KR102087686B1 - 철도레일 크랙 진단 장치 - Google Patents

철도레일 크랙 진단 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 철도레일 크랙 진단 장치에 관한 것으로서, 철도레일의 표면에 부착되며 다수회로 권회되어 코일 형상의 프로브부분을 갖는 센싱 광섬유와, 광을 출사하는 광원부와, 광원부에서 출사된 광을 센싱 광섬유에 전송하고, 센싱 광섬유로부터 수신된 신호를 분석하여 센싱광섬유가 부착된 철도레일의 크랙 발생유무를 측정하는 측정유닛을 구비한다. 이러한 철도레일 크랙 진단 장치에 의하면, 철도레일의 크랙여부를 상시로 원격지에서 모니터링 가능하게 진단할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

철도레일 크랙 진단 장치{railway crack detection apparatus}
본 발명은 철도레일 크랙 진단 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 광섬유를 적용하여 철도레일의 크랙 여부를 진단할 수 있도록 된 철도레일 크랙 진단 장치에 관한 것이다.
운송, 수송을 위한 철도 의존도가 높아지면서 철도 인프라 구축에 대한 관심과 노력이 세계적으로 증가하고 있다.
그런데, 열차가 고속화되고, 운행 빈도가 늘어남에 따라 철도 사고 발생 위험과 사고 시 피해 규모 또한 급증하고 있다. 특히 철도레일의 노후화와 반복적 스트레스에 따른 철도 레일의 크랙 발생 및 손상이 심해질 경우 열차 탈선과 같은 대형 사고를 불러일으킬 수 있다.
이러한 철도레일 관련 사고 방지를 위해 현재 비파괴 초음파 탐지 기술이 적용된 레일 탐상차, 인력 탐사기가 철도레일 크랙 진단에 활용되고 있다.
국내 공개특허 제10-2011-0065866호에는 철도차량 차륜내부 크랙을 초음파로 진단하는 탐상장치가 게시되어 있다.
그런데, 기존의 철도 크랙 진단용 레일 탐상차 및 인력 탐지기의 경우 초음파를 이용한 정밀 측정이 가능하나, 고가로 인해 보유 개수가 한정적이고 현장 투입 인력이 필요하며 측정 시에 열차 운행이 불가하기 때문에 현재 분기별 측정이 이루어지고 있는 실정이다.
따라서, 열차 운행 여부와 관계없이 원격지에서 철도레일의 크랙발생 여부를 측정할 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기의 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 광섬유를 이용하여 원격지에서 철도레일의 크랙여부를 진단할 수 있는 철도레일 크랙 진단 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 철도레일 크랙 진단 장치는 철도레일의 표면에 부착되며 다수회로 권회되어 코일 형상의 프로브부분을 갖는 센싱 광섬유와; 광을 출사하는 광원부와; 상기 광원부에서 출사된 광을 상기 센싱 광섬유에 전송하고, 상기 센싱 광섬유로부터 수신된 신호를 분석하여 상기 센싱광섬유가 부착된 철도레일의 크랙 발생유무를 측정하는 측정유닛;을 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 측정유닛은 상기 광원부에서 출사된 광을 초기광과 측정광으로 분기시키는 제1광분배기와; 상기 제1광분배기에서 입력된 측정광을 설정된 채널수에 대응되게 분배하여 대응되는 센싱광섬유의 일단에 전송하는 제2광분배기와; 상기 초기광을 설정된 변조 주파수로 변조하여 기준광을 출력하는 광변조기와; 상기 광변조기에서 출력되는 기준광을 상기 제2광분배기의 채널수에 대응되게 분배하여 출력하는 제3광분배기와; 상기 제3광분배기에서 출력되는 기준광과 상기 센싱광섬유의 타단에서 출력되는 신호를 합파하여 출력하는 광합파기와; 상기 광합파기에서 출력되는 간섭광을 검출하는 광검출부와; 상기 광검출부에서 출력되는 신호를 이용하여 크랙이 발생했는지를 측정하는 신호 처리부;를 구비한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 광조사부는 제어신호에 따라 펄스신호를 출력하는 펄스발생기와; 상기 펄스발생기에서 출력되는 신호에 따라 펄스광을 출력하는 광원;을 구비하고, 상기 측정유닛은 상기 광원에서 출력되는 광을 초기광과 측정광으로 분배하는 광분배기와; 상기 광분배기에서 출력되는 측정광을 센싱광섬유로 전송하는 광서큘레이터와; 상기 광분배기에서 출력되는 초기광을 검출하는 제1광검출부와; 상기 센싱광섬유로부터 역으로 진행되어 상기 광서큘레이터에서 출력되는 광을 수신하는 제2광검출부와; 상기 펄스발생기의 구동을 제어하고, 상기 제1광검출부에서 출력되는 신호와 상기 제2광검출부에서 출력되는 신호로부터 크랙이 발생했는지를 측정하는 신호 처리부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 센싱광섬유의 코일형상의 프로브부분의 내경은 15mm 이상 90mm 이내이고, 외경은 내경보다는 크되 100mm이하가 되게 권회된 것을 적용한다.
더욱 바람직하게는 상기 프로브부분은 자력을 생성시키는 자력판에 접합처리되어 있고, 상기 자력판이 철도 레일과 자력결합 되게 설치된다.
본 발명에 따른 철도레일 크랙 진단 장치에 의하면, 철도레일의 크랙여부를 기차의 운행여부와 관계없이 상시로 원격지에서 모니터링 가능하게 진단할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도레일 크랙 진단 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 센싱 광섬유의 철도레일 부착방식의 예를 설명하기 위한 사시도이고,
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 철도레일 크랙 진단 장치를 나타내 보인 도면이고,
도 4는 정상선로와 크랙이 있는 결함선로에 대해 주파수 영역에서 특정 주파수의 진동신호 발생여부를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 본 발명의 철도레일 크랙 진단 장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도레일 크랙 진단 장치를 나타내 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 철도레일 크랙 진단 장치(100)는 광원(110), 센싱 광섬유(130) 및 측정유닛을 구비한다.
광원(110)은 광을 출사하는 광원부로 적용된 것으로 신호처리부(190)에 의해 구동이 제어되며 연속광을 출사한다.
센싱 광섬유(130)는 철도레일(10)의 열차 바퀴가 접촉되는 않는 영역의 표면에 부착되며 다수회로 권회되어 코일 형상으로 형성된 프로브부분(132)을 갖는 구조로 되어 있다.
센싱 광섬유(130)는 철도 레일(10)의 측정 위치별로 독립적으로 설치되어 있다.
즉, 각 센싱 광섬유(130)의 일단은 후술되는 제2광분배기(152)의 일단과 접속되어 있고 타단은 제1 내지 제3광합파기(161 내지 163) 중 대응되는 채널과 접속되어 있다.
센싱 광섬유(130)의 프로브부분(132)은 다수회 권회되어 코일형태로 형성된 구조에 의해 센싱감도를 높일 수 있도록 되어 있다.
센싱 광섬유(130)의 권회수는 적절하게 적용하되 감도의 증가와 환형으로 구부림에 의한 광손실을 모두 고려하여 프로브부분(132)의 내경은 15mm 이상 90mm 이내로 적용하고, 외경은 내경보다는 크되 100mm이하가 되게 권회되게 한 것을 적용한다.
센싱 광섬유(130)는 코어에 SiO2, Ge, Al, P 중 적어도 하나가 함유된 것을 적용하며, 클래딩 영역에는 F나 B를 함유한 굴절률 골(trench) 구조의 굽힘 손실 강화 광섬유를 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 센싱광섬유(130)의 프로브부분(132)의 철도레일(10)과의 접착은 접착제로 프로브부분(132)을 철도레일(10)에 접착되게 처리해도 되나 도 2에 도시된 바와 같이 자력판(135)을 적용하는 것이 바람직하다.
자력판(135)은 원판 형상으로 형성되어 있고, 프로브부분(132)의 외경보다 확장된 크기를 갖으며 영구자석 소재로 형성된 것을 적용한다.
또한, 프로브부분(132)은 자력을 생성시키는 자력판(135)에 접착재로 접합처리된다.
이 경우 프로브부분(132)이 접합처리된 자력판(135)을 철도 레일(10)에 자력에 의해 원하는 검사 위치별로 결합하면 된다.
자력판(135)은 철도레일(10)의 측면 하부에 결합되는 것이 바람직하다.
센싱광섬유(130)의 프로브부분(132)으로부터 연장되는 나머지 부분은 외부의 진동 및 충격에 영향을 받지 않게 외주면에 피복재에 의해 방진 및 방음처리되어 매설된 후 대응되는 요소와 결합되게 구축되면 된다.
측정유닛은 광원부로 적용된 광원(110)에서 출사된 광을 각 센싱 광섬유(130)에 전송하고, 센싱 광섬유(130)로부터 수신된 신호를 분석하여 센싱광섬유(130)가 부착된 철도레일(10)의 해당 부분에 대한 크랙 발생유무를 측정한다.
측정유닛은 제1 내지 제3광분배기(151 내지 153), 광변조기(171), 제1 내지 제3광합파기(161 내지 163), 제1 내지 제3광검출기(181 내지 183) 및 신호 처리부(190)를 구비한다.
제1광분배기(151)는 광원(110)에서 출사된 광을 초기광과 측정광으로 분기시켜 출력한다.
제2광분배기(152)는 제1광분배기(151)에서 입력된 측정광을 설정된 채널수에 대응되게 분배하여 대응되는 센싱광섬유(130)의 일단에 전송한다.
도시된 예에서는 도면의 복잡성을 피하기 위해 제2광분배기(152)는 3개의 채널로 측정광을 분배하여 출력하는 구조가 예시되어 있고, 적용되는 채널수는 도시된 예와 다르게 적용될 수 있음은 물론이다.
광변조기(171)는 제1광분배기(151)에서 출력되는 초기광을 설정된 변조 주파수로 변조하여 기준광을 출력한다.
바람직하게는 광변조기(171)는 저주파수 대역의 노이즈를 회피하고, 각 채널마다의 위상보상 처리를 생략할 수 있도록 10MHz 내지 300MHz 범위내의 변조주파수로 변조하는 것이 바람직하다.
제3광분배기(153)는 광변조기(171)에서 출력되는 기준광을 제2광분배기(152)의 채널수에 대응되게 분배하여 출력한다.
도시된 예에서는 제3광분배기(153)는 제2광분배기(152)의 채널수에 대응되게 3개의 채널을 통해 기준광을 분배하여 출력한다.
제1 내지 제3광합파기(161 내지 163)은 제3광분배기(153)에서 출력되는 기준광과 대응되는 채널의 센싱광섬유(130)의 타단에서 출력되는 신호를 합파하여 출력한다.
즉, 제1광합파기(161)는 제2광분배기(152)의 첫 번째 채널과 접속된 센싱광섬유(130)를 경유하여 입력된 광과 제3광분배기(153)의 첫 번째 채널로부터 분배된 기준광을 합파하여 제1광검출부(181)에 출력한다.
마찬가지로, 제2광합파기(162)는 제2광분배기(152)의 두 번째 채널과 접속된 센싱광섬유(130)를 경유하여 입력된 광과 제3광분배기(153)의 두 번째 채널로부터 분배된 기준광을 합파하여 제2광검출부(182)에 출력한다.
제3광합파기(163)도 제2광분배기(152)의 세 번째 채널과 접속된 센싱광섬유(130)를 경유하여 입력된 광과 제3광분배기(153)의 세 번째 채널로부터 분배된 기준광을 합파하여 제3광검출부(183)에 출력한다.
제1 내지 제3광검출부(181 내지 183)는 각각 대응되는 제1 내지 제3광합파기(161 내지 163)에서 출력되는 간섭광을 각각 검출하여 신호처리부(190)에 출력한다.
신호처리부(190)는 제1 내지 제3광검출부(181 내지 183)에서 출력되는 간섭신호를 이용하여 크랙이 발생했는지를 측정한다.
신호 처리부(190)는 열차가 철도 레일(10)을 지나갈 때 제1 내지 제3광검출부(181 내지 183)에서 검출된 간섭신호로부터 진동/음향 세기 및 주파수를 측정하고, 측정된 주파수가 크랙여부와 관련된 특정 주파수 영역의 신호가 검출됐는지를 판단하여 크랙 여부를 결정한다.
바람직하게는 신호처리부(190)는 센싱광섬유(130)로부터 대응되는 광검출부(181 내지 183)를 통해 수신된 광에 대해 푸리에 변환에 의해 주파수 영역으로 변환시 0 내지 1MHz 주파수 범위 내에서 기준레벨 이상의 이상 신호가 검출되면 크랙이 발생된 것으로 판단처리하도록 구축된다. 여기서 기준레벨은 외부 노이즈에 의한 신호 이상으로 적절하게 설정하면 된다.
한편, 도시된 예와 다르게 분포형으로 센싱광섬유(130)를 배치할 수 있고 그 예를 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 센싱광섬유(230)는 다수의 프로브부분(132)이 직렬상으로 연결된 구조로 되어 있다.
광조사부(210)는 광원(212)과 펄스발생기(214)를 구비한다.
펄스발생기(214)는 신호처리부(290)의 제어신호에 따라 펄스신호를 광원(212)에 출력한다.
광원(212)은 펄스발생기(214)에서 출력되는 신호에 따라 펄스광을 출력한다.
측정유닛은 광분배기(250), 광서큘레이터(260), 제1 및 제2광검출부(281)(282) 및 신호처리부(290)를 구비한다.
광분배기(250)는 광원(212)에서 출력되는 광을 초기광과 측정광으로 분배한다.
광서큘레이터(260)는 광분배기(250)에서 출력되어 입력단(260a)을 통해 입력되는 측정광을 측정단(260b)을 통해 센싱광섬유(230)로 전송하고, 센싱광섬유(230)로부터 역으로 진행되는 레일레이(Rayleigh) 역 산란광을 검출단(260c)을 통해 제2광검출부(282)로 출력한다.
제1광검출부(281)는 광분배기(250)에서 출력되는 초기광을 검출하여 신호처리부(290)에 제공한다.
제2광검출부(282)는 센싱광섬유(230)로부터 역으로 진행되어 광서큘레이터(260)의 검출단(260c)에서 출력되는 광을 검출하여 신호처리부(290)에 제공한다.
제2광검출부(282)에서 검출되는 신호는 입력 펄스광에 대해 센싱광섬유(230)에서 길이방향을 따라 연속적으로 발생하여 되돌아오는 레일레이 신호로서 광시간영역 반사측정(OTDR) 데이터로 수집되어 신호처리부(290)에 제공된다.
신호 처리부(290)는 펄스발생기(214)의 구동을 제어하고, 제1광검출부(281)에서 출력되는 신호를 이용하여 광원(212)에서 출사된 펄스광의 발생시기를 파악한다.
또한, 신호처리부(290)는 펄스광의 발생시기를 기반으로 시간영역에서 제2광검출부(282)통해 수집된 레일레이 산란광 신호로부터 크랙이 발생했는지를 측정한다.
즉, 신호처리부(290)는 먼저, 시간영역에서 수집된 레일레이 산란광 신호를 센신광섬유(230) 내에서의 광신호의 전파속도를 고려하여 거리별 광량 트레이스(Trace)로 변환한다.
여기서 변환된 거리별 광량 트레이스(Trace)는 레일레이 산란광의 자가간섭 결과를 포함하는 신호이며, 광섬유 레일레이 산란광의 자가간섭 현상은 음향/진동 에너지가 센싱광섬유(230)에 인가됐을 경우에 변화한다.
신호처리부(290)는 n개의 펄스광에 대응하는 n개의 OTDR Trace를 푸리에 변환하여 센싱광섬유(230)의 위치별 진동/음향 주파수 및 세기를 계산한다.
그리고, 신호처리부(290)는 앞서와 같이 크랙발생에 대응되는 주파수영역에서 기준레벨 이상의 이상 신호가 검출되면 크랙이 발생된 것으로 판단처리한다.
즉, 신호처리부(290)는 도 4에 도시된 바와 같이 크랙에 해당하는 진동주파수대역에서 해당신호가 검출되면 크랙으로 판정한다.
이상에서 설명된 철도레일 크랙 진단 장치에 의하면, 철도레일의 크랙여부를 기차의 운행여부와 관계없이 원격지에서 모니터링 가능하게 진단할 수 있는 장점을 제공한다.
110: 광원 130, 230: 센싱 광섬유
132: 프로브부분

Claims (6)

  1. 철도레일의 표면에 부착되며 다수회로 권회되어 코일 형상의 프로브부분을 갖는 센싱 광섬유와;
    연속광을 출사하는 광원부와;
    상기 광원부에서 출사된 광을 상기 센싱 광섬유에 전송하고, 상기 센싱 광섬유로부터 수신된 신호를 분석하여 상기 센싱광섬유가 부착된 철도레일의 크랙 발생유무를 측정하는 측정유닛;을 구비하고,
    상기 측정유닛은
    상기 광원부에서 출사된 광을 초기광과 측정광으로 분기시키는 제1광분배기와;
    상기 제1광분배기에서 입력된 측정광을 설정된 채널수에 대응되게 분배하여 대응되는 센싱광섬유의 일단에 전송하는 제2광분배기와;
    상기 초기광을 설정된 변조 주파수로 변조하여 기준광을 출력하는 광변조기와;
    상기 광변조기에서 출력되는 기준광을 상기 제2광분배기의 채널수에 대응되게 분배하여 출력하는 제3광분배기와;
    상기 제3광분배기에서 출력되는 기준광과 상기 센싱광섬유의 타단에서 출력되는 신호를 합파하여 출력하는 광합파기와;
    상기 광합파기에서 출력되는 간섭광을 검출하는 광검출부와;
    상기 광검출부에서 출력되는 신호를 이용하여 크랙이 발생했는지를 측정하는 신호 처리부;를 구비하며,
    상기 센싱광섬유의 코일형상의 프로브부분의 내경은 15mm 이상 90mm 이내이고, 외경은 내경보다는 크되 100mm이하가 되게 권회되어 있고,
    상기 측정유닛은 상기 센싱광섬유로부터 수신된 광에 대해 0 내지 1MHz 주파수 범위 내에서 기준레벨 이상의 이상 신호가 검출되면 크랙이 발생된 것으로 판단처리하는 것을 특징으로 하는 철도레일 크랙 진단 장치.

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