 자세 변위가 발생할 때 기울기 등을 측정하는 제1측정 센서(S11; 54), 센서 케이스(70)의 상측 내벽면에 부착되어 센서 케이스(70)의 상부로부터 인가되는 수직응력에 의해 압축될 때 길이변형률을 감지하는 제2측정 센서(S12; 55a), 및 센서 케이스(70)의 하측 내벽면에 부착되어 센서 케이스(70)의 상부로부터 인가되는 수직응력(σ)에 의해 인장될 때 길이변형률을 감지하는 제3측정 센서(S13; 55b)를 포함할 수 있다.

상기 제1측정 센서(S11; 54)는 경사 센서(기울기 센서 또는 틸트 센서), 가속도계 센서, 진동 센서, 자이로 센서를 단독 또는 함께 조합하여 사용할 수 있다.

또한, 상기 제2 및 제3 측정 센서(S12,S13; 55a,55b)는 길이 센서, 스트레인 게이지, 광 센서, 레이저 센서 등을 사용할 수 있다.

상기 경사 센서는 현장 여건에 따라 진동현 방식(VIBRATING WIRE TYPE) 센서, 전기 저항식 센서, EL(ELECTRO LEVEL) 센서, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 센서, 및 가속도계 센서 중 어느 하나의 센서를 사용할 수 있다.

또한, 상기 길이 센서는 현장 여건에 따라 진동현 방식(VIBRATING WIRE TYPE) 센서, 전기 저항식 센서, 직선형 가변 차동변압기(Linear Variable Differential Transformer: LVDT)형 길이 센서, 선형 가변 위치센서(LVIT: Linear Variable Inductive Transducer), 스트레인 게이지, 광 센서, 및 레이저 센서 중 어느 하나의 센서를 사용할 수 있다.

상기 LVDT형 길이 센서는 비접촉식 센서로서 직접적인 길이 변위 이외에도 힘, 중량, 압력 등의 계측에도 사용 가능하다. 상기 LVIT 위치센서는 DC 전압으로 작동되는 무접점 변위 트랜스듀서이다.

또한, 회전형 가변 차동변압기(Rotary Variable Differential Transformer: RVDT)는 원리상으로는 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)와 동일하지만, 회전각도 계측이 가능하도록 고안된 것이다.

제1측정 센서(S11; 54)는 지중에 매립된 경우 지반이 내려갈 때, 센서의 기울기 변화로 지반 침하량을 측정하며, 레일 등의 구조물에 부착하여 사용하는 경우 지반 침하 등으로 레일의 변위가 발생하는 경우 기울기를 측정하여 전기적 신호로 출력한다.

이 경우, 상기 경사 센서는 아날로그/디지털(A/D) 변환기가 내장된 1축 경사 센서를 사용하여 레일의 좌우 또는 상하 비틀림을 측정하거나, 3축 경사 센서 또는 가속도 센서를 사용하여 레일 사이의 간격 변위, 레일의 좌우와 상하 비틀림을 검출할 수 있다.

또한, 제1측정 센서(S11; 54)는 경사 센서와 길이 센서 이외에 위치 측정이 가능한 GPS 센서, 자이로 센서, 온도 센서 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 온도 센서를 보조적으로 사용하면 사계절 노출된 선로의 측정 오차를 보정할 수도 있다.

이 경우, 상기 제1측정 센서(S11; 54)는 기울기를 측정할 때 초소형 반도체 타입으로 상대적으로 가격 경쟁력이 우수한 MEMS(Micro Electro Mechanical System)형의 가속도 센서를 사용하는 것이 바람직하다. MEMS형의 가속도 센서는 전자저울의 로드셀과 유사하게 자세변화에 따라 용량의 변화가 발생하는 반도체 장치로서 용량 변화에 대응하는 전압을 기울기값으로 검출하고, 검출된 아날로그 신호값을 A/D 변환기를 이용하여 디지털 신호로 변환한 후, 시리얼 데이터 통신에 의해 디지털 데이터를 출력할 수 있다.

또한, 상기 제2 및 제3 측정 센서(S12,S13; 55a,55b)는 길이 변위를 측정하기 위한 것으로, 길이 센서는 전기 저항식 센서 또는 스트레인 게이지가 구조가 간단하고 비용이 저렴하여 바람직하다.

또한, 도 8a에 도시된 제1실시예에서는 상기 센서 케이스(70)의 길이변형률을 감지하는 제2 및 제3 측정 센서(S12,S13; 55a,55b)가 스트레인 게이지로 이루어지며, 센서 케이스(70)의 내부면에 설치된 것을 예시하였으나, 센서 케이스(70)의 외표면에 설치하고 노출된 외부를 둘러싸는 코팅막을 형성하는 방식으로 설치하는 것도 물론 가능하다. 상기 스트레인 게이지는 센서 케이스(70)의 내주면보다 외표면에 설치하는 것이 상대적으로 용이하다.

한편, 도 8a에 도시된 제1실시예에서는 센서 케이스(70)의 길이변화를 측정하기 위한 방법으로 스트레인 게이지로 이루어진 제2 및 제3 측정 센서(S12,S13; 55a,55b)를 적용한 것을 예시하고 있으나, 센서 케이스(70)의 길이변화 측정은 도 8b에 도시된 바와 같이, 변형 가능하다.

변위 측정장치(50)는 도 8b에 도시된 바와 같이, 길이변화를 측정하는 제4측정센서(56)로서 진동현 센서를 사용할 수 있다. 이 경우, 진동현 센서는 각각 일정 거리를 두고 센서 케이스(70)의 내부 또는 외부의 2지점에 고정된 제1 및 제2 고정단(81,82)에 진동현(wire)(56a)의 양단부가 연결되어 있으며, 진동현(wire)(56a)에 인접하여 유도코일을 내장한 주파수 감지부(56b)가 배치되어 있다.

이에 따라 진동현 센서는 센서 케이스(70)의 길이변화에 따라 예를 들어, 제2고정단(82)이 이동하여 진동현(56a)의 길이변화에 따라 진동수(즉, 주파수)가 변화하면 주파수 감지부(56b)에 내장된 유도코일이 자기유도방식으로 진동현(56a)의 진동 주파수 변화를 감지하는 방식이다.

또한, 도 8c에 도시된 변위 측정장치(50)는 길이변화를 측정하는 제4측정센서(56)로서 포텐시오미터를 사용할 수 있다. 이 경우, 포텐시오미터는 각각 일정 거리를 두고 센서 케이스(70)의 내부 또는 외부의 2지점에 고정된 제1 및 제2 고정단(81,82) 사이에 설치된다.

포텐시오미터는 센서 케이스(70)의 변형에 따라 제1 및/또는 제2 고정단(81,82)이 이동할 때 슬라이드 센서로드(56c)의 길이가 변화하면 변위길이를 전기저항식으로 검출할 수 있다.

제1실시예에 따른 변위 측정장치(50)는 제4측정센서(56)로서, 도 8b 및 도 8c에 도시된 진동현 센서, 포텐시오미터 이외에 상기한 접촉식 또는 비접촉식의 다른 종류의 길이 센서를 적용할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 변위 측정장치(50)는 도 8a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 센서 케이스(70)의 일측 내부에 고정 설치되는 제1측정 센서(S11; 54)와 센서 케이스(70)의 일측 내부에 고정 설치되는 제5측정 센서(S11; 54a)를 더 구비할 수 있다.

제5측정 센서(S11; 54a)는 제1측정 센서(S11; 54)와 동일하게 경사 센서(기울기 센서 또는 틸트 센서), 가속도계 센서, 진동 센서, 자이로 센서를 단독 또는 함께 조합하여 사용할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 변위 측정장치(50)는 매립된 변위 측정장치 주변에 침하가 발생하거나 피구조물에 변위가 발생하는 경우 기본적으로 센서 케이스(70) 내부의 수용 공간(A1)에 설치된 제1측정 센서(S11; 54)에 의해 측정장치의 기울기(경사도)를 검출하여 지반 침하를 검출한다.

또한, 본 발명의 제1실시예에 따른 변위 측정장치(50)는 매립된 변위 측정장치 주변에 침하가 발생하거나 피구조물에 변위가 발생하여 센서 케이스(70)의 상부 또는 하부에 응력이 가해지는 경우, 상기 센서 케이스(70)의 재질을 이미 알고 있으므로 센서 케이스(70)의 탄성계수(ε)를 미리 알 수 있고, 센서 케이스(70)의 외부로부터 응력(σ)이 인가될 때, 제2측정 센서(S12; 55a) 및/또는 제3측정 센서(S13; 55b)로부터 길이변형률(

)을 측정할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 제1실시예에 따른 변위 측정장치(50)는 센서 케이스(70)의 외부에 인가되는 응력(σ)을 길이변형률(

)×탄성계수(ε)로부터 구할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 제1실시예에 따른 변위 측정장치(50)는 매립된 변위 측정장치 주변에 침하가 발생하거나 피구조물에 변위가 발생하여 센서 케이스(70)의 변위 및/또는 변형이 발생하는 경우, 하나의 센서 케이스(70) 내부에 설치되거나 인접하여 배치된 복수의 변위 측정장치 사이에 설치된 경사 센서들 사이에 의해 각 지점의 3축 좌표(x,y,z)를 검출할 수 있다.

경사 센서들 사이에 의해 각 지점의 3축 좌표(x,y,z)를 검출하면, 이로부터 센서 케이스(70)의 변위/변형에 따른 경사 변위량을 구하여 변위량을 데이터 처리하면 센서 케이스(70)에 인가되는 인장강도, 압축강도, 비틀림(회전), 압력, 힘을 산출할 수 있으며 이에 기초하여 정밀 침하량을 측정함에 의해 정밀한 침하 프로파일 계측할 수 있다.

또한, 상기 변위 측정장치(50)를 사용하여 구성되는 복수개의 변위 측정장치(501~506)를 도 2와 같이 지중에 매립하고, 그 위에 흙을 성토한 경우, 변위 측정장치(501~506)로부터 얻어지는 변위량을 데이터 처리하면 정밀한 침하 프로파일 계측할 수 있어, 규정된 성토량의 준수 여부를 알 수 있고 측정 센서의 파손도 방지할 수 있다.

즉, 변위 측정장치(501~506)의 상부에 성토된 흙은 토질 성분을 분석하면 흙에 함유된 수분, 점성도, 마찰력 등의 물성을 미리 알 수 있어, 이로부터 변위 측정장치(501~506)에 인가된 인장강도, 압력, 힘을 구하여 성토량을 추정할 수 있다.

따라서, 도로, 터널, 교량, 댐 등의 토목 구조물의 변위나, 경사면 절개지, 지하철 공사 현장, 고층건물 신축용 지하 기초 공사 시에 측벽 등의 지중 수평 변위 또는 간척 매립지, 연약지반 등의 지반 침하 변위를 측정하려고 할 때, 본 발명에 따른 변위 측정장치(50)를 복수개 도 1 및 도 2와 같이 지중에 매립하거나 도 3 및 도 4와 같이 구조물(예를 들어, 레일 등)에 부착 설치하여 시스템을 구성할 수 있다.

이 경우, 상기와 같이 본 발명에서는 토목 구조물이나 지중의 변위 발생에 대응하여 변형 가능한 센서 케이스(70)를 이용함에 의해 센서 케이스(70)에 인가되는 인장강도, 압축강도, 비틀림, 압력, 힘을 감지하여 정밀 침하량을 측정함에 의해 정밀한 침하 프로파일 계측할 수 있으며, 피구조물의 변위 발생에 대응하여 센서 케이스(70)의 변형이 이루어질 수 있어 센서의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 측정센서(55a,55b)가 센서 케이스(70)의 내주부에 설치되어 피구조물의 변위 발생에 대응하여 센서 케이스(70)에 인가되는 인장강도, 압축강도, 비틀림, 압력, 힘을 감지하여 피구조물의 설계 강도를 초과하는 지를 판단함에 의해 피구조물의 안전성을 예측할 수 있다.

도 7 및 도 8a 내지 도 8c에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 변위 측정장치는 길이변형이 가능한 단일의 센서 케이스를 이용한 것이나, 본 발명은 도 9a 내지 도 9c에 도시된 제2실시예와 같이 외력 인가 또는 침하 발생시에 텔레스코프 방식으로 길이변형이 가능한 센서 케이스를 갖는 변위 측정장치(50a)를 구현할 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)는 일측으로 입구가 개방된 고정 케이스(71)와 상기 고정 케이스(71)의 입구에 텔레스코프 방식으로 이동 가능하게 설치된 가동 케이스(72)를 갖는 센서 케이스(70a); 상기 고정 케이스(71) 내부에 고정된 제1고정단(81)과 가동 케이스(72) 내부에 고정된 제2고정단(82); 상기 고정 케이스(71) 내부에 고정 설치되며 센서 케이스(70a)의 자세 변위가 발생할 때 기울기 등을 측정하는 제1측정 센서(S11; 54); 및 상기 고정 케이스(71)로부터 가동 케이스(72)의 변위가 발생하는 것을 측정하는 가동부 측정 센서(57);를 포함하고 있다.

상기 가동부 측정 센서(57)는 예를 들어, 진동현 방식(VIBRATING WIRE TYPE) 센서, 전기 저항식 센서, 비접촉 방식 센서로서 LVDT 또는 LVIT, 스트레인 게이지, 광 센서, 및 레이저 센서 중 어느 하나의 길이 센서를 사용하여 길이 변위를 측정할 수 있다.

또한, 가동부 측정 센서(57)는 예를 들어, 레이저 센서를 사용하는 경우 길이 변위는 물론 위치 좌표를 측정하는 데 이용할 수 있다.

더욱이, 가동부 측정 센서(57)는 예를 들어, 가동 케이스(72)가 고정 케이스(71)로부터 변위될 때, 제1측정 센서(S11; 54)와 동일하게 경사 센서(기울기 센서 또는 틸트 센서), 가속도계 센서, 진동 센서, 위치검출 센서, 자이로 센서를 단독 또는 함께 조합하여 사용함에 의해 길이변위와 함께 뒤틀림 또는 회전이 이루어지는 것을 검출할 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)는 도 9a 내지 도 9c에 도시된 바와 같이, 고정 케이스(71) 내부에 고정 설치되는 제1측정 센서(S11; 54)와 가동 케이스(72)의 변위가 발생하는 것을 측정하는 가동부 측정 센서(57) 이외에 가동 케이스(72)에 제5측정 센서(S11; 54a)를 더 구비할 수 있다.

이 경우, 가동부 측정 센서(57)가 가동 케이스(72)의 길이 변위를 측정하고, 가동 케이스(72)에 설치된 제5측정 센서(S11; 54a)를 이용하여 가동 케이스(72)의 뒤틀림 또는 회전이 이루어지는 것을 검출할 수 있다.

본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 변위 측정장치(50,50a)는 외력이 센서 케이스(70,70a)에 인가될 때, 길이변위와 함께 뒤틀림 또는 회전이 동시에 동반될 수 있다.

예를 들어, 상기 고정 케이스(71) 내부에 고정 설치되며 센서 케이스(70a)의 자세 변위가 발생할 때 기울기 등을 측정하는 제1측정 센서(S11; 54)와 가동 케이스(72)에 설치된 제5측정 센서(S11; 54a)가 모두 경사 센서인 경우 각 경사 센서에 의해 측정된 기울기의 변화에 기초하여 각 센서의 위치 좌표 변화를 검출할 수 있으며, 이에 따라 가동 케이스(72)의 뒤틀림 또는 회전이 이루어지는 것을 검출할 수 있다.

상기 실시예 설명에서는 센서 케이스(70,70a)의 뒤틀림 또는 회전이 이루어지는 것을 해당 변위 측정장치(50,50a) 자체적으로 판단하는 것을 설명하였으나, 복수의 변위 측정장치 중에 인접한 변위 측정장치 사이에도 한쌍의 경사 센서 등을 이용하여 센서 케이스(70,70a)의 뒤틀림 또는 회전 여부를 검출할 수 있다.

하기 도 9a 내지 도 9c는 구체적인 가동부 측정 센서(57)의 종류를 일부 예시하기 위한 것이다.

먼저, 도 9a를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)는 가동부 측정 센서(57)로서 포텐시오미터를 사용한 예이다. 포텐시오미터는 가동 케이스(72)의 변위에 따라 제2고정단(82)이 이동할 때 슬라이드 센서로드(57a)의 길이가 변화하면 변위길이를 전기저항식으로 검출할 수 있다.

상기 센서 케이스(70a)는 내부에 제1측정 센서(S11; 54)를 수용하기 위한 수용 공간을 갖는 통형상의 고정 케이스(71)와, 외력이 가해지거나 지반침하가 발생할 때 상기 고정 케이스(71)로부터 길이방향으로 변위가 이루어지며 내부에 가동부 측정 센서(57)를 수용하는 가동 케이스(72)를 포함하며, 상기 가동 케이스(72)는 선단부가 상기 고정 케이스(71)의 수용 공간 내부로 미리 설정된 가동길이(L) 만큼 텔레스코프 방식으로 이동 가능하게 설치된다.

이를 위해 가동 케이스(72)는 외주부에 상기 가동길이(L) 만큼 환형의 요홈(73)이 형성되어 있으며, 고정 케이스(71)의 선단부는 고정 케이스(71)의 입구를 제한하도록 연장형성되는 스토퍼(74)를 구비하며, 그 결과 스토퍼(74)는 가동 케이스(72)의 환형 요홈(73)에 결합되며 가동 케이스(72)가 고정 케이스(71)로부터 이탈하는 것을 잡아주는 역할을 한다.

이 경우, 상기 제1측정 센서(S11; 54)는 제1실시예의 제1측정 센서(S11; 54)와 동일하게 경사 센서(기울기 센서 또는 틸트 센서), 가속도계 센서, 진동 센서, 위치검출 센서, 자이로 센서를 단독 또는 함께 조합하여 사용할 수 있다.

또한, 가동부 측정 센서(57)는 상기 제1실시예의 제2 및 제3 측정 센서(S12,S13; 55a,55b)와 동일하게 길이 센서를 사용할 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)는 매립된 변위 측정장치 주변에 침하가 발생하거나 피구조물에 변위가 발생하는 경우 기본적으로 고정 케이스(71) 내부의 수용 공간에 설치된 제1측정 센서(S11; 54)에 의해 측정장치의 기울기(경사도)를 검출하여 지반 침하 등을 검출한다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)는 매립된 변위 측정장치 주변에 침하가 발생하거나 피구조물에 변위가 발생하여 가동 케이스(72)의 길이방향 변위가 발생하는 경우, 가동부 측정 센서(57)도 가동 케이스(72)와 함께 가동이 이루어지며, 가동길이(L)의 검출이 이루어진다.

도 9b를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)는 고정 케이스(71) 내부에 설치되는 제1측정 센서(S11; 54)는 도 9a와 동일하고, 가동부 측정 센서(57)로서 진동현 센서를 사용한 예이다.

도 8a 및 도 8b에 도시된 제1실시예에 따른 변위 측정장치(50), 도 9a에 도시된 제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)와 동일한 구성요소에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 상세한 설명은 생략한다.

도 9b에서 진동현 센서는 가동 케이스(72)의 변위에 따라 제2고정단(82)이 이동할 때 진동현(56a)의 길이변화에 따라 진동수(즉, 주파수)가 변화하면 감지기에 내장된 유도코일(56b)이 자기유도방식으로 진동현(56a)의 진동 주파수 변화를 감지하는 방식이다.

도 9c를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)는 고정 케이스(71) 내부에 설치되는 제1측정 센서(S11; 54)는 도 9a와 동일하고, 가동부 측정 센서(57)로서 레이저 센서를 사용한 예이다.

도 9c에서 레이저 센서는 제1고정단(81)에 레이저 센서(58a)를 설치하고, 제2고정단(82)에 매트릭스 형태의 멀티 셀로 이루어져서 레이저를 수신하는 수광부 또는 반사경(58b)을 설치하여 구현할 수 있다.

제2고정단(82)에 레이저를 수신하는 수광부를 설치한 경우, 가동 케이스(72)의 변위에 따라 제2고정단(82)이 이동할 때 제1고정단(81)에 설치된 레이저 센서(58a)로부터 발사되어 제2고정단(82)에 설치된 수광부(58b)에 도달하는 시간을 측정하여 길이변위를 측정할 수 있다. 또한, 가동 케이스(72)의 변위에 따라 수광부(58b)에 도달하는 변위된 위치를 검출하여 위치 좌표를 측정할 수 있다.

제2고정단(82)에 반사경을 설치한 경우, 가동 케이스(72)의 변위에 따라 제2고정단(82)이 이동할 때 제1고정단(81)에 설치된 레이저 센서(58a)로부터 발사되어 제2고정단(82)에 설치된 반사경에서 반사되어 되돌아오는 시간을 측정하여 길이변위를 측정할 수 있다.

제2실시예에 따른 변위 측정장치(50a)는 가동부 측정 센서(57)로서 포텐시오미터, 진동현 센서, 레이저 센서를 예시하였으나, 상기한 다른 종류의 길이 센서를 채용할 수 있고, 측정 목적에 따라 길이, 기울기, 가속도, 스트레인, 힘, 압력, 위치 좌표 등을 함께 측정할 수 있는 복합 센싱 기능을 갖는 다목적 측정 센서를 적용할 수 있다.

이하에 본 발명에 따른 변위 측정장치(50,50a)를 도 3 및 도 4와 같이 철도 레일의 변위를 검출할 때 구성되는 레일 변위 측정장치(100)에 대하여 도 5 및 도 6을 참고하여 설명한다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명의 일실시예에 따른 레일 변위 측정장치(100)는 양단부에 각각 한쌍의 연결 브라켓(51,52)이 연장 형성된 변위 측정장치(50) 및 레일(60)의 형상에 따른 내주면을 갖고 레일(60)과 면 접촉 결합이 이루어짐에 따라 접촉면적이 넓어 안정적인 결합이 이루어지고 이에 설치된 변위 측정장치(50)는 레일 변위에 대한 안정적인 검출이 이루어질 수 있는 한쌍의 레일 지지대(10)를 포함하고 있다.

우선, 복수의 침목 위에 고정 설치되는 한 쌍의 레일(60,60a)은 각각 차량의 무게를 지지하여 침목과 도상에 고르게 분포시킬 뿐 아니라 차륜이 탈선하지 않도록 안내하고 신호 전류의 궤도회로, 동력 전류의 통로를 형성하는 선로의 매우 중요한 부분이다.

레일(60)은 큰 힘으로 레일을 위에서부터 누르게 되면 레일의 제일 윗면과 제일 밑 바닥면이 제일 큰 힘을 받고 중간 부분(63)으로 갈수록 힘을 덜 받게 되므로 불필요한 중간 부분(63)을 파냄에 따라 형성된 I자형 레일(60)이 사용되고 있다.

이러한 I자형 레일(60)은 차륜과 접촉하는 상측 플랜지(61)보다 하측 플랜지(62)가 더 넓게 형성되어 안정된 지지 구조를 갖는다.

상기 변위 측정장치(50)를 레일(60,60a)에 설치하는 경우, 양단부는 한쌍의 레일 지지대(10)에 고정된다.

각각의 레일 지지대(10)는 레일(60)의 내외부 하측 플랜지(62a,62b)를 1/2씩 수용하는 레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12), 및 상기 레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12)를 레일(60)의 하측 플랜지(62)를 둘러싸도록 설치한 후 체결하여 레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12)를 결속하는 지지대 결합부재(13)를 포함한다.

이 경우, 레일내부지지대(11)는 지지대 결합부재(13)가 관통하도록 체결홀(13a)이 관통되어 있고 레일외부지지대(12)는 체결홀(13a)이 비관통 또는 관통 형태로 이루어져 있다.

레일외부지지대(12)의 체결홀(13a)이 비관통인 경우 외주에 나사산이 형성되어 있어 예를 들어, 결합볼트로 이루어지는 지지대 결합부재(13)가 체결된다. 레일외부지지대(12)의 체결홀(13a)이 관통형인 경우 상기 지지대 결합부재(13)는 예를 들어, 결합볼트와 풀림방지 고정너트로 구성될 수 있다. 지지대 결합부재(13)는 레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12)를 결속하여 고정하는 것이라면 다른 고정방법을 적용할 수 있다.

레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12)는 좌우 동형으로 대칭 구조를 가지는 것이 바람직하나, 비대칭 구조로 이루어질 수 있다. 레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12) 각각의 상부면(10a), 측면(10b) 및 하부면(10c)은 바람직하게는 모두 평면이고 모서리는 직각으로 절곡되고, 상부면(10a)과 하부면(10c)은 평행한 관계를 갖는다. 이 경우, 상부면(10a)과 하부면(10c)은 평행한 관계를 갖는 것이 바람직하며, 평행한 관계를 갖지 않을 수도 있다.

레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12)는 좌우 동형으로 대칭 구조를 가지므로 서로 호환 가능하다. 후술하는 바와 같이, 지지대 결합부재(13)를 체결하기 위한 체결홀(13a)이 간격을 두고 측면에 2개 형성되어 있는 것과 변위 측정장치(50)를 고정시키는 데 필요한 나사체결홀이 상부면과 측면에 형성되어 있는 것을 제외하면 동일한 구조를 갖는다.

레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12)는 각각 레일의 하측 플랜지(62)를 둘러싸도록 하측 플랜지(62)의 형상에 대응하는 제1 및 제2 요홈(14,15)이 상호 마주보는 내측에 레일의 길이방향을 따라 형성되고, 지지대 결합부재(13)를 체결하기 위한 체결홀(13a)이 레일의 길이 방향을 따라 적어도 2개 형성되어 있다.

체결홀(13a)은 레일내부지지대(11)의 외측면으로부터 내부를 관통하여 상호 조립되는 레일외부지지대(12)의 일부까지 연장 형성되는 것이 바람직하다.

레일(60)의 하측 플랜지(62)는 바닥면이 평편하고 양단부에서 수직으로 절곡되어 일정 높이로 연장된 후 중간 부분(63)으로 갈수록 점증적으로 두께가 증가하는 단면 구조를 가지고 있다.

제1 및 제2 요홈(14,15)은 좌우 대칭 구조로서, 상호 조합하여 하측 플랜지(62)에 대응하는 내주면을 갖도록 내측벽의 하단면은 평탄하고, 내측벽의 상단면은 점차적으로 홈폭이 증가하도록 경사면을 형성하며, 레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12)가 조합될 때 내측벽의 하단면은 상호 접촉이 이루어져서 평탄면이 형성되고, 내측벽의 상단은 일정 길이로 연장된 후 일정한 간격을 갖는다.

레일내부지지대(11)와 레일외부지지대(12)는 상호 조합된 경우 제1 및 제2 요홈(14,15)에 레일(60)의 하측 플랜지(62)가 면 접촉 결합이 이루어지며, 그 결과 접촉면적이 넓어 안정적인 결합이 이루어지게 된다.

또한, 본 발명에서는 레일 지지대(10)를 절연 가능한 부도체로 사용함에 따라 레일(60,60a) 사이에 레일 변위 측정장치(100)가 설치되는 경우, 레일(60,60a)에 과전압 유기를 막을 수 있어 열차 운행의 안정성을 확보하고 열차 통신을 위한 궤도 회로망에도 영향을 미치지 않는다.

레일내부지지대(11)는 지지대 결합부재(13)를 체결하기 위한 체결홀(13a)이 레일(60)의 길이 방향을 따라 간격을 두고 적어도 2개 형성되어 있으며, 상부면(10a)과 측면(10b)에는 변위 측정장치(50,50a)를 고정시키는 데 필요한 나사체결홀이 형성되어 있다.

본 발명에 따른 변위 측정장치(50,50a)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 한쌍의 레일 지지대(10)를 이용하여 레일(60,60a)에 설치하는 경우 도 3 및 도 4와 같이 레일 변위 측정장치(100~N)를 구성할 수 있다.

좀더 구체적으로 살펴보면, 레일(60,60a)의 길이방향 변위를 측정하는 경우 변위 측정장치(50,50a)를 도 5와 같이 하나의 레일(60)에 길이방향을 따라 설치하고, 지반 침하로 인하여 한쌍의 레일(60,60a) 사이의 변위를 측정하는 경우 도 6과 같이 한쌍의 레일 사이에 변위 측정장치(50,50a)를 설치한다.

더욱이, 각각 레일(60,60a)의 변위를 종합적으로 측정하기 위해 복수의 레일 변위 측정장치(100~N)를 한쌍의 레일(60,60a) 사이와 하나의 레일(60)에 길이방향을 따라 혼합하여 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 시스템을 구성하면 레일 변위량 계측 시스템이 형성된다.

먼저, 도 6과 같이 변위 측정장치(50,50a)를 레일(60)과 레일(60a) 사이에 설치할 때, 변위 측정장치(50,50a)의 양단부에 구비된 한쌍의 연결 브라켓(51,52)에 형성된 관통구멍(53)과 한쌍의 레일(60)을 지지하는 레일내부지지대(11)의 상부면(10a)에 형성된 나사체결홀 또는 측면에 형성된 나사체결홀 중 어느 하나에 풀림방지 기능을 갖는 고정볼트 또는 고정나사(18)를 체결하여 고정된다.

도 6에서 미설명 부재번호(40)은 절연자재로 이루어지는 진동 완충부재이다.

변위 측정장치(50,50a)는 센서 케이스 양단부에 결합되는 한쌍의 연결 브라켓(51,52)은 변위 측정장치(50,50a)가 레일내부지지대(11)에 설치될 때 가능한 낮은 위치에 설치되도록 선단부가 직각으로 절곡되고, 평탄면에 관통구멍(53)이 형성되는 것이 바람직하다.

변위 측정장치(50,50a)가 소정의 길이(예를 들어, 50cm)를 갖는 경우는 한쌍의 레일 지지대(10)를 하나의 레일(60)을 따라 간격을 두고 설치한 상태에서 변위 측정장치(50,50a)의 양단부를 한쌍의 레일 지지대(10)에 고정한다.

그러나, 변위 측정장치(50,50a)가 50cm 이하로서 하나의 레일 지지대(10)보다 작은 소형인 경우는 하나의 레일 지지대(10)를 레일(60)에 설치한 상태에서 변위 측정장치(50,50a)를 하나의 레일 지지대(10)에 고정한다.

또한, 본 발명에서는 도 6과 같이 한쌍의 레일(60,60a)을 상호 연결하도록 설치되는 경우, 변위 측정장치(50,50a)는 한쌍의 레일 간격에 대응하도록 길이가 설정된다.

본 발명에 따른 레일 변위량 계측 시스템은 상기 레일 변위 측정장치(100~N)의 각 변위 측정장치(50)에 의해 측정된 아날로그 측정값을 인터넷망(35)을 통하여 시스템 서버(38)에 전송할 때 변위 측정장치(50)가 내장된 레일 변위 측정장치(100~N)와 데이터 로거(33) 사이의 통신방식에 따라 도 3 및 도 4 중 어느 하나의 시스템을 이용할 수 있다.

우선, 저가형 모델에서는 도 3에 도시된 바와 같이 각각 변위 측정장치(50)가 내장된 레일 변위 측정장치(100~N)가 다채널 측정모듈(32)에 각각 연결된 계측 시스템을 사용하고, 고가형 모델에서는 도 4에 도시된 바와 같이 A/D(아날로그/디지털) 컨버팅과 통신 기능이 변위 측정장치(50)와 함께 레일 변위 측정장치(100~N)에 내장되고 복수의 레일 변위 측정장치(100~N)가 1라인 버스 방식으로 접속되어 데이터 로거(33)에 연결되어 시리얼 통신방법을 이용하여 측정 데이터를 전송한다.

먼저, 레일 변위량 계측 시스템이 다채널 측정모듈(32)을 이용하는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 레일 변위 측정장치(100~N)는 각각 1채널 케이블(31)을 사용하여 하나의 다채널 측정모듈(32)에 연결된다.

이 경우 데이터 로거(33)는 다채널 측정모듈(32)을 통하여 식별번호와 채널번호를 이용하여 복수의 레일 변위 측정장치(100~N)를 순차적으로 지정한다. 변위 측정장치(50)가 예를 들어, 전기 저항식으로 길이변위를 검출하는 포텐시오미터인 경우, 다채널 측정모듈(32)은 순차적으로 지정된 레일 변위 측정장치(100~N)의 각 변위 측정장치(50)에 의해 측정된 아날로그 레일 변위 신호로서, 길이 변위 및/또는 기울기 변위에 대한 저항 변화를 전압값으로 센싱하여 수신한 후 디지털 데이터로 A/D 변환하여, 시리얼 통신방법에 의해 데이터 로거(33)로 전송한다.

상기 다채널 측정모듈(32)은 복수의 레일 변위 측정장치에서 분리 설치되어 상기 레일 변위 신호를 디지털 데이터로 변환하여 전송하는 통신수단을 구성한다.

또한, 레일 변위량 계측 시스템이 다채널 측정모듈(32)을 사용하지 않는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 레일 변위 측정장치(100~N)는 각각 변위 측정장치(50)와 함께 A/D 컨버터와 통신모듈을 구비한다.

상기 A/D 컨버터와 통신모듈은 복수의 변위 측정장치에 각각 내장되어 상기 레일 변위 신호를 디지털 데이터로 변환하여 전송하는 통신수단을 구성한다.

A/D 컨버터는 변위 측정장치(50)가 측정한 아날로그 레일 변위 신호를 디지털 데이터 통신에 적합한 디지털 데이터로 변환하기 위한 아날로그/디지털(A/D) 변환기이고, 통신모듈은 변위 측정장치(50)로부터 데이터 로거(33)로 디지털 데이터를 전송하기 위한 통신칩이다.

이 경우, 복수의 레일 변위 측정장치(100~N)와 데이터 로거(33) 사이에는 1채널 케이블(31)을 사용한 1라인 버스 방식으로 연결되어, 통신 거리에 따라 RS-232, RS-422, RS-485 중 하나의 시리얼 통신방법으로 전송이 이루어질 수 있다.

데이터 로거(33)는 수신된 디지털 계측 데이터를 메모리에 저장하고 무선 모뎀(34)을 통하여 계측 데이터를 무선 통신으로 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(38)로 전송한다.

시스템 서버(38)는 수신된 계측 데이터를 저장하고 길이 변위 및/또는 기울기 변위의 계측 데이터로부터 변화된 레일(60,60a) 사이의 간격 변위와 레일 좌우 기울기 변화로 인한 지반 침하량과, 레일(60)의 길이방향을 따른 레일 줄 비틀림 또는 레일의 상하 변위에 따른 레일 면 비틀림을 구하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값과 비교함에 의해 계측 데이터를 분석하여, 복수의 계측 관련자(즉, 현장 담당자) 및 관리책임자가 인터넷망(35)에 접속된 관리자 컴퓨터(36) 및 감독관 휴대용 단말기(37)를 통하여 분석된 데이터를 확인할 수 있도록 계측 데이터를 제공한다.

레일 변위 측정장치(100~N)는 각각 레일 지지대(10)에 설치된 변위 측정장치(50)로 구성되며, 변위 측정장치(50)는 예를 들어, 길이센서 및/또는 경사센서를 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 레일 변위량 계측 시스템에서는 지진, 홍수와 같은 천재지변, 철로에 인접한 토목 공사 또는 장시간에 걸친 구조물(교각 또는 터널)의 피로현상으로 인하여 철도 지반 침하 및 구조물 변형(지하터널 혹은 교량 위에 설치된 철로의 침목인 경우)으로 인하여 레일(60,60a)의 변위가 발생하는 경우, 일정한 거리를 두고 궤간 사이에 설치되거나, 하나의 레일을 따라 설치된 레일 변위 측정장치(100~N)로부터 레일(60,60a)의 궤간 거리와 레일(60,60a)의 침하를 예를 들어, 길이센서와 경사센서에 의해 감지한 길이 변위와 기울기 변위에 대한 아날로그 레일 변위 신호를 A/D 변환한 후, 데이터 통신에 의해 데이터 로거(33)에 전송한다.

상기 데이터 로거(33)는 데이터 통신에 의해 디지털 계측 데이터를 수신하여 저장한 후, 무선 모뎀(34)을 통하여 무선 통신으로 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(38)로 보낸다.

이 경우, 상기 데이터 로거(33)는 무선 모뎀(34) 대신에 유선 모뎀을 사용하여 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(38)로 계측 데이터를 전송하는 것도 가능하다.

변위량 계측 시스템은 지반 침하가 예상되는 복수의 계측장소가 분산되어 있는 경우 필요에 따라 복수의 데이터 로거(33)를 운영하여야 하는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, 복수의 데이터 로거(33)는 각각 무선 모뎀(34)을 통하여 무선 통신으로 인터넷망(35)에 직접 접속하는 대신 근거리통신망(LAN)을 통하여 먼저 게이트웨이(gateway)에 접속한 후, 게이트웨이로부터 인터넷망(35)에 접속하여 시스템 서버(38)로 계측 데이터를 전송할 수 있다. 게이트웨이를 이용하면 네트워크 간 통신을 행할 때 통신 속도의 제어, 트래픽 제어, 네트워크 사이에서의 컴퓨터 어드레스의 변환 등을 처리할 수 있다.

본 발명에서는 데이터 로거(33)로부터 주지된 공중망, 예를 들어, 무선 통신 또는 유선 통신과 연결된 인터넷망(35)에 계측 데이터를 전송함에 인터넷망(35)에 연결된 시스템 서버(38)는 현장의 계측 데이터를 실시간으로 받아볼 수 있다.

그 후, 시스템 서버(38)는 수신된 레일(60,60a) 사이의 궤간 거리와 길이 변위와 레일(60,60a)의 기울기 변위에 대한 계측 데이터를 저장하고 저장된 계측 데이터로부터 변화된 측정거리 변위량과 침하량으로 환산하며, 이를 미리 설정된 표준 기준값(예를 들어, 표준궤간 거리, 최대 켄트값 등)과 비교함에 의해 레일 안정성 등의 분석이 이루어진다. 시스템 서버(38)는 분석된 데이터에 기초하여 측정값이 표준 기준값을 벗어나서 레일 안정성이 떨어지는 경우 자동으로 감독관 휴대용 단말기(37) 등에 경보 메시지로서 문자, 예를 들어, SMS(Short Message Service) 통신방식으로 전송이 이루어진다.

또한, 복수의 계측 관련자, 즉 현장 담당자, 관리책임자는 인터넷망(35)에 접속된 관리자 컴퓨터(36)를 통하여 레일 안정성에 대한 분석된 데이터를 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 원격지로부터 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따라 레일(60,60a)에 변위가 발생하는 경우 레일 변위량을 측정하여 철도 레일의 안전 상태를 상시 자동 계측할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 철로 지반을 천공하거나, 측정관을 매설하거나, 측정 말뚝을 지반에 박는 대형 공사를 하지 않고, 피측정물인 레일 양단에 간편하게 감지 센서를 설치함으로써, 철도 지반 침하 및 구조물 변형에 따른 레일 변위량을 신뢰성 높게 측정할 수가 있어 철도 레일 안전 상태를 상시 계측할 수 있고, 설치가 간단한 저가격의 레일 변위 측정장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 변위 측정장치가 설치되는 레일 지지대를 레일에 설치할 때, 레일의 하측 플랜지를 1/2씩 수용하는 레일내부지지대와 레일외부지지대를 레일에 설치한 후 레일 지지대에 지지대 결합부재를 체결하여 고정함에 따라 레일에 대한 손상을 방지할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 레일 지지대가 레일의 형상에 따른 내주면을 갖고 레일과 면 접촉 결합이 이루어짐에 따라 접촉면적이 넓어 안정적인 결합이 이루어지고 레일 변위에 대한 안정적인 검출이 이루어질 수 있다.

본 발명에서는 레일 지지대와 측정 센서 사이에 어떤 중간부재도 사용하지 않고 레일 지지대에 측정 센서를 바로 설치할 수 있어 계측 오차를 발생시키지 않고 신뢰도 높은 레일 변위를 직접 측정할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 부도체의 레일 지지대를 사용함에 따라 레일에 과전압 유기를 막을 수 있어 열차 운행의 안정성을 확보하고 열차 통신을 위한 궤도 회로망에도 영향을 미치지 않는다.

더욱이, 본 발명에서는 레일에 대한 직접적인 손상없이 간단히 변위 측정장치를 체결할 수 있어 레일 피해도 없고 철도 안전 운행이 가능하면서 레일 변위 계측이 가능하다. 그 결과 철로 주변에서의 천재지변과 토목 공사로 인한 철로 지반 침하와 변형으로 인하여 발생할 수 있는 대형 철도 사고를 미연에 방지하고, 열차의 안전 운행을 위하여 철도 레일의 안전 상태를 상시 계측할 수 있다.

또한, 본 발명에서 센서 케이스는 변위 가능한 재질을 사용하거나 가동 케이스가 고정 케이스로부터 텔레스코프 방식으로 변위 가능한 구조를 가지고 있고, 각각의 변위 측정장치는 센서 케이스의 양단부에 구비된 한쌍의 연결 브라켓에 구비된 관통구멍에 볼트와 너트를 사용하여 상호 연결함에 의해 복수의 변위 측정장치는 절곡 또는 회전 가능한 관절을 구비한다.

그 결과, 본 발명에서는 복수의 변위 측정장치를 지중에 매립하여 변위량 계측 시스템을 구축하는 경우 침하가 발생할지라도 측정 센서와 변위 측정장치의 파손을 방지할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 센서 케이스는 변위 가능한 재질을 사용하거나 가동 케이스가 고정 케이스로부터 텔레스코프 방식으로 변위 가능한 구조를 가지고 있어, 변위 측정장치가 부착된 구조물(예를 들어, 철도 레일, H빔, 교량의 기둥 등)의 단순 기울어짐은 물론 센서 케이스의 길이방향 변형이 발생하는 경우 구조물에 인가되는 압력이나 부하의 변화에 의한 변위량, 즉 압축이나 인장 강도(힘)의 변화량을 측정할 수 있다.

상기한 도 1 및 도 2에 도시된 실시예 설명에서는 본 발명에 따른 복수의 변위 측정장치가 각각 도로와 지반의 침하를 계측하기 위해 지중에 매설된 변위량 계측 시스템의 일부 구성만을 개략적으로 나타낸 것이나, 변위량 계측 시스템에서 계측 데이터를 시스템 서버로 전송하는 통신망과 데이터 처리방법은 도 3 및 도 4를 참고하여 설명한 레일 변위량 계측 시스템과 동일하게 이루어질 수 있다.

본 발명은 토목 구조물 및 지중 변위에 대응하여 변형 가능한 센서 케이스를 이용함에 의해 측정장치의 구조를 단순화할 수 있고, 토목 구조물 및 지반의 거동 상태를 정밀하게 감시할 수 있는 토목 구조물 및 지중 변위 측정장치, 그리고 레일 변위량 계측에 이용할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 변위 측정장치는 단일 또는 복수개 조합하여 터널 지중 변위계나 록볼트(rock bolt) 축력계에 적용함에 의해 용이하게 터널의 변위를 측정하는 시스템을 구성할 수 있다.

10: 레일 지지대 10a: 상부면
10b: 측면 10c: 하부면
11: 레일내부지지대 12: 레일외부지지대
13: 지지대 결합부재 13a: 체결홀
14,15: 요홈 18: 고정나사
20: 침목 31: 측정케이블
32: 다채널 측정 모듈 33: 데이터 로거
34: 무선 모뎀 35: 인터넷망
36: 관리자 컴퓨터 37: 이동 단말기
38: 시스템 서버 40: 진동 완충부재
50,50a: 변위 측정장치 51,52: 연결 브라켓
54~57: 측정 센서 56a: 진동현
56b: 주파수 감지부 57a: 센서로드
58a: 레이저 센서 58b: 반사경
60,60a ; 레일 61: 상측 플랜지
62: 하측 플랜지 63: 중간부분
70,70a: 센서 케이스 71: 고정 케이스
72; 가동 케이스 73: 환형 요홈
74: 스토퍼 81: 제1고정단
82: 제2고정단 100~N: 레일 변위 측정장치
501~506: 변위 측정장치

Claims (19)

1. 피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변위 또는 변형이 발생하는 센서 케이스; 및
   상기 센서 케이스에 설치되어 센서 케이스의 변위 또는 변형을 검출하여 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서;를 포함하며,
   상기 센서 케이스는
   내부에 센서 케이스의 자세 변위를 측정하는 측정 센서를 수용하는 고정 케이스; 및
   외력이 가해지거나 지반침하가 발생할 때 상기 고정 케이스로부터 길이방향으로 변위가 이루어지는 가동 케이스;를 포함하며,
   상기 가동 케이스는 고정 케이스에 텔레스코프 방식으로 이동 가능하게 설치되는 변위 측정장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 측정 센서는
   상기 센서 케이스 내부의 수용 공간에 설치되어 센서 케이스의 변위가 발생할 때 기울기, 위치 좌표 중 적어도 하나를 측정하는 제1측정 센서; 및
   상기 고정 케이스로부터 가동 케이스의 길이 변위가 발생하는 것을 측정하는 제2측정 센서;를 포함하는 변위 측정장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가동 케이스에 설치되어 가동 케이스의 변형이 발생할 때 상기 가동 케이스의 기울기, 뒤틀림 및 회전 중 적어도 하나를 검출하는 제3측정 센서;를 더 포함하는 변위 측정장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 가동 케이스는 외주부에 상기 가동 케이스의 가동길이만큼 환형 요홈이 형성되어 있으며,
   상기 고정 케이스의 선단부에 구비된 스토퍼는 상기 환형 요홈에 결합되는 변위 측정장치.
7. 제2항에 있어서,
   상기 제1측정 센서는 경사 센서, 가속도계 센서, 진동 센서, 자이로 센서 중 어느 하나 또는 이들의 조합인 변위 측정장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제1항에 있어서,
    상기 센서 케이스의 양단부에 각각 설치되는 한쌍의 연결 브라켓을 더 포함하며,
    복수의 변위 측정장치를 상호 연결할 때, 인접한 변위 측정장치의 연결 브라켓은 절곡 가능하게 결합되는 변위 측정장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 센서 케이스의 양단부에 각각 설치되는 한쌍의 연결 브라켓; 및
    각각 평행한 한쌍의 레일의 하측 플랜지 또는 하나의 레일의 하측 플랜지를 내부에 수용하여 지지하는 제1 및 제2 레일 지지대;를 더 포함하며,
    상기 센서 케이스의 한쌍의 연결 브라켓은 각각 제1 및 제2 레일 지지대에 각각 고정되는 변위 측정장치.
12. 삭제
13. 각각 평행한 한쌍의 레일의 하측 플랜지 또는 하나의 레일의 하측 플랜지를 내부에 수용하여 지지하는 제1 및 제2 레일 지지대; 및
    양단부가 각각 상기 제1 및 제2 레일 지지대에 고정 설치되어 레일의 변위를 측정하기 위한 변위 측정장치;를 포함하며,
    상기 변위 측정장치는 제1항 내지 제3항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 변위 측정장치인 레일 변위 측정장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레일 지지대는 각각,
    일측에 상기 하측 플랜지의 일측을 수용하는 제1 요홈을 구비하는 레일내부지지대;
    일측에 상기 하측 플랜지의 타측을 수용하는 제2 요홈을 구비하는 레일외부지지대; 및
    상호 조합되어 상기 제1 및 제2 요홈 내부에 레일의 하측 플랜지를 수용하도록 설치된 레일내부지지대와 레일외부지지대를 결속하여 고정하는 지지대 결합부재;를 포함하며,
    상기 레일내부지지대와 레일외부지지대는 좌우 동형으로 대칭 구조인 레일 변위 측정장치.
15. 레일의 하측 플랜지를 내부에 수용하여 지지하는 단일의 레일 지지대; 및
    상기 단일의 레일 지지대에 고정 설치되어 레일의 변위를 측정하기 위한 변위 측정장치;를 포함하며,
    상기 변위 측정장치는 제1항 내지 제3항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항에 따른 변위 측정장치인 레일 변위 측정장치.
16. 피측정물의 변위를 검출한 후 검출된 변위 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 전송하기 위한 복수의 변위 측정장치;를 포함하며,
    상기 복수의 변위 측정장치는 각각,
    피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변형이 발생하는 센서 케이스;
    상기 센서 케이스에 설치되어 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서; 및
    상기 센서 케이스의 양단부에 각각 설치되는 한쌍의 연결 브라켓;를 포함하며,
    상기 센서 케이스는
    내부에 센서 케이스의 자세 변위를 측정하는 측정 센서를 수용하는 고정 케이스; 및
    외력이 가해지거나 지반침하가 발생할 때 상기 고정 케이스로부터 길이방향으로 변위가 이루어지는 가동 케이스;를 포함하며,
    상기 가동 케이스는 고정 케이스에 텔레스코프 방식으로 이동 가능하게 설치되고,
    인접한 변위 측정장치의 연결 브라켓 사이에는 절곡 가능하게 연결되는 변위량 계측 시스템.
17. 피측정물의 변위를 검출한 후 검출된 변위 신호를 디지털 신호로 변환(A/D)하여 전송하기 위한 복수의 변위 측정장치;를 포함하며,
    상기 복수의 변위 측정장치는 각각,
    피측정물에 설치되며 외력이 피측정물에 인가됨에 따라 변형이 발생하는 센서 케이스; 및
    상기 센서 케이스에 설치되어 피측정물의 변위를 검출하는 적어도 하나의 측정 센서;를 포함하며,
    상기 센서 케이스는
    내부에 센서 케이스의 자세 변위를 측정하는 측정 센서를 수용하는 고정 케이스; 및
    외력이 가해지거나 지반침하가 발생할 때 상기 고정 케이스로부터 길이방향으로 변위가 이루어지는 가동 케이스;를 포함하며,
    상기 가동 케이스는 고정 케이스에 텔레스코프 방식으로 이동 가능하게 설치되고,
    상기 복수의 변위 측정장치는 일정한 간격을 두고 배치되는 변위량 계측 시스템.
18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 복수의 변위 측정장치는 지중 또는 터널에 설치되거나 토목 구조물에 설치되는 변위량 계측 시스템.
19. 각각 레일과 레일 사이 또는 하나의 레일에 간격을 두고 설치되어 레일의 변위에 따라 레일 사이의 간격 변위와 레일 좌우 기울기 값을 검출하는 복수의 레일 변위 측정장치;
    상기 레일 사이의 간격 변위와 레일 좌우 기울기 값을 디지털 데이터로 변환하여 전송하는 통신수단;
    상기 통신수단을 통하여 상기 복수의 레일 변위 측정장치로부터 계측된 디지털 데이터를 수신한 후, 모뎀을 통하여 디지털 계측 데이터를 공중망으로 전송하는 데이터 로거; 및
    상기 공중망을 통하여 데이터 로거로부터 전송된 디지털 계측 데이터를 수신한 후 계측 데이터를 누적하여 종합한 후 미리 설정된 표준 기준값과 비교하여 레일의 안정도를 판단하는 시스템 서버를 포함하며,
    상기 레일 변위 측정장치는 레일 사이의 간격 변위와 레일 좌우 기울기값의 변화로 인한 지반 침하를 검출하며,
    상기 복수의 레일 변위 측정장치는 각각 제13항의 레일 변위 측정장치인 레일 변위량 계측 시스템.

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