KR200358229Y1 - 장력 제어 가능한 광섬유 센서 장착용 지그 - Google Patents

Abstract

본 고안은 구조물에 장착시 상기 광섬유 센서에 작용하는 응력 조절을 용이하게 하는 광섬유 센서 장착용 지그에 관한 것이다. 본 고안은 광섬유 센서가 장착되는 축 방향 관통 중심공을 구비하며, 외주에는 나사산 및 길이 방향의 가이드홈이 구비되는 나사축, 상기 나사축과 미끄럼 운동 가능하게 결합하며, 상기 나사축의 가이드홈에 대응하여 상기 나사축의 회전을 방지하기 위해 직경 방향으로 관통하여 삽입되는 가이드축을 구비하는 슬리이브, 상기 나사축에 결합하며, 회전에 의해 상기 나사축을 병진 이동시키는 최소한 하나의 너트를 포함하는 광섬유 센서 장착용 지그를 제공한다. 본 고안에 따르면, 광섬유 센서에 가해지는 인장력을 정밀하게 제어할 수 있으며, 광섬유 센서에 원하는 정도의 인장 응력을 충분히 가할 수 있기 때문에 구조물의 압축 변형의 측정에 적합하다.

Description

장력 제어 가능한 광섬유 센서 장착용 지그{APPARATUS FOR ADJUSTING TENSILE STATE OF FIBER-OPTIC SENSOR}

본 고안은 구조물에 장착하여 구조물이 경험하는 응력을 측정하기 위한 광섬유 센서 장착용 지그에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물에 장착시 상기 광섬유 센서에 작용하는 장력 조절을 용이하게 하는 광섬유 센서 장착용 지그에 관한 것이다.

구조물의 운용 중에 구조물의 상태를 실시간으로 감지하여 구조물 상태의 이상 유무에 따라 적절하게 대처할 수 있는 기능이 구조물 자체에 부가되도록 하는 구조물을 일컬어 스마트 구조물이라고 한다. 구조물에 부여된 이러한 기능은 무엇보다 막대한 재산과 인명 피해가 발생하는 구조물의 파괴를 미연에 경고할 수 있고 구조물의 유지 및 보수에 따른 비용 절감 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

구조물이 겪게 되는 변형률을 지속적으로 감시하기 위한 종래의 수단으로는 스트레인 게이지가 주로 사용되고 있다. 그러나, 스트레인 게이지를 건물 내에 매립하는 경우 센서의 내구성 부족, 리드선과의 접촉 불량, 전자기적 잡음에 의한 방해 또는 간섭과 같은 문제가 발생하며, 센서 자체가 구조물에 결함을 유발할 수도 있다. 이와 같은 이유로 스트레인 게이지는 단기간의 구조물 감시에는 적합하나 장기적으로 구조물 내부의 결함이나 거동을 관측하기에는 부적합한 것으로 알려져 있다.

스트레인 게이지가 갖는 결점을 보완하기 위해 최근 광섬유 센서를 이용하여 구조물의 안전 진단을 수행하고자 하는 노력이 있어 왔다. 이러한 광섬유 센서로는 마이켈슨 간섭센서, 패브리 페로(Fabry-Perrot) 센서, 격자형 광섬유(Fiber Bragg Grating) 센서 등이 사용되고 있다.

이들 중 격자형 광섬유(Fiber Bragg Grating)는 통상의 게르마늄 등의 첨가된 광섬유 코어에 자외선과 같은 광을 조사하여 일정 간격 또는 소정 간격으로 굴절율 변화를 격자를 형성한 것으로, 센서부가 광섬유와 일체로 형성되므로, 다른 광섬유 센서와 달리 부가적인 구조가 필요 없으며 제조 방법이 간단하다는 측면에서 장점을 가지므로, 구조물의 안전 진단에 널리 사용되고 있다. 격자형 광섬유 센서로 구조물의 변형을 측정하는 원리는 다음과 같다.

상기 격자형 광섬유 센서는 격자 간격에 대응하는 소정 파장의 광을 반사하는 특성을 갖는다. 구조물의 변형이 발생하면, 구조물 내부 또는 표면에 장착 또는 매설된 격자형 광섬유 센서도 이에 따라 인장 또는 압축되며, 그 결과 센서에 새겨진 격자 간격이 변화한다. 격자 간격의 변화로 인해 반사되는 광의 파장도 변화하므로, 반사광의 파장을 모니터링하여 이로부터 구조물이 겪는 스트레인을 역산할 수 있다.

격자형 광섬유 센서에 의해 구조물의 변형 정도를 측정하기 위해서는 상기 격자형 광섬유 센서가 적절한 인장 상태로 유지되어야 한다. 특히 터널이나 교량의 교각과 같이 압축 응력이 작용하는 구조물에서 압축 변형을 측정하기 위해서는 장착된 광섬유 센서의 길이 방향의 수축 정도를 측정하는 것이므로, 최초 설치시 광섬유 센서에 매우 큰 인장력이 가해져야 한다.

도 1은 종래의 광섬유 센서 장착용 지그가 구조물(S)에 장착되는 모습을 도시하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 한 쌍의 "ㄱ" 자형 지지구조체(110)가 볼트(140)와 같은 고정 수단에 의해 구조물 표면(S)에 부착되어 있다. 상기 지지구조체(110)의 상단에는 광섬유 센서(f)를 삽입하기 위한 삽입 슬릿(도시하지 않음)을 구비하고 있다. 광섬유 센서(f)가 상기 삽입 슬릿에 삽입될 때, 상기 광섬유 센서(f)가 상기 한 쌍의 지지구조체(110) 사이에서 움직이지 않도록 상기 광섬유 센서 양단에는 한 쌍의 링형 고정 수단(130)이 구비되어 있다. 상기 지지구조체(110) 상단에는 장착된 광섬유 센서(f)가 상기 지지구조체(110)로부터 이탈하지 않도록 상기 삽입 슬릿을 덮는 덮개(150)가 구비되어 있다.

전술한 구조의 광섬유 장착용 지그에서는 구조물에 대한 지지구조체의 부착 위치를 조절함으로써 광섬유 센서에 인장력을 부여할 수 있다. 그러나, 실제적으로 광섬유 센서에 인장력을 가한 상태에서 상기 지지구조체를 구조물에 부착하는 작업은 매우 불편하며 원하는 정도의 인장력을 부여하기에 용이하지 않다. 더욱이, 구조물의 압축 변형 측정에 요구되는 정도의 충분한 인장력을 제공하기에는 전술한 지그 구조는 매우 부적합하다.

본 고안은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구조물에 장착 또는 매설되는 광섬유 센서의 가해지는 인장력의 크기를 정밀하게 제어할 수 있는 광섬유 센서 장착용 지그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 고안은 구조물의 압축 변형을 측정하기에 적합한 광섬유 센서 장착용 지그를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 광섬유 장착용 지그를 도시한 개략도이다.

도 2는 본 고안의 실시예에 따른 광섬유 장착용 지그의 분해 사시도이다.

도 3은 도 2의 광섬유 장착용 지그의 결합 사시도이다.

도 4a는 본 고안의 다른 실시예에 따른 광섬유 장착용 지그의 사시도이고, 도 4b는 도 4a의 지그를 구성하는 슬리이브를 따로 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부호에 대한 간략한 설명>

210 : 나사축 212 : 중심공

214 : 슬릿 216, 218 : 가이드홈

220 : 슬리이브 222 : 개방부

224, 228 : 가이드축 230 : 너트

f : 광섬유 센서

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 고안은 광섬유 센서가 장착되는 축 방향 관통 중심공을 구비하며, 외주에는 나사산 및 길이 방향의 가이드홈이 구비되는 나사축, 상기 나사축과 미끄럼 운동 가능하게 결합하며, 상기 나사축의 가이드홈에 대응하여 상기 나사축의 회전을 방지하기 위해 직경 방향으로 관통하여 삽입되는 가이드축을 구비하는 슬리이브, 상기 나사축에 결합하며, 회전에 의해 상기 나사축을 병진 이동시키는 최소한 하나의 너트를 포함하는 광섬유 센서 장착용 지그를 제공한다.

본 고안에서 상기 나사축은 상기 관통 중심공으로부터 직경 방향으로 연장되는 광섬유 센서 장착 슬릿을 더 포함하고, 상기 슬리이브는 상기 나사축의 상기 장착 슬릿에 대응하는 위치에 형성되는 축방향의 개공부를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 최소한 하나의 너트는 두 개의 너트로 구성될 수 있으며, 이 때 상기 너트 각각은 상기 슬리이브의 양단에서 상기 나사축과 결합한다. 이와 달리, 상기 너트는 하나의 너트로 구성될 수 있으며, 이 때 상기 슬리이브의 길이 방향 중간 지점에서 상기 나사축과 결합한다.

이하 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 고안을 상술한다. 이하 참조하는 도면에서 동일한 참조 번호는 동일 또는 유사한 구성 요소를 지칭한다.

도 2는 본 고안의 실시예에 따른 광섬유 센서 장착용 지그의 분해 사시도이며, 도 3은 도 2의 지그의 결합 상태의 사시도이다.

도 2를 참조하면, 상기 지그는 나사축(210), 상기 나사축(210)을 수용하는 슬리이브(220), 상기 나사축(210) 양측에서 상기 나사축(210)과 결합하는 너트(230)를 포함하여 구성된다.

상기 나사축(210)은 축방향으로 상기 나사축(210)을 관통하는 중심공(212)을 구비하고 있다. 상기 중심공(212)에는 광섬유 센서(f)가 관통 장착된다. 도시된 바와 같이, 상기 중심공(212)은 상기 나사축(210)의 직경 방향으로 나사축(210)의 외경까지 연장되어 슬릿(214)을 형성한다. 상기 슬릿(214)은 후술하는 바와 같이 광섬유 센서의 부착을 용이하게 하는 기능을 한다. 다만, 상기 슬릿(214)은 본 고안에서 광섬유 센서의 장착을 용이하게 하기 위한 보조적인 것이며, 반드시 필요한 것은 아니다.

상기 나사축(210)의 외주면에는 나사산이 형성되어 있으며, 또한 축방향으로 연장되는 가이드홈(216)이 형성되어 있다. 상기 가이드홈(216)은 바람직하게는 나사축(210)을 중심으로 상기 슬릿(214)에 대해 90ㅀ 각도로 형성되는 것이 바람직하다.

통상의 사용에 있어서 센서부를 포함하는 광섬유는 외부로 노출되지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 나사축(210)의 양단에는 광섬유를 외부 환경으로부터 보호하기 위한 튜브(도시하지 않음)와 같은 보호 수단이 결합되는 것이 보통이다. 이를 위해 본 고안의 지그에는 상기 나사축(210)의 양단에 튜브와의 결합을 용이하게 하기 위한 결합 구조(240, 250)가 부가적으로 구비될 수 있다. 도 2는 이러한 결합 구조의 일례로서, 본체에 비해 외경이 감소된 노즐 형 결합 구조(250) 또는 볼트/너트형 결합 구조(240)를 도시하고 있다.

상기 나사축(210)은 상기 슬리이브(220)에 삽입된다. 상기 슬리이브(220)의 내경은 상기 나사축(210)이 삽입 상태에서 회전 및/또는 미끄럼 운동 가능하도록상기 나사축(210)의 외경보다 약간 크다. 또한 도시된 바와 같이, 나사축(210)과 접하는 상기 슬리이브(220)는 축을 중심으로 소정 각도만큼 개방되어, 상기 나사축의 일부를 외부에 노출시키고 있다. 상기 개방부(222)는 전술한 나사축(210)의 슬릿(214)과 함께 광섬유의 부착을 용이하게 한다. 상기 개방부(222)의 전개각은 상기 슬리이브에 장착된 나사축이 탈리되지 않도록 적절한 각도, 바람직하게는 180ㅀ 이하의 각도를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 가이드축(224) 및 가이드홈(216)이 나사축(210)을 슬리이브(220)에 고정하는 기능도 수행하기 때문에 전개각이 180ㅀ 일 경우에도 상기 슬리이브(220)가 상기 나사축(210)을 안정적으로 수용하는데에는 문제가 없다. 다만, 상기 개방부(222)의 전개각은 후술하는 바와 같이 접착제의 투입이 용이할 정도이면 족하다.

구조물 등에의 고정을 용이하게 하기 위해 상기 슬리이브(220)에는 적절한 고정 기구가 형성된다. 상기 고정 기구는 도시된 바와 같이 나사형 체결 수단(226)일 수 있다.

상기 슬리이브(220)의 외주에는 가이드축(224)이 장착되어 있다. 상기 가이드축(224)은 상기 슬리이브(220)의 외주에 형성된 나사홈을 관통하여 상기 슬리이브(220)의 내경 안쪽으로 돌출되며, 돌출된 가이드축(224)은 상기 나사축(210)의 가이드홈(216)과 맞물린다.

상기 나사축(210)의 양단에는 한 쌍의 너트(230)가 결합된다. 상기 너트(230)는 상기 나사축(210)에 결합하여 상기 나사축(210)을 병진 이동시키며, 상기 나사축(210)에 원하는 장력이 가해진 후에는 상기 나사축(210)을 고정하는 역할을한다.

이하에서는 도 3을 참조하여, 본 고안의 지그의 동작을 설명한다.

삽입 상태에서 상기 나사축(210)의 슬릿(214)은 상기 슬리이브(220)의 개방부(222)를 통해 외부로 노출된다. 상기 가이드홈(216)은 상기 가이드축(210)의 돌출부와 맞물린다. 광섬유 센서(f)가 상기 나사축(210)의 중심공(212)을 통해 상기 나사축(210)을 관통하도록 삽입된 후, 광섬유 센서(f)의 끝단은 도 3의 지그에 대향하는 적절한 지지구조물(도시하지 않음)에 고정된다. 상기 지지구조물로는 도 2 및 도 3에서 설명한 것과 동일한 지그가 사용될 수도 있지만, 도 1과 관련하여 설명한 종래의 지그가 사용되어도 무방하다.

상기 나사축(210)의 중심공(212)에 장착된 광섬유 센서(f)는 적절한 접착제로 접착된다. 이 때, 상기 슬리이브(220)의 개방부(222) 및 상기 나사축(210)의 슬릿(214)에 의해 상기 중심공에 장착된 광섬유 센서는 외부에 노출되며, 접착제의 도포를 용이하게 한다. 접착된 광섬유 센서(f)에 가해지는 장력의 크기는 너트(230)의 조작에 의해 조절된다. 일측 너트, 예컨대 우측 너트를 느슨하게 하고 좌측 너트를 슬리이브(220)에 밀착한 상태에서 상기 좌측 너트를 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전시키면 상기 나사축(210)은 좌우로 병진 이동하며, 나사축(210)에 부착된 광섬유 센서(f)에 가해지는 장력이 변화한다. 물론, 그 역의 경우에도 마찬가지이다. 이 때, 상기 나사축(210)은 가이드홈(216)과 가이드축(224)의 맞물림 작용에 의해 회전하지 않게 되므로 광섬유 센서가 비틀리거나 꼬일 우려는 없다.

나사축(210)에 원하는 장력을 가한 후에는 우측 너트를 회전하여 상기 나사축(210)에 밀착함으로써, 상기 광섬유 센서(f)의 인장력은 일정하게 유지될 수 있다.

이와 같이 본 고안에서는 너트의 회전에 의해 광섬유 센서가 부착된 나사축의 이동 정도를 제어함으로써 광섬유 센서에 가해지는 장력을 정밀하게 조정할 수 있다. 따라서, 종래와 달리 장력의 크기를 정량적으로 제어할 수 있으며, 높은 장력 상태를 손쉽게 달성할 수 있다.

도 4a는 본 고안의 다른 실시예에 따른 광섬유 센서 장착용 지그를 도시한 사시도이다.

도 4a의 지그는 도 2 및 도 3과 관련하여 설명한 것과 달리 하나의 너트(230)를 통해 광섬유 센서의 장력을 조절한다. 도 4를 참조하면, 슬리이브(220)는 중간 지점에 너트(230)의 장착을 위한 장착 공간(236)을 구비하고 있다. 상기 장착 공간(226)의 폭은 상기 너트(230)의 폭과 실질적으로 동일하며, 상기 너트(230)의 회전을 방해하지 않을 정도의 공차를 부여하는 것이 바람직하다.

도 4b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 슬리이브(220)의 개방부(222)는 나사축(210) 및 너트(230)의 삽입을 용이하게 하기 위해 축 방향에서 볼 때 "U"자형 통로를 형성하도록 설계될 수 있다. 이 경우 상기 나사축(210)이 상기 슬리이브(220)로부터 탈리되지 않도록 나사축에는 추가의 가이드 홈(224)이 마련되고, 상기 슬리이브에는 추가의 가이드축(228)이 장착될 수 있다.

이와 같은 구조를 갖는 지그는 상기 슬리이브(220)의 중간 지점에 장착된 너트(230)의 회전에 의해 나사축(210)이 좌우로 병진 이동한다. 본 실시예에서는 너트(230)의 회전에 의해 나사축(210)의 이동 및 고정이 동시에 이루어지므로 광섬유 센서(f)에 인장력이 가해진 뒤 고정을 위해 별도로 너트(230)를 조작할 필요가 없다는 점에서 장점을 갖는다.

이상의 바람직한 실시예는 본 고안을 설명하기 위한 예시적인 것에 불과하며, 본 고안의 실시 형태가 전술한 실시예에 국한되는 것은 아니다. 전술한 본 고안의 기술적 사상의 범위내에서 본 고안이 속하는 기술 분야에서 당업자가 용이하게 변경 또는 대체할 수 있는 정도의 것은 본 고안의 권리 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

본 고안은 구조물에 광섬유 센서를 장착할 때, 센서에 가해지는 인장력을 정밀하게 제어할 수 있다. 이에 따라 광섬유 센서의 장착 작업을 단시간에 종료할 수 있다. 또한 본 고안은 광섬유 센서에 원하는 정도의 인장 응력을 충분히 가할 수 있기 때문에 구조물의 압축 변형의 측정에 적합하다.

Claims (4)

1. 광섬유 센서가 장착되는 축 방향 관통 중심공을 구비하며, 외주에는 나사산 및 길이 방향의 가이드홈이 구비되는 나사축;

   상기 나사축과 미끄럼 운동 가능하게 결합하며, 상기 나사축의 가이드홈에 대응하여 상기 나사축의 회전을 방지하기 위해 직경 방향으로 관통하여 삽입되는 가이드축을 구비하는 슬리이브;

   상기 나사축에 결합하며, 회전에 의해 상기 나사축을 병진 이동시키는 최소한 하나의 너트를 포함하는 광섬유 센서 장착용 지그.
2. 제1항에 있어서,

   상기 나사축은 상기 관통 중심공으로부터 직경 방향으로 연장되는 광섬유 센서 장착 슬릿을 더 포함하고,

   상기 슬리이브는 상기 나사축의 상기 장착 슬릿에 대응하는 위치에 형성되는 축방향의 개공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 장착용 지그.
3. 제1항에 있어서,

   상기 최소한 하나의 너트는 두 개의 너트이며, 상기 너트 각각은 상기 슬리이브의 양단에서 상기 나사축과 결합하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 장착용 지그.
4. 제1항에 있어서,

   상기 너트는 상기 슬리이브의 길이 방향 중간 지점에서 상기 나사축과 결합하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 장착용 지그.