KR20030018391A - 광학식 구조물안전감시장치 - Google Patents

Abstract

구조물의 안전을 상시 감시하면서 위험시 경보를 하는 광학식 구조물안전감시장치가 개시되어 있다. 개시된 장치는 구조물(1)에 부착된 전반사거울(2)을 포함하여 발광부(6)와 수광부(20)로 이루어진 광학계와, 이 광학계의 수광부로부터 검출되는 신호에 기초하여 1차적으로 구조물의 진동에 기인하는 광로의 변위를 연산하고 이상이 있을 때 1차경보하는 로컬감시시스템(12)과 1차경보기(13), 그리고 그 로컬감시시스템과 통신으로 정보를 수집하여 데이터베이스를 구축해 놓고, 그 데이터베이스를 정밀분석하여 구조물의 기울기와 진동을 해석하여 그 안전을 진단하고 그 진단결과에 따라 그리고 상기 1차경보를 분석하여 위험시 2차경보를 하는 원격감시시스템(15) 및 2차경보기(16)를 포함한다. 본 장치는 구조물에 상기 전반사거울만을 부착하고 광학계 등은 그와 떨어진 안전한 장소에 설치되므로 그 설치 및 유지보수가 용이하고, 목표물을 왕복하는 충분한 길이의 광로를 확보함으로써 구조물의 미세한 진동감시을 위한 분해능 향상에 유리하다.

Description

광학식 구조물안전감시장치{Apparatus for optically monitoring safety of structure}

본 발명은 광학식 구조물안전감시장치에 관한 것으로, 상세하게는 빌딩, 교량, 터널, 철탑 등 각종 구조물에 대해 외부에서 광을 조사하고 그 구조물의 목표지점을 반사하는 광으로부터 구조물의 기울어짐 및 진동 정도를 감시하면서 실시간으로 그 안전성 여부를 진단해 내고 위험시에는 즉각 조치토록 경보할 수 있는 상시감시체계를 위한 것이다.

일반적으로 구조물, 특히 대형건물이나 교량 등은 설계부터 준공에 이르기까지 철저한 감리와 그 준공후의 정기적인 안전진단을 통해 안전성을 검증받는다. 그러나 아무리 잘 지어지고 또 안전진단을 무사히 통과한 건물일지라도, 사용중에는 내·외부의 어떤 요인에 의해 순식간에 붕괴되어 대형 참사를 일으킬 수 있는 위험성은 항상 내재되어 있다. 따라서 구조물의 붕괴와 그로인한 대형 참사를 막기 위해서는 이상이 발견되는 즉시 보수하거나 만약에 대비하여 사람을 대피시키는 등의 적절한 조치를 취할 수 있도록 하는 상시 감시 및 경보체계를 갖출 필요가 있다.

구조물에 대하여는 일반적으로 가장 기초적인 외관검사 외에 방사선 투과나 초음파 탐상 등의 비파괴검사(NDT; Non-Destructive Testing)를 통해 그 안전성 여부를 정밀하게 진단해 낼 수 있다. 이러한 비파괴검사는 구조물의 시공과정에서는 물론, 시공후 정기적 또는 비정기적으로 안전진단을 위해 꼭 필요한 것이기는 하지만, 상시감시 수단으로는 적합하지가 않은 것이다. 왜냐하면, 비파괴검사는 구조물 특성에 따라 매우 다양하게 실시되어야 하며 각 분야의 전문가들에 의해 이뤄져야 하는 것인 만큼, 그 준비와 진단에 꽤 긴 시일이 소요되기 때문이다. 게다가 상시감시를 위한 시스템에는 그 운영상 경제성을 고려하지 않을 수 없는데, 비파괴검사는 많은 고급인력과 고가의 장비 투입을 요구하여 경제성도 없는 것이다.

구조물 안전의 상시감시와 관련한 종래기술을 살펴보면, 국내 공개특허공보 공개번호 10-2000-0065831에 건축구조물의 내부균열 등을 감시할 수 있는 감지센서가 개시되어 있다. 그 감지센서는 구조물(콘크리트)과 동일한 재질로 된 몸체에 광섬유 케이블을 관통시켜 구조물에 매립하도록 제공된다. 이 감지센서는 구조물의 내부균열시 끊어지거나 변형되어 그 광전송기능에 사실상의 오류를 일으키도록 의도된 것이다. 즉, 그 감지센서가 매립되어 있는 구조물은 그 광섬유 케이블 한쪽 끝에서 레이저 광을 투사시키고 다른 쪽 끝에서 출사되는 레이저 광을 수광하여, 그 수광되는 레이저 광의 유무 또는 그 광량변화에 기초하여 구조물의 내부균열 등을 감시할 수 있게 된다.

상기 감지센서에 의한 감시는 한시적이다. 즉, 매립된 광섬유 케이블이 안전하게 시공되고 잘 보존된 상태에서만 상시감시할 수 있으며, 구조물의 내부균열에 의해 거기에 매설된 광섬유 케이블에 일단 이상이 생기면 재사용하거나 복구할 수 없다. 이같이 매설된 광섬유 케이블에 이상이 생겨 제기능을 할 수 없게 되면, 그 이후에는 다른 방식으로 구조물 안전을 감시 또는 진단하여야 하지 않으면 안된다. 또한 광섬유 케이블은 그 특성상 구조물(콘크리트) 타설 또는 그 양생과정에서 손상되기 쉽고, 마찬가지로 일단 손상되면 복구가 거의 불가능하다. 뿐만 아니라 기존 구조물이나 콘크리트가 아닌 목조나 철골조에는 적용할 수 없다.

이에 대해 본 출원인은 광섬유 케이블 따위를 구조물에 매설하지 않고도 외부에서 광학적으로 구조물 안전을 감시할 수 있는 방안에 관해 연구해 왔으며, 그 연구성과를 토대로 본 출원에 앞서, 영구적으로 상시감시할 수 있고 기존 구조물은 물론, 구조재와 무관하게 적용가능하며 구조물의 변위를 3차원적으로 해석하여 정밀하게 진단하고 위험시 즉각적인 경보를 가능하게 하는 '광을 이용한 구조물 안전감시스템 및 방법'에 관하여 출원한 바 있다(특허출원 10-1999-0061743, 실용신안등록 제185157호).

선출원에서는, 간략하게 요약하면, 발광수단으로서 레이저를 사용하고 그 레이저를 구조물 요소에 고착하는 한편, 그와 떨어진 안정된 장소에서 그 레이저에서 출사된 빔을 수광하여 전기신호로 바꾸고, 그 전기신호에 포함된 구조물의 기울기나 진동 등의 정보를 분석하여 구조물 안전을 진단하면서 위험시 경보하는 시스템을 구축한 바 있다.

구조물의 안전을 상시감시하는 일이 매우 중요한 만큼 그를 위한 시스템의 설치와 유지관리에 효율성을 기하여야 함은 말할 필요도 없다. 그런데 상기한 선 출원에서는, 레이저를 구조물에 직접 고착하였으므로 구조물에 따라서 접근이 어려워 설치는 물론 설치후의 점검 및 보수가 용이하지 않은 경우가 적지 않았다. 뿐만 아니라 레이저는 안정적인 전원공급을 필요로 하는데, 어떤 구조물에는 전기설비가 없어 별도의 전기설비공사를 추진하거나 그 설비가 용이하지 않은 어려움도 겪은 바 있었다.

한편, 구조물의 이상유무를 정확히 진단하기 위해서는 구조물에 일어나는 작은 변화(기울어짐이나 진동)도 충분히 감지해 낼 수 있어야 한다. 즉, 광학적으로 고도의 분해능이 요구되며, 이를 위해서는 광로를 충분히 길게 확보할 필요가 있었다. 그러나 구조물에 따라서는, 제한된 공간 등 그 설치상의 제한적 요소가 많아 광로 확보가 용이하지 않았고, 따라서 그만큼 정밀도를 향상시키는데도 한계가 있었다.

한편, 레이저 장비는 비교적 고가이므로, 운영상의 경제성을 고려하여 그 설치의 최적화와 효율적인 운용을 통해 그 설치 대수를 줄이는 방안으로서 이동감시 시스템이 검토되어 왔다. 또한 레이저와 같은 장비는 수리 또는 점검을 위해 지정된 장소로 운반해야 할 필요성도 있다. 그런데 선출원의 경우 레이저 장비를 구조물에 직접 고착시키므로 그 이동감시가 사실상 어렵고, 탈부착 또는 이동가능한 구조로 설계할 경우 그 감시 및 진단결과에 신뢰성을 기대할 수 없어 개선이 요구되었던 것이다.

따라서 본 발명의 목적은, 상기 요구에 부응하여 설치 및 유지관리가 용이하고, 광학적 분해능을 더욱 향상시킬 수 있으며, 또한 이동이 용이한 광학식 구조물안전감시장치를 제공하는 것이다.

도 1a는 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 원리를 설명하기 위해 구조물의 기울기에 의한 광 궤도의 변화를 보인 프로파일.

도 1b는 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 원리를 설명하기 위해 구조물의 진동에 의한 광 궤도의 변화를 보인 프로파일.

도 2는 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 첫 번째 실시예로서 구조물에 반사거울을 부착하고 수광부에 2차원 광전센서 어레이를 배치한 시스템도.

도 3a는 도 2에 도시된 반사거울을 고니어미터로 각도조절할 수 있게 하는 그 설치예의 사시도.

도 3b는 도 2에 도시된 반사거울을 고니어미터로 각도조절할 수 있고 구조물의 변위를 증폭시킬 수 있게 하는 그 설치예의 사시도.

도 4는 도 2에 도시된 로컬감시시스템의 데이터처리 프로세스 흐름도.

도 5는 도 2에 도시된 원격감시시스템의 데이터처리 프로세스 흐름도.

도 6은 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 두 번째 실시예로서 구조물에 전반사미러를 부착하고 수광부에 CCD 리니어 카메라를 배치한 시스템도.

도 7은 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 세 번째 실시예로서 구조물에 전반사미러를 부착하고 수광부에 CCD 카메라 2대를 배치한 시스템도.

도 8는 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 네 번째 실시예로서 구조물에 특수제작된 편광패턴미러를 부착하고 수광부에 2차원 광전센서 어레이를 배치한 시스템도.

도 9는 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 다섯 번째 실시예로서 구조물에 특수제작된 편광패턴미러를 부착하고 수광부에 특정방향의 편광만을 분광하는 분광기과 광전센서 2개를 배치한 시스템도.

도 10은 실시예 4 및 5에서 사용된 편광패턴미러의 패턴.

도 11a는 실시예 4 및 5에서 사용된 편광패턴미러를 수직편광 분광기를 통해 관찰한 패턴.

도 11b는 실시예 4 및 5에서 사용된 편광패턴미러를 수평편광 분광기를 통해 관찰한 패턴.

도 12a는 도 10 및 도 11a에 예시된 빔 궤적의 수직편광성분에 대응한 검출신호의 변화를 보여주는 그래프.

도 12b는 도 10 및 도 11b에 예시된 빔 궤적의 수평편광성분에 대응한 검출신호의 변화를 보여주는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 구조물 2 : 반사거울

5 : 편광패턴미러 6 : 발광부

11 : 아날로그/디지털 변환기 12 : 로컬감시시스템

13,16 : 경보기 14 : 통신망

15 : 원격감시시스템 20, 60,70,90 : 수광부

21,61,62,71,91,92 : 빔스프리터 22 : 2차원 광전센서 어레이

30,30' : 고니어미터 34 : 스프링

63,63',72 : 반투명 시이트 64,64' : 원통형 렌즈

66,66' : CCD 리니어 카메라 73 : CCD 카메라

93,93' : 분광기 95,95' : 광전센서

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치는, 감시하고자 하는 구조물에 부착되어 광을 반사시키는 목표물, 이 목표물을 향해 광을 투사하는 발광부, 그 목표물을 반사한 광으로부터 구조물의 변위정보를 수반하는 전기신호를 검출하는 수광부, 이 수광부에서 검출되는 전기신호에 기초하여 구조물의 변위를 감시하는 감시수단을 구비한다.

상기한 목표물에는 보통의 거울과 같은 전반사거울이나 편광방향에 따라 선택적으로 반사하는 편광패턴미러(polarized patterned mirror)를 사용할 수 있으며, 구조물의 기울기 및 진동에 대한 정량적인 분석이 가능하도록 그 입사각 조정을 위한 수단으로서, 바람직하게는 0.1°의 정밀도로 각도조정이 가능한 고니어미터(goniometer)를 사용한다.

상기한 발광부에는 바람직하게는 레이저(laser)를 사용하되, 수광방식에 따라 레이저 빔의 직경을 조절하는 수단을 부가한다.

상기한 수광부에는 수광방식에 따라 2개의 광전센서, 이 광전센서를 2차원으로 배열한 어레이(array), CCD(charged coupled device) 카메라, 2대의 CCD 리니어(linear) 카메라 등을 사용한다.

상기한 감시수단에는, 퍼스널컴퓨터(personal computer)에 소정의 프로그램을 탑재한 컴퓨터 시스템을 사용하여 수광부에서 검출된 신호를 처리하여 구조물의 안전을 진단케 하되, 바람직하게는 구조물이 위치한 현장과 원격지의 중앙관리소 등에 각각 감시용 컴퓨터 시스템을 설치하여 네트워킹으로 다수 현장의 구조물을 통합하여 감시 및 경보할 수 있는 시스템을 구축한다.

이와같은 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 바람직한 실시예에 앞서, 도 1a 및 1b를 참조하여 본 발명의 원리를 설명하면 다음과 같다.

도 1a 및 1b에 있어서, 부호 1은 구조물의 일부로서, 이를테면, 빌딩의 기둥이나 보, 교량의 교각이나 상판, 터널의 벽면 등 감시하고자 하는 각 구조물의 주요부에 해당된다. 본 발명은 이러한 구조물(1)의 감시하고자 하는 목표지점에 광빔(light beam)을 반사시키는 목표물로서, 예컨대 전반사거울(2)을 부착하고, 그 전반사거울(2)에 대해 입사빔(3)을 투사하는 발광부와 그 반사빔(4,4a,4b)을 수광하여 전기신호를 검출하는 수광부로 이루어지는 광학계를 구성한다. 그리고 그 광학계의 수광부로부터 검출되는 전기신호에 기초하여 구조물의 진동을 해석하는 정보처리 과정을 수행하면서 그 과정에서 위험수준이라고 판단되는 경우에 경보를 작동시켜 관리자에게 조치토록 알리는 시스템을 구축함으로써 구조물의 안전을 상시감시할 수 있는 장치를 구현한다.

상기 구조물(1)이 기울지 않은 상태에서, 목표물인 전반사거울(2)의 거울면이 놓인 평면상에서의 수평방향을x축, 수직방향을y축, 그리고 그x-y평면에 수직한 방향을z축이라 하면, 구조물의 변위는 각 축을 중심으로 회전하는 회전진동및/또는 각 축방향으로 움직이는 축방향진동으로 구분할 수 있다. 따라서 이하에는 그 회전진동에 따른 각 축에 대한 기울기를α,β,γ라 하고, 축방향진동에 따른 각 축방향의 변위를Δx,Δy,Δz라 하여 설명한다.

도 1a는 구조물(1)의x축에 대한 기울기α에 기인하는 광 궤도의 변화를 보인다. 이 도면에 표시된 바와 같이, 발광부와 수광부가x-y평면과 나란하고 그로부터ℓ만큼 거리를 둔X-Y평면상에 상호 2d의 간격을 두고 배치되어 있다고 하면, 상기 전반사거울(2)에 대한 입사각 및 반사각θ는,

로 정의되며, 기울기α에 대하여는,

와 같이 나타낼 수 있으며, 수학식 1과 2로부터 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

여기서ΔY는α에 기인하여X-Y평면상에서 이동한 반사빔(4a)의 수직변위이다.

상기 수학식 1 내지 3의 과정은 구조물의y축에 대한 기울기β와 이에 따른X-Y평면상에서의 수평변위ΔX에 대해서도 동일하게 적용된다.

수학식 3의 결과로부터, 예를 들어ℓ=50m의 거리에서θ=0.1°로 광빔을 투사하여α=±0.5° 범위내의 기울기를 측정하고자 한다면,d=25cm로 하고 수광부에는 170cm×170cm의 영역에 17cm의 간격을 두고 광전센서를 2차원으로 배열한 어레이(array)를 사용하면 된다.

θ=0°로 설정할 경우, 수학식 3의 우변은ℓtan(2α)가 되며, 마찬가지로 장거리(예를 들면 50cm)에서 같은 영역과 같은 간격의 2차원 광전센서 어레이를 사용하여 측정할 수 있다.

다음, 도 1b는 구조물(1)이z축 방향으로 움직인 경우의 반사빔(4b) 궤도변화를 보인 것으로, 그때Δz에 의한 수직변위ΔY'의 관계는,

와 같이 표현할 수 있다. 수학식 4의 결과에 따르면, 예를 들어ℓ=50m의 거리에서Δz=1mm의 정밀도로 ±5mm 범위내의 변위를 측정하고자 한다면,d=25cm로 하고 0.1mm×0.1mm의 영역에서 0.01mm 간격을 둔 2차원 광전센서 어레이를 사용하면 된다. 다만, 현재의 기술수준으로 볼 때 광전센서 어레이로는 어렵기 때문에, 그 광전센서 어레이 대신 10㎛의 분해능을 가진 CCD 카메라를 사용하면 된다.

한편,d=0, 즉θ=0°의 경우는 근본적으로Δz를 측정할 수 없다. 따라서, 예를 들면d=0에서α와β의 정보를 추출한 후,α,β및Δz를 포함하게 되는d=25cm에서Δz만의 정보를 추출할 수 있다. 다시말하여,d=0인 경우의 변위ΔX및ΔY와d≠0인 경우의 변위ΔX'및ΔY'를 측정하면,

와 같은 식이 성립하며, 결과적으로 수학식 5를 이용하여α와β및Δz의 정량적인 분석이 가능한 것이다.

한편, 도 1a 및 1b와 같은 방식에 의하면,x축에 대한α와y축에 대한β및z축 방향의Δz는 감시해 낼 수 있으나,Δx와Δy및z축에 대한γ는 감시할 수 없게 된다. 본 발명은 이하에 설명되는 실시예중에서 모든 방향의 기울기와 진동을 감시할 수 있는 방안을 제시하고 있다.

이하, 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치의 실시예들을 설명한다. 이하에 참조되는 도면들에는 상호 동일 또는 대응되는 부분에 동일한 참조번호가 부여되어 있다.

(실시예 1)

본 실시예서는 도 2와 같이, 목표물로서 구조물(1)에 부착된 전반사거울(2)을 포함하여 발광부(6)와 수광부(20)로 이루어지고 수광부(20)에 빔스프리터(21)와 2차원 광전센서 어레이(22)가 배치되어 있는 광학계를 구성하였다. 그리고 각부에필요한 전원을 공급하는 전원부(10)와, 감시수단으로의 아날로그/디지털 변환기(11)와 로컬감시시스템(12) 및 1차경보기(13)를 현장에 설치하였다. 한편, 무선광통신이나 전용선 또는 랜(LAN) 등의 통신망(14)을 이용, 예를 들면 중앙관리소 등 원격지의 원격감시시스템(15) 및 2차경보기(16)와 연결하였다.

여기서 원격감시시스템(15)은 다수의 현장에 설치되는 로컬감시시스템(12)과 하나의 네트워크를 형성할 수 있으며, 각 현장의 로컬감시시스템(12)에는 한 구조물내 다수 목표지점에 대해 설치된 다수의 광학계와 연결될 수 있다.

상기 목표물인 전반사거울(2)은 후술하는 편광패턴미러로 대체될 수 있으며, 발광부(3)에 대한 광빔의 입사각 조정을 위해서는, 0.1°의 정밀도로 각도 조정이 가능한 고니어미터(goniometer)를 이용, 도 3a 및 3b에 보인 바와 같이 두가지 방식으로 구조물(1)에 부착할 수 있다. 도시된 바와 같이x축 및y축에 대한 두방향의 입사각 조정을 위해서 2개의 고니어미터(30,30')가 사용되었다. 그 2개의 고니어미터(30,30')는 각각 본체(31,31')와 가동체(32,32')로 이뤄지고, 본체(31,31')에 설치된 조정나사(33,33')를 가지고 있다. 일측 고니어미터(30)의 본체(31)는 구조물(1)에 볼트로 체결되고, 그 일측 고니어미터(30)의 가동체(32) 위에 타측 고니어미터(30')의 본체(31)가 직교하는 방향으로 얹혀진 채 볼트로 체결되어 있다. 그리고 타측 고니어미터(30')의 가동체(31') 위에는 전반사거울(2)이 직접 부착되거나 별도의 스프링(34)에 지지되어 있다. 이같은 고니어미터(30)의 본체(31,31')와 가동체(32,32')에는 미세한 각도를 읽을 수 있는 눈금(부호 생략)이 새겨져 있는데, 그 눈금을 확인하면서 상기 조정나사(33,33')로 가동체(32,32')를 움직임으로써 전반사거울(2)의 기울기, 즉 전술한 입사각θ를 원하는 각도로 조정할 수 있다.

도 3b는 구조물(1)의 진동에 대해 스프링(34)의 탄력을 이용하여 전반사거울(2)의 진동을 증폭시키기 위한 것이다. 이는 구조물의 미세진동에 대한 증폭효과로 응답성이 뛰어난 장점을 가지나, 스프링 상수, 바람의 영향, 잔류진동 등 실제의 기울기나 진동의 정량화에는 문제점이 있다. 따라서 이 방식은 실험실에서의 고주파진동의 측정 및 현장에서의 정성적인 평가가 필요할 때 유용할 것이다.

다시 도 2에 있어서, 상기 발광부(6)는 파장 635㎚, 정격출력 17㎽, 직경 1㎜의 빔(beam)을 연속발진하는 He-Ne 레이저에 빔 익스펜더(beam expander; 7)와 공간필터링을 위한 핀홀(pinhole; 8)을 장착한 것을 사용하여, 후술하는 수광부의 광전센서 크기에 맞춰 직경 10㎜의 레이저 빔을 출사하도록 구성되었으며, 상기 수광부(20)의 2차원 광전센서 어레이(22)는 10㎜×10㎜의 광전센서를X축 및Y축 방향으로 10개씩 총 100개를 배열하고, 그 위에 광학필터(23)를 부착한 것을 사용하였다. 만약, 레이저 빔 직경이 10㎜보다 작으면 광전센서 어레이(22)를 구성하는 어느 한 광전센서의 영역 내에서 빔이 이동하는 정도의 작은 기울기나 진동을 감시하지 못하는 경우가 발생될 수 있다. 한편, 빔 직경을 10mm 이상으로 하면, 인접하는 2~3개의 광전센서에 동시에 입사하는 경우가 있는데, 이러한 문제는 후술하는 감시시스템의 데이터 처리 알고리즘을 이용, 레이저 빔 스폿의 가우스(Gaussian) 분포에 따라 각 광전센서의 검출신호를 비교하여 그중 최고치를 비교연산토록 함으로써 간단히 해결할 수 있었다.

상기 전원부(10)는 상용교류전압 AC110/220V를 전원으로 하는 무정전 전원공급장치(UPS; uninterruptible power supply)를 사용하여, 정전 등에도 안정적인 전원공급으로 광학계 및 감시시스템 동작이 중단되는 일이 없도록 하였다.

아날로그/디지털 변환기(11)는 상기 수광부(20)의 2차원 광전센서 어레이(22)에 배열된 각 광전센서 소자에서 검출되는 신호의 아날로그 값을 디지털 데이터로 병렬처리하도록 100채널을 보유한 것을 사용하였다.

로컬감시시스템(12)과 원격감시시스템(15)은 각각 퍼스널컴퓨터(personal computer)에 데이터 호환을 위한 인터페이스(interface) 카드를 장착하고 도 4 및 도 5와 같은 처리동작을 수행하는 프로그램을 탑재하여 구축한 것이다. 로컬감시시스템(12)에서 많은 정보처리를 수행하고 방대한 데이터를 축적하게 할 경우, 정보수집 속도 및 용량에 문제가 야기될 수 있으므로, 바람직하게는, 그 로컬감시시스템(12)에서는 각 광전센서 소자의 검출신호에 근거하여 수광된 빔의 변위(ΔX,ΔY)에 대한 간단한 연산처리과정을 수행케 하고, 구조물의 기울기와 진동 등 구체적인 해석작업과 방대한 데이터베이스 운용은 원격감시시스템(15)에서 담당토록 한다.

본 실시예의 동작을 설명하면, 전술한 발광부(6)의 레이저에서 출사된 빔은 전반사거울(2)을 반사한 후, 빔스프리터(21)에서 그 광량의 일부(약50%)가 반사하여 2차원 광전센서 어레이(22)에 도달하게 되고, 거기서 전기신호로 검출된다. 이같이 검출되는 전기신호에는 2차원 광전센서 어레이(22)에 배열된 각 광전센서 소자들의 위치에 대응하여 구조물의 기울기 또는 진동 정도를 알리는 정보를 수반하고 있다.

로컬감시시스템(12)은 도 4에 보인 바와 같이, 트리거(trigger) 방식으로 그 수광부의 2차원 광전센서 어레이(22)를 제어(S41)하여 아날로그/디지털 변환기(11)를 통해 데이터를 입력받는다. 이때, 그 데이터가 정상적으로 입력되는지의 여부를 판단(S42)하여, 데이터가 정상적으로 입력되면 이를 메모리에 임시로 저장(S43)한다. 만약, 데이터가 전혀 입력되지 않거나 비 정상적이라고 판단되면 이는 광학계가 제대로 동작하지 않는 등 오류가 있거나 또는 구조물이 크게 기울었든지 진동한 경우로서 매우 위험한 경우로 생각할 수 있다. 따라서 이때에는 1차경보기(13)를 작동(S47)시켜 관리자에게 확인 또는 조치토록 알리고, 그 경보정보를 저장(S48)해 둔다.

데이터가 정상적으로 입력되어 저장된 다음에는, 그 저장된 데이터를 시스템내 연산장치로 읽어들여서 전술한 2차원 광전센서 어레이(22)에 있는 광전센서 소자들의 최고광량치를 추출하여 변위(ΔX,ΔY)을 연산하고 또한 그 변위를 그래픽처리(S44)하여 가시화된 그래픽 표시정보를 시스템에 연결되어 있는 모니터에 출력한다. 따라서 관리자는 모니터에 표시된 그래픽을 통해 구조물의 현재의 상태를 실시간으로 감시할 수 있게 된다. 다음, 이렇게 처리된 변위 및 그래픽 표시정보를 저장(S45)하고, 그 변위를 설정치와 비교하여 위험수준인지의 여부를 판단(S46)한다. 이 과정에서 위험수준이라고 판단되면 앞의 경우처럼 1차 경보기(16)를 작동(S47)시키고 그 경보정보를 저장(S48)해 둔다.

한편, 상기 저장된 입력데이터를 포함한 연산결과 데이터와 그 그래픽 표시정보 및 경보정보를 통신망(14)을 통해 원격지의 중앙감시스템(15)으로 전송한다.

원격감시시스템(15)은 도 5와 같이 각 현장에 구비된 로컬감시시스템(15)으로부터 일방향 또는 양방향 통신방식으로 정보를 수집(S51)하여 데이터베이스를 구축(S52)한다. 그리고 구축된 데이터베이스를 열어서 전술한 수학식 5에 의거, 구조물의 기울기와 진동(α,β,Δz)을 정밀하게 해석하고 또한 1차 경보정보를 분석(S53)한 다음, 그 분석 결과로부터 구조물의 변위가 위험수준인지 판단(S54)한다. 만약 분석 결과가 위험수준이라고 판단되면, 즉각 2차경보기(16)를 작동(S55)시켜 관리자에게 조치토록 알린다.

이 원격감시시스템(15)에 의해 작동되는 2차 경보는 예컨대 1차 경보가 일정한 주기로 발생하여 구조물의 공진현상이 예상되거나, 1차 경보가 지속되어 구조물의 소성변형이 예상되거나, 기타 누적된 데이터베이스 해석결과로부터 구조물 또는 장치동작에 이상이라고 판단되는 경우 등이다.

(실시예 2)

본 실시예는 도 6과 같이 수광부(60)에 1차원 촬상소자를 가지고 있는 CCD(charge coupled device) 리니어 카메라(linear camera) 2대를 배치한 것이다. 그 수광부(60)는 레이저 빔의 입사경로부터 전반사거울(2)의 반사빔을 분리하는 제1빔스프리터(61)와 이 제1빔스프리터(61)에서 분리된 반사빔의 광량을 다시 50:50으로 분광하여 2개의 반사빔 경로로 분리하는 제2빔스프리터(62), 그리고 그 분리된 2개의 반사빔 경로 각각에 배치된 반투명 시이트(63,63')와 원통형 렌즈(64,64')와 반사미러(65,65') 및 상기한 CCD 리니어 카메라(66,66')로 구성되어 있다. 그 외의 구성은 앞의 실시예 1과 실질적으로 같다. 다만, CCD 리니어 카메라의 데이터 입력을 위해 디지털 인터페이스 보드(예: Matrox사, Meteor2-DIG/4/L, 3CH)를 로컬감시시스템(12)에 장착하면 된다.

상기 반투명 시이트(63,63')에는 반사빔의 영상이 투영된다. 원통형 렌즈(64,64')는 각 영상을X축과Y축의 한 방향에서 집속하고 다른 방향에서는 투과시켜 결상한다. 2대의 CCD 리니어 카메라(66,66')는 각 한 방향으로 결상된 반사빔 영상을 촬상하여 각 축 방향의 반사빔 변위(ΔX,ΔY) 정보를 나타내는 신호를 검출해 낸다. 따라서 그 2대의 CCD 리니어 카메라(66,66')로부터 입력된 데이터에 기초하여 구조물의 기울기 및 진동을 정량적으로 평가할 수 있다.

본 실시예에 의하면, CCD 리니어카메라가 가지는 촬상소자의 화소간 간격이 14㎛이므로 고도의 정밀도를 가지는 분해능을 얻을 수 있으며, 하나의 카메라당 화소수가 512개로 충분한 샘플링 속도를 얻을 수 있어 고주파 진동감지에 매우 유리하다.

(실시예 3)

본 실시예는 도 7과 같이 수광부(70)에 빔스프리터(71)와 반투명 시이트(72) 및 한 대의 CCD 카메라(73)로 구성한 것이다. 전반사거울(2)의 반사빔은 빔스프리터(71)에 의해 분리되어 반투명 시이트(72)에 투영된다. CCD 카메라(73)는 2차원 촬상소자를 가지고 있으며 그 반투명 시이트(72)에 투영된 반사빔 영상을 촬상하여 그 영상의 위치 정보를 수반한 데이터를 검출한다. 통상, CCD 카메라가 가지는 촬상소자의 화소간 간격은 14㎛이고 화소수가 30만개에 달하므로 고도의 정밀도를 가지는 공간분해능을 얻을 수 있다. 그러나 CCD 카메라는 CCD 리니어 카메라에 비하여 샘플링 속도가 현저히 떨어지기 때문에 저주파 진동을 정량적으로 측정하고자 할 때 적합하다. 또한 본 실시예에 의하면, 한 대의 CCD 카메라만을 구비하므로 렌즈를 비롯한 광학계를 단순화시킬 수 있어 구조가 콤팩트하고 경제적이며 설치가 용이해지는 이점이 있다.

앞의 실시예들에서는 구조물에 부착되는 목표물로서 보통의 전반사거울을 사용하고 빔에 경사각을 줌으로써 구조물의 변위중α,β,Δz만을 감시할 수 있게 하였다. 이하에는 그α,β,Δz는 물론,γ,Δx,Δy도 감시할 수 있는 실시예를 기술한다.

(실시예 4)

본 실시예는 도 8과 같이 구조물(1)에 전술한 전반사거울 대신 특수한 패턴의 편광패턴미러(5)를 부착한 것이며, 그 외의 구성은 앞의 실시예 1과 실질적으로 동일하게 구성한 것이다.

(실시예 5)

본 실시예는 도 9와 같이 구조물(1)에 전반사거울 대신 실시예 4의 편광패턴미러(5)를 부착하고, 수광부(90)에는 레이저 빔의 입사경로부터 편광미러(5)의 반사빔을 분리하는 제1빔스프리터(91)와 이 제1빔스프리터(91)에서 분리된 반사빔의 광량을 다시 50:50으로 분광하여 2개의 반사빔 경로로 분리하는 제2빔스프리터(92), 그리고 그 분리된 2개의 반사빔 경로 각각에 배치된 수직 및 수평편광 분광기(93,93'), 집속렌즈(94,94') 및 광전센서(95,95')를 배치한 것이다.

상기 실시예 4 및 5의 편광패턴미러(5) 역시 전술한 전반사거울의 경우처럼 고니어미터를 사용하여 도 4a 및 4b와 같은 두가지 방식으로 구조물에 부착할 수 있다.

상기 편광패턴미러(5)의 패턴은 도 10에 보인 바와 같이, X축 및 Y축에 각각 수평 및 대칭이 되도록 1t,2t,3t(t는 단위길이)의 간격으로 배열된 수직편광패턴(VP)과 수평편광패턴(HP)을 가지며, 그 이외의 부분은 무반사처리된 것이다. 이에 따라 편광패턴미러(5)는 수직 및 수평편광패턴(VP,HP)이 상호 교차하는 부분으로서 모든 방향에서 반사하는 무편광반사영역(5a)과 교차하지 않는 부분으로서 각 편광방향에서만 반사하는 편광반사영역(5b,5c) 그리고 나머지 부분의 무반사영역(5d)으로 구분된다(도 11a,11b 참조).

도 11a 는 실시예 5의 수직편광 분광기(93)를 통하여 관찰되는 편광패턴미러(5)상의 수직편광패턴(HP)을 나타내고, 도 11b는 실시예 5의 수평편광 분광기(93')를 통하여 관찰되는 편광패턴미러(5)의 수평편광패턴(VP)을 나타낸다. 이들 분광기(93,93')는 상기 무편광반사영역(5a)에 대응하여 20%, 각 편광반사영역(5b,5c)에 대응하여 10%, 그리고 무반사영역(5d)에 대응하여서는 0%의 투과율을 가진다.

즉, 편광패턴미러(5)를 반사한 레이저 빔의 2차원 변위중Y축 방향의 변위ΔY는 수직편광 분광기(93)를 통해서,X축 방향의 변위ΔX는 수평편광 분광기(93')를 통해서 각각 검출해 낼 수 있으며, 또한 각 분광기(93,93')를 통과한 빔은 그 이동 궤적에 따라 상기한 패턴 배열과 각 영역의 투과율에 따라 규칙적으로 광량이 변화하게 된다. 따라서 광전센서(95,95')로부터 그 광량의 변화에 따라 규칙적으로 크기가 변화하는 신호가 검출되고, 이에 근거하여 구조물의 기울기와 진동을 정량적으로 분석해 낼 수 있는 것이다.

한 예로써, 도 10과 11a 및 11b에, 구조물의 임의 방향 기울기 또는 진동에 의해 빔이 P₀(X ₀,Y ₀)의 위치에서 P₁(X ₁,Y ₁)의 위치를 거쳐 P₂(X ₂,Y ₂)의 위치로 이동한 경우를 가정하여 표시하였다. 물론 여기서 편광패턴미러(5)에 입사되는 레이저 빔의 직경은 상기한 단위길이 t보다 작다.

편광패턴미러(5)를 반사하는 레이저 빔은 그 일부가 편광성을 띠게 되는데, 이것을 각각의 분광기(93,93')를 통하여 광전센서(95,95')로 검출한 신호의 변화를 도 12a 및 12b에 나타내었다. 즉, 편광패턴미러(5)에 입사된 빔의 초기 광량을 1이라 하였을 때 그 중심(P₀)으로부터X축 및Y축 방향으로 20%의 투과율을 가지는 무편광반사영역(5a)에 대응한 값과 10%의 투과율을 가지는 편광반사영역(5b,5c)에 대응한 값들, 그리고 무반사영역(5d)에 대응한 값이 각각 0.2, 0.1, 0의 비율로 나타나게 된다. 물론 이는 매우 이상적인 경우를 예로 든 것이나, 대체로 그 비례관계는 변함이 없다.

도 12a 및 12b에서 보듯이 광량변화에 대응한 신호값의 변화는 매우 규칙적임을 알 수 있다. 즉, 분광기를 통과한 광량은 그 중심으로부터 이동궤적에 대응하여, [0→≠0→00→≠0→000→≠0→0→≠0→00→≠0→000]와 같이 변하게 된다. 여기에서 광량이 최소가 되는 경우를 0, 0이 아닌 경우(≠0)를 U로 표현하면,P₀(X ₀,Y ₀)→P₁(X ₁,Y ₁)→P₂(X ₂,Y ₂)의 이동궤적을 갖는 광을 분광기(93,93')를 통해 광전센서(95,95')로 검출하였을 때, 각각,

[0 U 00 U 000 U 0 U 0 U 000 U 00 U 0 U 00 U 000]과,

[0 U 00 U 000 U 0 U 00 U]

의 신호값 패턴이 얻어진다.

본 실시예에서 사용된 편광패턴미러(5)는 중심(P₀)을 기준으로 하여 한 방향으로 이동시의 신호값 패턴이 [0 U 00 U 000 U]와 같이 주기적으로 나타나도록 제작된 것이다. 그런데 수직편광 분광기(93)를 통해 검출된 신호값 패턴은 12번째부터 신호값 패턴의 주기가 역행하는 것을 볼 수 있는데, 이는 11번째 신호를 정점으로 빔이 역방향으로 이동하고 있음을 의미한다. 그리고 그 좌우 대칭점을 지나 다시 주기적인 신호값 패턴으로 이동함을 알 수 있다. 수평편광 분광기(93')를 통해 검출된 신호값 패턴에서는 빔이 한 방향으로만 이동하였음을 알 수 있다. 이러한 신호값 패턴의 변화로부터 P₀=(0,0), P₁=(11,9), P₂=(-7,4)임을 추출해 낼 수 있으며, 따라서X축 및Y축상의 변위ΔX,ΔY를 정량적으로 측정하는 것이 가능하다. 뿐만 아니라,z축을 중심으로 회전하는 것에 의한 기울기γ와X축 및Y축 방향의 진동Δx와Δy로 환산하여 표시할 수도 있다. 여기에서ΔX,ΔY는 구조물의 변형, 즉, 그 회전과 축방향 진동 등에 기인하며, 변위Δx,Δy와 스케일이 일치한다. 그러나 편광패턴미러(5)상의 패턴이 각 축에 대해 대칭하므로 변위 방향이 양(+)인지 음(-)인지 파악할 수 없게 된다. 이러한 문제는 초기의 입사빔을 중심 P₀=(0,0)에입사시키지 않고 각 축방향으로 치우친 지점 예를 들면 P=(1,1)의 위치에 입사시킴으로써 해결할 수 있다. 이 경우 신호값 패턴이 [U 00]으로 시작하면 양(+)의 방향이고, [U 0]으로 시작하면 음(-)의 방향이 된다. 또다른 방법으로는 편광패턴미러(5)의 1/4분면에서만 측정하여 그 방향성을 파악할 수 있다.

한편, 실시예 5에서처럼 편광패턴미러(5)와 두 개의 광전센서(95,95')만을 사용할 경우, 측정된 변위ΔX,ΔY는x축과y축에 대한 회전에 기인한 것인지 또는z축 방향의 진동에 기인한 것인지 구분할 수 없다. 이러한 문제는 앞의 실시예들처럼 수광부에 2차원 광전센서 어레이나 CCD 리니어 카메라 등을 배치하거나 또다른 다양한 편광패턴을 도입함으로써 해결할 수 있다. 또한 원시적으로는 같은 구조물의 목표부위에 대해 목표물(전반사거울,편광패턴미러)을 여러방향에 부착하여 감시하여도 가능한 것이다.

이상의 실시예들을 통해 설명된 바와 같은 본 발명에 따른 광학식 구조물안전감시장치는 전술한 본 출원인의 선출원과 달리 감시하고자 하는 구조물의 목표지점에 목표물을 부착하고, 그 목표물을 향해 광빔을 투사하고 검출하는 발광부 및 수광부를 구조물과 떨어진 안전한 장소에 설치하는 것이다. 이에 따라 본 발명은 구조물의 제약에도 불구하고 그 설치가 용이하고, 유지관리에 매우 유리하다.

본 발명은 또한, 발광부에서 목표물에 이르는 입사경로와 그 목표물에서 수광부에 이르는 반사경로를 통해 광경로를 길게 확보하므로 구조물의 미세한 진동을 감시해 내기 위한 분해능을 높이는데 효과적이며, 따라서 구조물내 좁은 공간에서도 충분한 분해능으로 구조물의 안전을 감시할 수 있게 된다.

본 발명은 또한, 광학계의 발광부 및 수광부를 목표물에 대해 이동시킬 수 있으므로, 구조물의 여러개소에 목표물을 부착하고 광학계를 각 목표물에 대해 이이동시키면서 감시하는 이동감시가 가능하게 된다. 즉, 레이저와 같은 고가의 장비를 최소화하는 등으로 경제적 운영을 도모할 수 있는 것이다.

Claims (12)

1. 감시하고자 하는 구조물에 부착되어 광이 반사하는 목표물, 이 목표물을 향해 광을 투사하는 발광부, 그 목표물을 반사하는 광으로부터 구조물의 변위정보를 수반하는 전기신호를 검출하는 수광부, 이 수광부에서 검출되는 전기신호에 기초하여 구조물의 변위정보를 처리하는 정보처리수단이 구비된 광학식 구조물안전감시장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기한 목표물로서 광을 전반사시키는 전반사거울이 구비되고, 상기 수광부에 광전센서를 2차원적으로 배열한 2차원 광전센서 어레이가 배치되어 있는 광학식 구조물안전감시장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기한 목표물로서 광을 전반사시키는 전반사거울이 구비되고, 상기 수광부에 그 전반사거울의 반사빔을 두개의 경로로 분리하는 빔스프리터와, 분리된 2개의 반사빔 경로에 각각 설치되어 각 반사빔이 투영되는 2장의반투명 시이트와, 각 반투명 시이트에 투영된 반사빔 영상을 그 시이트상의 직교하는 두 방향중 어느 한 방향에서 집속하고 다른 한 방향에서 투과시켜 결상하는 2개의 원통형 렌즈와, 이 원통형 렌즈에 의해 결상된 상을 촬상하여 각 방향에 대응한 빔의 위치정보를 수반하는 신호를 각각 검출하는 리니어 찰상소자를 가지는 2대의 CCD 리니어 카메라가 구비되어 있는 광학식 구조물안전감시장치.
4. 청구항 1에 있어서, 상기한 목표물로서 광을 전반사시키는 전반사거울이 구비되고, 상기 수광부에 그 전반사거울의 반사빔이 투영되는 반투명 시이트와, 이 반투명 시이트에 투영된 반사빔 영상을 촬상하여 빔의 위치정보를 수반하는 신호를 검출하는 2차원 촬상소자를 가지는 CCD 카메라가 구비되어 있는 광학식 구조물안전감시장치.
5. 청구항 1에 있어서, 상기한 목표물로서 광을 편광방향에 따라 다른 반사율로 반사시키는 편광패턴미러가 구비되고, 상기 수광부에 그 편광패턴미러의 반사빔을 수광하여 그 반사빔의 위치정보를 수반하는 전기적 신호를 검출하는 2차원 광전센서 어레이가 구비되어 있는 광학식 구조물안전감시장치.
6. 청구항 1에 있어서, 상기한 목표물로서 광을 편광방향에 따라 다른 반사율로 반사시키는 편광패턴미러가 구비되고, 상기 수광부에 그 편광패턴미러의 반사빔을 두개의 경로로 분리하는 빔스프리터와, 분리된 2개의 반사빔 경로상에 각각 설치되어 각 반사빔의 수직 및 수평편광을 분광하여 투과시키는 2개의 분광기와, 각 분광기를 투과한 반사빔을 수광하여 각 편광방향의 위치정보를 수반하는 전기신호를 검출하는 2개의 광전센서가 구비되어 있는 광학식 구조물안전감시장치.
7. 청구항 1에 있어서, 상기한 발광부에 상기 투사되는 광빔의 빔 직경을 조절하는 수단이 더 구비되어 있는 광학식 구조물안전감시장치.
8. 청구항 1에 있어서, 상기한 정보처리 수단으로서, 상기한 수광부에서 검출된 신호를 읽어들여서 그 수광부상에서의 반사빔 변위량을 연산 및 그래픽처리하면서 그 읽어들인 신호의 상태와 처리결과에 따라 외부에 경보를 명령하도록 구동되는 프로그램이 탑재되어 있는 로컬감시시스템과, 이 로컬감시시스템의 명령에 따라 작동되어 경보를 울리는 1차경보기와, 상기 로컬감시시스템과 통신가능하게 연결되어 그 로컬감시시스템의 처리정보를 전송받아 데이터베이스를 구축하고 구축된 데이터베이스를 분석하여 상기한 구조물의 기울기와 진동을 해석처리하고 그 처리결과에 따라 외부에 경보를 명령하도록 구동되는 프로그램이 탑재된 원격감시시스템과, 이 원격감시시스템의 명령에 따라 작동되어 경보를 울리는 2차경보기가 구비되어 있는 광학식 구조물안전감시시스템.
9. 청구항 1 내지 6의 어느 한 항에 있어서, 상기 목표물의 각도를 조정하기 위한 조정수단이 더 구비되어 있는 광학식 구조물안전감시장치.
10. 청구항 1 내지 6의 어느 한 항에 있어서, 상기한 구조물의 기울기나 진동에 기인하는 상기한 목표물의 변위를 증폭시키기 위한 수단이 더 구비된 광학식 구조물안전감시장치.
11. 청구항 7에 있어서, 상기한 구조물의 기울기나 진동에 기인하는 상기한 목표물의 변위를 증폭시키기 위한 수단이 더 구비된 광학식 구조물안전감시장치.
12. 청구항 7에 있어서, 상기한 조정수단으로서, 본체와 가동체로 이루어지고 본체에 대해 가동체의 각도조정이 가능한 고니어미터 2대가 구비되어 있고, 그중 일측 고니어미터의 본체가 구조물에 고정설치되며 그 일측 고니어미터의 가동체 위에 타측 고니어미터의 본체가 직교하는 방향으로 고정설치되며 그 타측 고니어미터의 가동체 위에 상기 목표물이 부착되어 있는 광학식 구조물안전감시장치.