KR200320337Y1 - 광섬유센서를 이용한 장거리 변위측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 토목 또는 건축 구조물의 변위를 측정하기 위한 장치로서, 토목 또는 건축 구조물에서 측정을 원하는 두 지점에 고정하여 설치되며, 각각 원형 로울러를 구비하는 한 쌍의 고정부와; 상기 한 쌍의 고정부의 각각의 로울러에 권취된 채로 두지점 간의 거리 변화에 따른 파장의 변화를 감지하는 광섬유센서를 포함하여 구성되는 장거리 변위 측정장치를 제공한다. 이러한 측정장치는 외부 환경 요인의 변화에 상관없이 정확하고 신뢰성있는 변위 측정이 가능하며, 특히 토목 또는 건축 구조물과 같이 장거리 변위 측정이 필요한 대형 구조물의 변위 측정에 매우 용이하다.

Description

광섬유센서를 이용한 장거리 변위측정 장치{Apparatus for measuring long distance displacement}

본 고안은 변위 측정장치에 관한 것으로, 구체적으로는 광섬유센서를 사용하여 대형 토목시설물의 장거리 변위계측에 이용되는 측정장치에 관한 것이다.

장거리 변위계측은 여러 산업분야에서 필수적으로 요구되는 사항으로서, 일례로 원자력발전소의 격납 구조물 내의 변위 측정이 있다.

원자력발전소의 격납 구조물은 손상 및 사고의 위험도가 다른 구조물 및 기타 설비에 비해 상대적으로 작기 때문에 유지관리에 대한 관심에 비교적 적었으며, 그에 따라 그 동안의 유지관리 및 계측은 격납 구조물의 시공 당시 매설되는 게이지와 내압시험 시 Long Line LVDT(Linear value displacement transducer) 등과 같은 전기식 센서를 이용한 계측이 전부였다.

그러나, 격납 구조물이 이미 손상된 후에는 보수 내지 보강을 시행하는데 막대한 예산이 소요되는 중요한 구조물의 하나이므로 보다 합리적인 유지관리가 필요하다. 이를 위해서는 장기적인 모니터링이 가능한 첨단센서시스템의 도입이 절실히 필요한 실정이다. 그 이유는 기존의 전기식 센서는 분해능이나 전자기적 노이즈에 의해 미소량의 측정에 적합하지 않을 뿐만 아니라, 부식 등의 환경적인 요인에 의하여 성능이 열화되기 때문에 장기적인 계측에는 적합하지 않기 때문이다.

또한, 격납 구조물에서 기존의 장변위 계측방법은 5mm 정도 굵기의 강선을 사용하여 측정하고자 하는 거리(약 50m정도)의 양단에 인장력을 가해 고정한 후 변위를 측정하였는데, 이 경우에는 강선의 재료적 특성을 고려하여야 할 뿐만 아니라, 온도, 습도 등 시간적 변화를 고려해야하는 요소들이 많아 계측에 어려움이 있었고, 특히 강선 자체가 중력에 의하여 하방으로 처짐이 발생하여 정확한 변위를 감지하는 데 한계가 있었다.

한편, 원자력 발전소 격납 구조물의 경우 시공 중 매립된 센서는 준공 후 수년이 경과됨에 따라 계측 결과의 정확성이 현저히 떨어지고 대략 10여년 정도의 시간이 경과된 후에는 전혀 계측 결과를 얻을 수 없다는 문제점이 있다. 따라서, 시간의 경과에 상관없이 반영구적으로 정확한 변위 측정이 가능한 장변위 계측 장치의 도입 및 그 활용이 절실한 상태이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 본 고안은 높은 정밀도와 안정성을 가지는 장거리 변위 측정장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 고안은 장거리 변위 측정에 있어서, 수평 및 수직레벨의 변형을 용이하게 감지하고 이를 조정할 수 있는 장치를 제공하는데 목적이 있다.

기타, 본 고안의 목적 및 기술적인 특징은 이하의 상세한 설명 및 실용신안등록청구범위에서 더욱 구체적으로 나타날 것이다.

도 1은 본 고안에 따른 측정장치의 개략도.

도 2a는 도 1의 장치에서 홈이 형성된 로울러를 보여주는 단면도.

도 2b는 도 1의 장치에서 로울러 및 수평지지부를 보여주는 단면도.

도 3은 광섬유의 감김수단이 포함된 로울러를 보여주는 단면도.

도 4은 본 고안에 따른 장치가 설치된 격납 구조물의 내부 개략도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

10a, 10b: 고정부 12:수평지지부

14:로울러 15:광섬유센서

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 토목 또는 건축 구조물의 변위를 측정하기 위한 장치로서, 토목 또는 건축 구조물에서 측정을 원하는 두 지점에 고정하여 설치되며, 각각 원형 로울러를 구비하는 한 쌍의 고정부와; 상기 한 쌍의 고정부의 각각의 로울러에 권취된 채로 두 지점 간의 거리 변화에 따른 파장의 변화를 감지하는 광섬유센서를 포함하여 구성되는 장거리 변위 측정장치를 제공한다.

본 고안의 일특징에 의하면 광섬유 센서를 사용하여 구조물의 장거리 변위 측정에 응용한다는 것이다.

이미 Long Line Optical Fiber Sensor의 도입이 시도되어 이를 다른 분야로 확대적용을 검토하고 있으며, 첨단 계측센서로서 광섬유센서를 구조물 계측분야로 응용하려는 노력은 2000년대에 오면서 미국, 유럽, 일본에서 활발히 진행되고 있으며, 그 연구결과가 발표되고 있으나, 아직까지 그 효용성 및 실제 적용 가능성에 대한 검증은 완료되지 않은 상태이다.

본 고안은 광섬유센서를 사용하여 토목 또는 건축 구조물의 장거리 변위를 상시적으로 모니터링할 수 있으며, 특히 장치의 설치 및 변위 측정이 용이한 장점을 갖고 있다.

또한, 본 고안의 또 다른 특징에 의하면 광섬유센서로 구조물의 변위를 측정하는 경우, 광섬유센서의 수직 또는 수평 레벨의 변화에 따라 변위 측정이 어려워지고 정확한 측정이 불가능하게 되는 것을 방지하기 위하여 수평 및 수직 레벨 조정 수단을 구비하고 있다는 것이다. 이와 같은 조정 수단은 광섬유센서에 의한 변위 측정의 신뢰성을 확보할 수 있게 하며, 작업자가 달라지거나 구조물이 건축된 후 수년 내지 수십년이 지난 후에 측정하더라도 정확한 측정이 가능하도록 한다.

본 고안에 따른 측정장치를 개략적으로 도시한 도 1을 참조하면, 원형의 로울러(14)를 구비하고 있는 한 쌍의 고정부(10a, 10b)와, 상기 로울러에 권취되어 있는 광섬유센서(15)를 볼 수 있다.

상기 고정부는 토목 또는 건축 구조물에서 측정하고자 하는 지점에 고정되는 고정지지부(11)와, 상기 고정지지부로부터 수직으로 돌출되어 연장되는 수평지지부 (12)를 포함한다. 한 쌍의 고정부는 측정하고자 하는 두 지점 사이를 광섬유센서가 수평 또는 수직으로 연결할 수 있도록 지지하는 역할을 하며, 경우에 따라서는 두 지점이 수평적으로 혹은 수직적으로 위치하지 않고 임의의 두 지점을 연결할 수 있도록 설치되는 것도 가능하다.

고정부에는 광섬유센서가 감겨져 지지되는 로울러(14)가 포함되며, 로울러는 원형이 바람직하고, 로울러의 원주면상에는 광섬유센서가 안착되어 수평적으로 지지되도록 홈(14a)이 형성되어 있다. 상기 홈은 V자 또는 U자형의 형태가 바람직하지만, 광섬유센서의 지지가 가능하다면 어떠한 형태라도 가능할 것이다.

상기 로울러의 단면을 도시한 도 2a를 참조하면, 로울러의 원주면에 V자 형으로 홈(14a)이 형성되어 있고, 홈에는 광섬유센서가 안착되어 수평적으로 및 수직적으로 지지되어 있다. 이와 같은 홈은 구조물의 변형에 따른 변위가 발생되었을 때 광섬유센서가 수평적 또는 수직적으로 이동하지 않고 정확하게 변위를 감지해낼 수 있도록 지지하는 역할을 하는 것이다. 그러나 변위가 큰 경우에는 로울러의 원주면사에 형성된 홈 만으로 광섬유센서를 지지하는데 한계가 있을 수 있으므로 도면에 도시된 바와 같이 로울러의 홈의 상부 양단에 수직으로 연장되는 두 개의 돌출부(20a, 20b)를 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 수평지지부(12)는 원형 로울러를 고정부에 고정된 채로 지지하는 역할을 하는데 수평지지부의 상부가 로울러의 원주면 또는 상기 돌출부보다 높을 경우 광섬유센서가 수평적으로 또는 수직적으로 위치가 안정되도록 지지할 수 있게 된다. 따라서, 경우에 따라서는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 수평지지부가 로울러의 양쪽면에 접하도록 형성되는 제1수평지지대(12a)와 제2수평지지대(12b)를 포함하도록 할 수 있다.

본 고안에 있어서, 한 쌍의 고정부에 설치된 로울러 중 어느 하나는 일정한 길이(예를 들어 10m, 50m, 100m 등)의 광섬유가 미리 감겨져 있고 이를 풀어 다른로울러에 권취시킬 수 있다.

도 3은 광섬유 감김수단이 포함된 로울러의 예를 보여주는 단면도로서, 로울러(14)의 일 측면에 연장되어 형성된 보조부(25)의 원주면에 광섬유(15')가 여러 겹으로 감겨져 있는 것을 볼 수 있다.

로울러의 원주는 일정하므로 풀어지는 광섬유의 길이는 로울러의 회전수에 의하여 정확히 계산 가능하며, 이에 따라 측정을 원하는 두 지점 사이의 거리를 계산할 수 있게 된다. 이 때 고정부의 고정지지부와 로울러 사이의 거리를 함께 계산하여야 측정 지점간의 정확한 거리를 산출할 수 있을 것이다. 도 1에선 참조 번호 17은 로울러의 회전수에 따라 풀려져 나간 광섬유센서의 길이를 자동적으로 표시해주는 표시부에 해당한다. 한편, 도 1에서 참조번호 17은 광섬유센서를 다른 광학적 요소 또는 전기전자적 요소들과 연결해주는 커넥터에 해당한다.

상기 측정 장치를 이용하여 구조물의 변위를 측정하는 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저 광섬유가 감겨져 있는 하나의 고정부를 측정점에 위치시켜 고정한 후, 다른 하나의 고정부를 수평 또는 수직 위치를 맞추어 다른 측정점에 고정시킨다. 그 다음, 광섬유가 감겨져 있는 고정부로부터 광섬유를 풀어 다른 하나의 고정부에 연결한다. 풀려진 광섬유의 길이로부터 두 측정점간의 수평 또는 수직 거리를 측정할 수 있다.

변위 측정에 사용될 수 있는 광섬유센서로는 마이켈슨 간섭 센서, 페브리 페롯형센서 또는 격자형 센서 등 여러 가지가 있으나, 본 고안의 실시예에서는 격자형 센서(Fiber Bragg Grating : FBG)를 사용하였다.

FBG 센서에서는 계측된 변형률에 계측거리를 곱하여 변위를 구할 수 있다. 이 경우, 온도 및 재료에 따른 별도의 보정은 필요치 않다. 왜냐하면 통신용 광섬유는 순도 99.99%의 SiO₂로 제작되어 광탄성계수가 거의 일정하고 온도에 대한 영향은 별도의 레퍼런스 센서로부터 자체 보정되기 때문이다. 계측할 두 지점의 변위는 아래의 식과 같다.

Displacement = △λ×α×L - (β×△T)

여기서, △λ는 광섬유 센서에서 측정된 파장변화(nm), α는 변형률환산계수 (constant), L 은 측정할 두 지점간의 거리(mm). β는 온도에 의한 변형률환산계수 (constant). △T는 온도변화(℃)를 각각 나타낸다.

이때, 측정할 두 지점의 수평 또는 수직거리를 정확히 알 수 있어야 신뢰할 수 있는 변위 측정이 가능하다. 본 고안에서는 상술한 바와 같이 직접적인 측량이 아닌 광섬유센서가 감겨져 있는 로울러의 회전수를 통해 거리를 측정하게 된다. 원형의 로울러의 회전수를 읽어 풀려져 나간 광섬유의 총 길이를 정확하게 환산하게 되므로 별도의 측량작업이 필요하지 않을 뿐 아니라 작업자에 측량에 의한 오차도 배제되어 정확한 변위의 측정이 가능하게 된다.

따라서, 본 고안에서는 작업자가 센서부착 시 측정할 두 지점의 수평 또는 수직 거리를 정확하게 확인할 수 있으며, 또한, 구조물의 변형 등에 따라 광섬유센서의 수평 또는 수직위치가 달라지는 경우에는 로울러 또는 수평지지부에 닿는 광섬유의 위치가 달라지게 되므로 작업자가 쉽게 확인하여 위치를 수정할 수 있다.

한편, 광섬유센서의 미세한 위치변화가 있더라고 이에 따른 광섬유의 미세휨(micro-bending)에 의해 광량의 손실이 발생하므로 이를 측정할 수 있는 Optical Power-meter 등의 수단을 구비하여 광량 변화를 확인하게 되면 용이하게 광섬유의 수평 또는 수직 위치 변화를 정확하게 판단할 수 있다.

본 고안에 따른 측정 장치를 사용한 예로서, 원자력발전소의 격납 구조물 내에 측정장치가 설치된 모습을 도 4에 도시하였다.

원자로(31)가 설치되는 최초 격납 구조물(30) 내부에 수평 또는 수직 변위를 측정하기 위하여 다수의 광섬유센서를 설치할 수 있다. 본 예에서는 수평 변위 측정을 위한 광섬유센서(15a)와 수직 변위 측정을 위한 광섬유센서(15b)가 구조물 내부의 각각의 측정점에 고정부(10a, 10b, 10c, 10d))에 의하여 고정시켰다. 이와 같이 설치된 측정장치로부터 주기적으로 또는 상시적으로 모니터링하여 참조번호 30'와 같이 격납 구조물의 수평 또는 수직 변위가 발생되면 그 변위 정도를 정확하게 측정할 수 있다. 특히, 본 고안에 따른 측정장치는 광섬유 자체가 매우 가늘고 여러 개의 센서를 한 가닥의 광섬유에 연결하여 활용할 수 있으므로 전체적인 장치의 부피를 현저히 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 구조물 내에 설치하는 것도 용이하여 종래의 측정방법과 비교할 때 그 적용 가능성 및 측정의 효율성이 매우 향상된다고 할 것이다.

이상과 같이 본 고안에 따른 장거리 변위 측정장치는 원자력 발전소의 격납 구조물과 같은 대형 구조물의 변위 측정에 특히 적합하지만, 이밖에도 터널, 교량, 기타 대형 건물에도 적용될 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 따르면 광섬유센서를 사용하여 외부 환경 요인의 변화에 상관없이 정확하고 신뢰성있는 변위 측정이 가능하며, 특히 토목 또는 건축물과 같이 장거리 변위 측정이 필요한 대형 구조물의 변위 측정에 매우 용이하게 적용될 수 있다.

Claims (10)

1. 토목 또는 건축 구조물의 변위를 측정하기 위한 장치로서,

   토목 또는 건축 구조물에서 측정을 원하는 두 지점에 고정하여 설치되며, 각각 원형 로울러를 구비하는 한 쌍의 고정부와;

   상기 한 쌍의 고정부의 각각의 로울러에 권취된 채로 두 지점 간의 거리 변화에 따른 파장의 변화를 감지하는 광섬유센서를 포함하여 구성되는

   장거리 변위 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유센서는 격자형센서(Fiber Bragg Grating) 인 것을 특징으로 하는 장거리 변위 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 로울러는 원주면을 따라 홈이 형성되어 있는 장거리 변위 측정장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 로울러의 홈의 상부 양단에는 수직으로 연장되는 두 개의 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 장거리 변위 측정장치.
5. 제3항에 있어서, 광섬유센서가 상기 로울러의 홈에 권취되어 감겨지는 것을 특징으로 하는 장거리 변위 측정장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 고정부는 측정을 원하는 지점에 부착 고정되는 고정지지부와, 상기 고정지지부로부터 수직으로 돌출되어 연장되는 수평지지부를 포함하여 구성되며, 로울러는 상기 수평지지부에 접하여 설치되는 장거리 변위 측정장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 수평지지부는 제1수평지지대와 제2수평지지대가 상기 로울러의 양쪽면에 접하도록 형성되어 있는 장거리 변위 측정장치.
8. 제6항에 있어서, 상기 수평지지부는 로울러의 홈 양단에 형성된 돌출부보다 높게 형성되는 장거리 변위 측정장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 로울러 중 어느 하나는 일정한 길이의 광섬유가 미리 감겨져 있고 이를 풀어 다른 로울러에 권취시키는 것을 특징으로 하는 장거리 변위 측정장치.
10. 제1항에 있어서, 광섬유의 미세휨(micro-bending)에 따른 광량의 변화를 감지하는 측정수단(optical power-meter)을 포함하는 장거리 변위 측정장치.