KR102377271B1 - 3차원 변위센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 변위센서에 관한 것으로서, 띠형상의 제1원형링과 제1원형링에 대해 직교하는 방향으로 교차되게 결합된 띠형상의 제2원형링을 갖으며 탄성적 변형이 가능한 소재로 형성된 외력반응 변형체와, 외력반응 변형체의 교차점을 통해 외력반응 변형체가 매달린 상태로 지지할 수 있도록 된 베이스 프레임과, 제1 및 제2원형링의 연장방향을 따라 각각 장착된 제1 및 제2광섬유격자와, 제1 및 제2광섬유격자에 광을 전송하고, 상기 제1 및 제2광섬유격자로부터 역으로 진행되는 광을 수신하여 상기 베이스 프레임을 통해 인가되거나 상기 외력반응 변형체에 직접 인가되는 외력에 대응하는 물리량을 산출하는 측정유니트를 구비한다. 이러한 3차원 변위센서에 의하면, 외력에 의한 뒤틀림 변형에 대응하여 광섬유 격자로부터 반사된 광을 이용하여 상호 교차하는 복수의방향에 대해 외부로부터 인가되는 물리량의 변화를 측정할 수 있으면서 구조가 단순한 장점을 제공한다.
Description
본 발명은 3차원 변위센서에 관한 것으로서, 상세하게는 외부 진동에 의한 3차원 변위 정보를 산출할 수 있으면서 구조가 단순화된 3차원 변위센서에 관한 것이다.
광섬유격자는 온도 또는 스트레인(strain)의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 쉬프트 된다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 스트레인, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.
이러한 광섬유격자는 구조물의 진단 등 각종 분야에서 센서로서 이용되고 있고, 국내 등록특허 제10-1057309호 등 다양하게 개시되어 있다.
그런데, 종래의 광섬유 격자 센서는 대부분 한 방향에 대한 스트레인 인가유무만 검출하도록 되어 있어, 상호 직교하는 복수의 방향에 대해 스트레인, 진동과 같은 외부로부터 인가되는 물리량을 검출할 수 없는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 상호 교차하는 복수의 방향에 대해 외부로부터 인가되는 물리량의 변화를 측정할 수 있는 3차원 변위센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 3차원 변위센서는 바닥판에 대해 수직상으로 연장된 수직바의 상단에 수평상으로 연장된 부상지지바를 갖는 베이스 프레임과; 상기 부상지지바에 대해 매달리게 결합되며 띠형상의 제1원형링과, 상기 제1원형링에 대해 직교하는 방향으로 교차되게 결합되며 띠형상의 제2원형링을 갖으며 탄성적 변형이 가능한 외력반응 변형체와; 상기 제1 및 제2원형링의 연장방향을 따라 각각 장착된 제1 및 제2광섬유격자와; 상기 제1 및 제2광섬유격자에 광을 전송하고, 상기 제1 및 제2광섬유격자로부터 역으로 진행되는 광을 수신하여 상기 베이스 프레임을 통해 인가되거나 상기 외력반응 변형체에 직접 인가되는 외력에 대응하는 물리량을 산출하는 측정유니트;를 구비한다.
바람직하게는 상기 제1 및 제2광섬유격자는 직렬상으로 접속되어 있다.
또한, 상기 제1 및 제2광섬유격자는 상기 외력반응 변형체의 3/4높이에 해당하는 위치에 장착된다.
또한, 상기 외력반응 변형체의 하단 중심에서 하방으로 연장되게 결합된 무게추를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 및 제2광섬유격자는 외력이 인가되지 않았을 때 반사중심파장이 동일하도록 동일 구조로 형성되어 있고, 상기 측정유니트는 상기 제1 및 제2광섬유격자로부터 동일한 신호가 수신되면 상하방향에 대한 변위정보로 판단하도록 구축된다.
본 발명에 따른 3차원 변위센서에 의하면, 외력에 의한 뒤틀림 변형에 대응하여 광섬유 격자로부터 반사된 광을 이용하여 상호 교차하는 복수의방향에 대해 외부로부터 인가되는 물리량의 변화를 측정할 수 있으면서 구조가 단순한 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 변위센서의 본체를 나타내 보인 사시도이고,
도 2는 도 1의 본체로 송신하고 반사된 광을 수신하여 처리하는 측정유니트를 나타내 보인 도면이다.
도 2는 도 1의 본체로 송신하고 반사된 광을 수신하여 처리하는 측정유니트를 나타내 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 3차원 변위센서를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 변위센서의 본체를 나타내 보인 사시도이고, 도 2는 도 1의 광섬유격자로 광을 송신하고 반사된 광을 수신하여 처리하는 측정유니트를 나타내 보인 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 변위센서(100)는 본체(110)와, 제1 및 제2광섬유격자(141)(142), 측정유니트(150)를 구비한다.
본체(110)는 베이스 프레임(120)과, 외력반응 변형체(130)를 구비한다.
베이스 프레임(120)은 외력반응 변형체(130)의 상단 교차점을 통해 외력반응 변형체(130)를 매달린 상태로 지지할 수 있도록 되어 있다.
베이스 프레임(120)은 원판형 형상의 바닥판(121)과, 바단판(121)의 가장자리영역에서 수직상으로 연장된 수직바(123)와, 수직바(123)의 상단에 수평상으로 연장된 부상지지바(125) 및 부상지지바(125)로부터 하방으로 연장되어 외력반응 변형체(130)를 고정되게 지지하는 홀더(127)를 구비한다.
홀더(127)는 부상지지바(125)로부터 하방으로 연장되되 종단에 나사선이 형성되어 너트로 외력반응 변형체(130)를 고정하는 구조 등 다양한 방식으로 외력반응 변형체(130)의 상단 중심을 고정지지할 수 있는 구조가 적용될 수 있다.
외력반응 변형체(130)는 부상지지바(125)에 대해 홀더(127)를 통해 매달리게 결합되며 띠형상으로 원형 폐궤도를 갖게 형성된 제1원형링(131)과, 제1원형링(131)에 대해 직교하는 방향으로 교차되게 결합되며 띠형상으로 원형 폐궤도를 갖게 형성된 제2원형링(132)으로 형성되어 있다.
외력반응 변형체(130)의 제1원형링(131)과 제2원형링(132)은 동일한 구조로 형성된 것을 상호 직교하게 배치하고, 상단 교차점은 홀더(127)로 상호 결합하고, 하단 교차점은 무게추(135)로 상호 결합한 구조로 구축될 수 있다. 이와는 다르게 상단 교차점과 하단 교차점은 상호 용접에 의해 접합하고, 상단 교차점과 하단 교차점에 관통공을 형성하여 홀더(127) 및 무게추(135)와 결합한 구조로 구축될 수 있음은 물론이다.
외력반응 변형체(130)는 탄성적 변형이 가능한 소재 예를 들면 스틸(steel) 소재로 형성된 것을 적용한다.
무게추(135)는 외력반응 변형체(130)의 하단 중심에서 하방으로 연장되게 결합되어 있다. 무게추의 무게는 외력반응 변형체(130)의 탄성 특성을 고려하여 적절하게 적용하면 된다.
제1 및 제2광섬유 격자(141)(142)는 제1 및 제2원형링(131)(132)의 연장방향을 따라 각각 장착되어 있다. 도시된 예에서는 제1원형링(131)에 제1광섬육격자(141)가 설치되어 있고, 제2원형링(132)에 제2광섬유격자가 설치되어 있다.
제1 및 제2광섬유격자(141)(142)는 센싱광섬유(140)을 통해 직렬상으로 접속되어 있다.
도시된 예에서 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)는 외력이 인가되지 않았을 때 반사 중심파장이 동일하게 동일 피치로 격자가 형성된 것이 적용되어 있다. 이와는 다르게, 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(141)는 외력이 인가되지 않았을 때 반사 중심파장이 상호 다르게 피치 간격이 다른 구조로 형성된 것이 적용될 수있음은 물론이다.
또한, 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)는 외력반응 변형체(130)의 3/4높이에 해당하는 위치에 장착된다. 즉, 제1광섬유격자(141)는 제1원형링(131)의 3/4 높이에 해당하는 위치에 장착되고, 제2광섬유격자(142)는 제2원형링(132)의 3/4 높이에 해당하는 위치에 장착된다. 여기서, 제1 및 제2원형링(131)(132)의 3/4 해당하는 위치는 상하 및 좌우방향에 대한 외력에 대응하는 변형을 고려할 때 변형 민감도가 높은 영역에 해당하고, 그에 따른 측정감도를 향상시킬 수 있는 위치이다.
측정유니트(150)는 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)에 광을 전송하고, 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)로부터 역으로 진행되는 광을 수신하여 베이스 프레임(120)을 통해 인가되거나 외풍과 같이 외력반응 변형체(130)에 직접 인가되는 외력에 대응하는 물리량을 산출한다. 일 예로서, 측정유니트(150)는 베이스 프레임(120)을 통해 인가되는 진동에 대해 진동크기 및 진동방향과 같은 각도 정보를 산출하도록 구축될 수 있다. 이 경우 측정유니트(150)에는 후술되는 광검출기(160)에서 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)로부터 수신된 광에 대응하는 진동크기 및 진동방향에 대한 각도 정보가 기록된 룩업테이블을 이용하여 산출하도록 구축될 수 있다.
측정유니트(150)는 광원(151), 광써큘레이터(153), 광검출기(160) 및 신호처리부(170)를 구비한다.
광원(151)은 넓은 파장범위의 광을 출사하는 광대역 광원을 적용한다.
광써큘레이터(153)는 광중계부로서 적용된 것으로서, 광원(151)에서 출사된 광을 입력단(153a)을 통해 입력받아 중계단(153b)에 접속된 센싱광섬유(140)를 통해 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)로 전송하고, 제1광섬유격자(141) 및 제2광섬유격자(142)로부터 반사되어 역으로 진행하는 광을 수신하여 출력단(153c)을 통해 출력한다.
광검출기(160)는 광써큘레이터(153)의 출력단(153c)에 접속되어 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)로부터 반사된 광을 검출한다.
신호처리부(170)는 광검출부(160)로부터 출력되는 신호로부터 측정대상 물리량을 측정한다.
신호처리부(170)는 동일 격자구조를 갖는 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)로부터 동일한 신호가 수신되면 상하방향에 대한 변위정보로 판단한다. 또한, 신호처리부(170)는 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)로부터 반대 신호가 수신되면 좌우방향에 대한 변위정보로 판단하도록 구축된다.
즉, 외력반응 변형체(130)가 상하 방향으로 인가되는 진동에 의해 상하방향으로 수축 및 이완되는 경우 제1 및 제2원형링(131)(132)은 모두 동일한 패턴으로 상하방향에 대해 수축 및 이완되고 이 경우 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)로부터 반사되는 신호는 동일한 패턴으로 검출된다. 이와는 다르게, 외력반응 변형체(130)가 특정한 좌우 방향으로 진동이 인가되어 제1원형링(131)이 이완될 때 제2원형링(132)은 그대도 이거나 수축될 경우 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)로부터 반사되는 신호는 상호 다른 패턴으로 검출된다.
이러한 신호처리부(170)는 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)로부터 반사되는 신호로부터 측정대상 물리량을 산출하도록 구축되면 된다. 여기소, 물리량은 진동, 스트레인, 온도, 변형 각도 등 다양하게 적용될 수 있다. 또한, 온도를 측정하는 경우 두 개의 광섬유격자를 통해 측정 온도에 대한 보상도 수행할 수 있다.
이상에서 설명된 3차원 변위센서에 의하면, 외력에 의한 뒤틀림 변형에 대응하여 광섬유 격자로부터 반사된 광을 이용하여 상호 교차하는 복수의 방향에 대해 외부로부터 인가되는 물리량의 변화를 측정할 수 있으면서 구조가 단순한 장점을 제공한다.
110: 본체 120: 베이스 프레임
130: 외력반응 변형체 131: 제1원형링
132: 제2원형링 141: 제광섬유격자
142: 제2광섬유격자 150: 측정유니트
130: 외력반응 변형체 131: 제1원형링
132: 제2원형링 141: 제광섬유격자
142: 제2광섬유격자 150: 측정유니트
Claims (5)
- 띠형상의 제1원형링과 상기 제1원형링에 대해 직교하는 방향으로 교차되게 결합된 띠형상의 제2원형링을 갖으며 탄성적 변형이 가능한 소재로 형성된 외력반응 변형체와;
상기 외력반응 변형체의 교차점을 통해 상기 외력반응 변형체가 매달린 상태로 지지할 수 있도록 된 베이스 프레임과;
상기 제1 및 제2원형링의 연장방향을 따라 각각 장착된 제1 및 제2광섬유격자와;
상기 제1 및 제2광섬유격자에 광을 전송하고, 상기 제1 및 제2광섬유격자로부터 역으로 진행되는 광을 수신하여 상기 베이스 프레임을 통해 인가되거나 상기 외력반응 변형체에 직접 인가되는 외력에 대응하는 물리량을 산출하는 측정유니트;를 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 변위센서. - 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2광섬유격자는 직렬상으로 접속되어 있고,
상기 베이스 프레임은 지면에 지지되게 형성된 바닥판과, 상기 바닥판에 대해 수직상으로 연장된 수직바와, 상기 수직바의 상단에 수평상으로 연장된 부상지지바 및 상기 부상지지바로부터 하방으로 연장되어 상기 외력반응 변형체를 지지하는 홀더를 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 변위센서. - 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2광섬유격자는 상기 외력반응 변형체의 3/4높이에 해당하는 위치에 장착된 것을 특징으로 하는 3차원 변위센서.
- 제1항에 있어서, 상기 외력반응 변형체의 하단 중심에서 하방으로 연장되게 결합된 무게추를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 3차원 변위센서.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2광섬유격자는 외력이 인가되지 않았을 때 반사중심파장이 동일하도록 동일 격자구조로 형성되어 있고,
상기 측정유니트는 상기 제1 및 제2광섬유격자로부터 동일한 신호가 수신되면 상하방향에 대한 변위정보로 판단하도록 구축된 것을 특징으로 하는 3차원 변위센서.
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