KR200342960Y1 - 돌출부 미부착형 광섬유 센서용 지그 - Google Patents

Abstract

본 고안은 돌출부의 응력 계측을 위한 광섬유 센서용 지그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 돌출부와 접착하지 않고서 원하는 방향의 응력을 측정할 수 있도록 광섬유 센서를 지지하는 지그에 관한 것이다. 본 고안은 구조물(300)의 표면에 고정되는 베이스판(222)과 상기 베이스판(222)의 일단에서 상기 베이판(222)에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 연장되는 휠 지지판(224)을 포함하는 지지 부재(220)와, 상기 휠 지지판(224)에 회전 가능하게 장착되며, 원주 방향으로 광섬유 장착 가이드 홈(218)을 포함하는 휠(210)과, 상기 휠(210)의 회전을 제어하는 잠금 장치(215)를 제공한다. 본 고안의 지그는 원통형 돌출부의 직경 방향의 변위 및 인접한 두 돌출부의 상대적 변위와 같이 종래의 센서 부착형 광섬유 센서에 의해 측정 불가능한 변형이나 변위 성분을 측정 가능하게 한다.

Description

돌출부 미부착형 광섬유 센서용 지그{JIG FOR FIBEROPTIC SENSOR UNATTACHED TO A STRUCTURE}

본 고안은 돌출부의 응력 계측을 위한 광섬유 센서용 지그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 돌출부와 밀착하지 않고서 원하는 방향의 응력을 측정할 수 있도록 광섬유 센서를 지지하는 지그에 관한 것이다.

격자형 광섬유(Fiber Bragg Grating)는 광섬유에 일정 간격 또는 소정 간격으로 굴절율의 변화를 부여한 것으로서, 격자 간격에 의해 반사되는 반사광의 파장이 변화하는 특성을 갖는다.

이러한 특성을 이용함으로써, 외부 응력에 의해 격자 간격이 변화할 때 반사광의 파장변화를 모니터링하여 격자 간격의 변화, 즉 스트레인을 역산할 수 있으며, 이로부터 외부 응력을 알 수 있게 된다.

격자형 광섬유를 이용한 센서는 종래의 스트레인 게이지 등의 전자식 센서에 비해 노이즈에 의한 영향을 받을 우려가 없고, 정확도 및 신호 안정성이 뛰어나기 때문에 최근 스트레인 계측 시스템의 센서로 널리 이용되고 있다.

도 1은 종래의 격자형 광섬유를 포함하는 스트레인 계측 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 시스템은 격자형 광섬유 센서(110) 및 상기 광섬유 센서(110)에 광을 공급하고 상기 광섬유 센서(110)로부터 반사되는 광의 파장을 측정하기 위한 광검출 유닛(120)을 포함하여 구성된다. 도시된 바와 같이, 상기 시스템 중 상기 격자형 광섬유 센서(110)는 스트레인을 측정할 대상 돌출부(100)에 부착된다. 돌출부(100)에 발생하는 스트레인이 상기 센서에 제대로 전달되기 위해서 상기 센서(110)는 상기 돌출부(100)에 견고하게 접착되어야 하는데 이를 위해 적절한 접착제(130)가 사용된다. 이와 같은 센서 시스템에 의해 돌출부(100)에 발생하는 스트레인 중 센서의 길이 방향(화살표 방향)의 스트레인 성분을 측정할 수 있다.

이와 같이 종래의 격자형 광섬유 센서는 돌출부에 센서가 접착되는 것을 기본적인 구조로 한다. 그러나, 돌출부에 측정하고자 하는 스트레인의 성분에 따라 이러한 구조가 적용될 수 없는 경우가 발생한다.

교량과 같이 두 개의 교각 및 상기 교각 사이에 연결된 상판으로 구성된 돌출부를 예를 들어 이를 설명한다. 하중에 의해 상판에 발생하는 스트레인은 격자형 광섬유 센서를 상판의 하면에 접착하여 측정할 수 있다. 또한 교각에 작용하는 압축 응력 또는 그 스트레인은 교각에 축방향으로 센서를 장착함으로써 측정할 수 있다. 그러나, 하중에 의해 상기 교각 사이의 간격이 벌어지거나 좁아질 때 그 변위는 종래의 접착형 광섬유 센서에 의해서는 구할 수 없다.

한편, 원자력 발전소의 격납 건물의 경우 냉각재 유출 사고시의 고압 및 지진 하중에 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 이를 위해 원자로 격납 건물의 시공 후에는 구조적 안정성 및 기밀성을 입증하기 위해 구조적 건전성 시험이 필요하다. 이것은 격납 건물을 설계 압력의 115%에 해당하는 65.6 psig까지 가압 및 감압하면서 격납 돌출부의 가압시 반경 및 수직 방향으로의 변위와 콘크리트 벽의 균열 상태와 감압시의 변위값 및 회복률을 측정하여 돌출부의 탄성 거동을 확인하는 시험을 포함하고 있다. 종래에 격납 구조물의 반경 방향의 변위는 소위 익스텐소미터(extensometr)를 사용하여 수행되어 왔다. 그러나 익소텐소미터는 측정 정확도가 떨어지며 미소 변형의 측정에 적합하지 않으며, 데이터 로거(looger)까지의 길이가 길어 건물 내외의 전기 설비로부터 발생되는 전자기적 노이즈의 영향을 배제하기 어렵다는 문제점이 있다.

이 경우, 전송 손실이 낮고 측정 정밀도가 높은 광섬유 센서가 사용되기 적합하다. 그러나, 종래의 부착형 광섬유 센서로는 반경 방향의 변위를 측정하는 것은 불가능하다는 문제점이 있다.

이와 같이, 종래의 부착형 광섬유 센서는 서로 연관된 두 구조물 사이의 변위라든지 원통형 구조물의 직경 방향의 변위와 같이 특정 방향의 스트레인 또는 변위에 대한 측정이 불가능하다는 문제점을 가지고 있다.

본 고안은 광섬유 센서 자체를 부착하지 않고 구조물에 발생하는 스트레인이나 변위가 측정하여야 할 경우에 상기 광섬유 센서를 지지하여 이를 측정 가능하게 하는 지그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 격자형 광섬유를 포함하는 스트레인 계측 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2a 및 도 2b는 각각 본 고안의 실시예에 따른 광섬유 장착용 지그의 측면 분해도 및 정면도이다.

도 3은 도 2a 및 도 2b와 관련하여 설명한 본 고안의 지그를 사용하여 원통형 돌출부의 직경 방향의 변위를 측정하는 예를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

200, 200' : 광섬유 장착용 지그 210, 210' : 휠

212 : 휠 중심공 214, 214' : 리벳

215, 215' : 볼트 218, 218' : 광섬유 장착 가이드 홈

220 : 지지 부재 222 : 베이스판

224, 224' : 휠 지지판 226 : 휠 장착용 홈

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 고안은 구조물의 표면에 고정되는 베이스판과 상기 베이스판의 일단에서 상기 하판에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 연장되는 휠 지지판을 포함하는 지지 부재, 상기 휠 지지판에 회전 가능하게 장착되며, 원주 방향으로 광섬유 장착 가이드 홈을 포함하는 휠 및 상기 휠의 회전을 제어하는 잠금 장치를 포함하는 광섬유 센서 장착용 지그를 제공한다.

본 고안의 실시예에 따르면, 상기 휠은 중심공을 포함하고, 상기 휠 지지판은 상기 중심공에 대응하는 휠 장착용 홈을 포함하고, 상기 휠은 상기 중심공 및 상기 휠 장착용 홈을 통해 삽입된 회전축에 의해 회전 가능하게 장착될 수 있다. 또한, 상기 휠의 직경은 2mm 이상인 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 고안을 상술한다.

도 2a 및 도 2b는 각각 본 고안의 실시예에 따른 광섬유 장착용 지그의 측면 분해도 및 정면도이다.

도 2a를 참조하면, 본 고안의 지그는 휠(210)과 상기 휠(210)이 장착되는 지지 부재(220)를 포함하여 구성된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 지지 부재(220)는 분리된 두 개의 판(222, 224)이 서로 수직 관계에 있도록 각 단부가 볼트(225)와 같은 고정 수단에 의해 결합되어 있다. 물론 본 고안에서 상기 지지 부재(220)가 두 개의 분리된 판으로 구성되어야 하는 것은 아니며, "L"자형으로 절곡된 일체형 판을 사용하여 상기 지지 부재(220)를 구성할 수도 있다.

상기 지지 부재(220)에서 구조물의 표면에 부착되는 부분인 베이스판(222)에는 구조물에 견고히 장착하기 위해 복수의 나사홈(도시하지 않음)이 형성되어 있다. 상기 베이스판(222)은 상기 나사홈을 통해 볼트(도시하지 않음) 등의 고정 수단으로 구조물에 장착된다. 휠 지지판(224)은 상기 베이스판(222)의 단부에서 상기 베이스판(222)에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 연장되어 있다.

상기 휠 지지판(224)은 중앙 부근에 휠 장착용 홈(260)을 가지고 있다. 상기 휠 장착용 홈(260)은 후술하는 휠의 중심공(212)과 함께 리벳(214) 등의 수단으로상기 휠(210)을 상기 휠 지지판(224)에 장착하는 데 사용된다.

상기 휠(210)은 상기 휠 지지판(224)에 회전 가능하게 장착된다. 상기 휠(210)은 중심에 형성된 휠 중심공(212)을 중심으로 회전한다. 회전 운동은 휠(210)에 장착된 광섬유를 권선하여 인장 상태로 유지하기 위해 필요하다. 이를 위해 상기 휠 중심공(212)에는 리벳(214) 등의 관통 수단이 삽입되어 휠 지지판(224)에 고정된다. 상기 관통 수단(214)은 상기 휠의 회전축으로도 작용 한다.

또한, 상기 휠(210)에는 상기 중심공(212) 외에 상기 휠의 중심에서 약간 떨어진 임의의 지점에 또 다른 관통홈(도시되지 않음)을 구비하고 있다. 상기 관통홈은 상기 휠(210)의 회전 운동을 저지하는 역할을 한다. 이것은 휠(210)에 장착된 광섬유가 충분한 인장 상태에 이른 뒤, 휠(210)을 고정하여 광섬유의 인장 상태를 유지하기 위해 필요하다. 도시된 바와 같이, 이와 같은 휠(210)의 잠금 장치는 상기 관통홈과 상기 관통홈에 삽입되는 볼트(215) 등에 의해 구현될 수 있다. 그러나, 상기 관통홈과 볼트(215)로 구성되는 본 실시예의 잠금 장치는 간단한 구현예에 불과하며, 휠(210)의 회전 운동을 제어하는 어떠한 형태의 잠금 장치도 본 고안에 지그에 사용 가능하다.

상기 휠(210)은 일정한 두께를 갖는 원판 형태이다. 상기 휠(210)의 외주에는 광섬유 장착 가이드 홈(218)이 형성되어 있다. 상기 가이드 홈(218)은 광섬유를 권선하기 위한 사이트를 제공한다. 도시된 바와 같이, 상기 가이드 홈(218)은 광섬유의 안착을 위해 일정한 곡률을 가질 수 있다.

도시된 본 고안의 휠(210)은 원형이지만, 본 고안에서 상기 휠의 형상은 원형에 한정되지 않는다. 예컨대, 경우에 따라서는 타원형의 휠도 가능하다. 다만, 본 고안에서 상기 휠(210)의 외주선이 형성하는 곡률은 광섬유 센서의 전송 손실을 고려하여 설계되어야 한다. 예컨대, 통상의 광섬유 센서 시스템에서 광 전송 경로상에 광섬유가 갖는 곡률 반경이 2cm 이하일 경우 그 부분에서 매우 큰 광손실이 발생한다. 따라서, 본 고안에서 상기 휠의 외주선이 형성하는 최소 곡률 반경이 2cm 이상인 것이 바람직하다.

한편, 본 고안에서 상기 지그(200)를 구성하는 지지 부재(220) 및 휠(210)은 스테인레스 스틸과 같은 일정한 강성을 갖는 임의의 재질로 구성될 수 있다.

이상 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한 본 고안의 지그는 본 고안의 기술적 사상을 구현하는 예시적인 것에 불과하다. 예컨대, 전술한 지그(200)는 하나의 휠 지지판(224)을 구비하고 있지만, 당업자라면 한 쌍의 지지판 사이에 휠이 장착되는 경우도 본 고안의 기술적 범위에 속함을 알 수 있을 것이다. 또한, 전술한 본 고안의 실시예에서 상기 지지 부재의 고정판과 휠 지지판(224)이 각각 판형인 경우를 설명하였지만, 본 고안의 지그(200)를 고정하고 휠(210)을 지지하는 기능을 수행하는 임의의 형상도 사용 가능하다는 것 또한 알 수 있을 것이다.

도 3은 도 2a 및 도 2b와 관련하여 설명한 본 고안의 지그를 사용하여 원통형 구조물의 직경 방향의 변위를 측정하는 예를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 원통형 구조물(300)의 직경 방향으로 마주보는 내벽(310)에 각각 본 고안의 지그(200, 200')가 장착된다. 상기 휠(210, 210')의 회전에 의해 상기 지그(200, 200')의 광섬유 장착 가이드 홈(218, 218')을 따라 장착된 광섬유 센서(320)에는 적절한 인장력이 가해진다. 이 인장력은 광섬유 센서(320)의 강도와 광섬유 센서(320)로부터 측정 가능한 스트레인 범위 등을 고려하여 적절히 선택된다. 인장력을 부여하는 과정에서 상기 광섬유 센서(320)는 상기 휠의 가이드 홈(218, 218'))을 따라 수회 이상 권선될 수 있다. 그러나, 상기 휠(210)의 외주선이 이루는 최소 곡률 반경이 2cm이상인 한 광섬유 권선 횟수는 구조물의 변위를 측정하는 데 영향을 미치지 않는다. 상기 휠(210)에 원하는 인장력을 가한 뒤, 상기 휠(210)의 관통홈에 볼트(215)를 삽입하여 상기 휠(210)을 고정한다. 변위 측정시 발생 가능한 보다 큰 인장력에 의해 휠이 회전하는 것을 막기 위해, 상기 휠(210)과 상기 휠 지지판(224) 사이에 접착제를 주입하여 보다 견고히 고정할 수도 있다. 상기 광섬유 센서(320)의 일단에는 광섬유 센서(320)에 광신호를 공급하고 반사광의 파장을 검출하기 위한 통상의 광 검출 유닛(120)이 장착된다.

이와 같이, 광섬유 센서(320)가 장착된 구조물(300) 내부에 임의의 공기압을 가하면 상기 구조물(300)은 직경 방향(화살표 방향)으로 팽창한다. 이 때 장착된 광섬유 센서(320), 즉 격자형 광섬유 센서에도 인장 응력이 작용하여 상기 광섬유 센서(320)에 형성된 격자 간격이 변화한다. 격자 간격의 변화에 의해 반사 파장이 변화하며 상기 광 검출 유닛(120)은 그 변화량으로부터 구조물의 직경 방향의 변위를 계산할 수 있다. 상기 광 검출 유닛(120)과의 신호 경로상에 존재하지 않는 광섬유 센서의 변형은 광손실에 영향을 미치지 않으므로 상기 광 검출 유닛 반대쪽 지그(200')의 사용은 필수적이지는 않다. 이를 대신하여 임의의 고정용 지그가 사용되어도 무방하다.

이상 도 3을 참조하여 구조물(300)에 직경 방향의 인장 응력이 발생하는 경우를 설명하였지만, 본 고안의 지그(200)는 압축 응력이 발생하는 경우에도 적용할 수 있다. 이 경우, 상기 광섬유 센서는 최대 압축 응력이 작용하였을 때에도 인장 상태에 있도록 초기에 충분한 인장력을 부여하여야 한다.

본 고안의 광섬유 장착용 지그는 원통형 구조물의 직경 방향의 변위 및 인접한 두 구조물의 상대적 변위와 같이 종래의 센서 부착형 광섬유 센서에 의해 측정 불가능한 변형이나 변위 성분을 측정 가능하게 하고, 구조물 건전성 감시용 센서로서의 광섬유 센서의 적용 범위를 확대한다.

특히, 본 고안의 지그는 원전 격납 구조물과 같이 안전성 테스트가 매우 중요한 경우에 종래의 계측 장치가 제공할 수 없는 정밀한 변위량을 측정 가능하게 하므로 보다 신뢰성 있는 구조물의 설계에 도움을 줄 수 있다.

Claims (3)

1. 구조물(300)의 표면에 고정되는 베이스판(222)과 상기 베이스판(222)의 일단에서 상기 베이판(222)에 대해 실질적으로 수직인 방향으로 연장되는 휠 지지판(224)을 포함하는 지지 부재(220);

   상기 휠 지지판(224)에 회전 가능하게 장착되며, 원주 방향으로 광섬유 장착 가이드 홈(218)을 포함하는 휠(210); 및

   상기 휠(210)의 회전을 제어하는 잠금 장치(215)를 포함하는 광섬유 센서 장착용 지그.
2. 제1항에 있어서,

   상기 휠(210)은 중심공(212)을 포함하고,

   상기 휠 지지판(224)은 상기 중심공(212)에 대응하는 휠 장착용 홈(260)을 포함하고,

   상기 휠(210)은 상기 중심공(212) 및 상기 휠 장착용 홈(260)을 통해 삽입된 회전축(214)에 의해 회전 가능하게 장착되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 장착용 지그.
3. 제1항에 있어서,

   상기 휠(210)의 직경은 2mm 이상인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 장착용지그.