KR20050062796A - 구조물의 처짐 측정 방법 - Google Patents

구조물의 처짐 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템을 이용한 구조물의 처짐 측정 방법에 관한 것으로, 본 발명은, 광원으로부터 생성되는 펄스광을 브릴루앙 주파수를 중심으로 변화시키면서 상기 구조물의 측정 구간을 따라 배치된 상기 광섬유에 공급하는 단계와, 상기 광섬유로부터 발생되는 브릴루앙 산란광을 수광하는 단계와, 상기 브릴루앙 산란광을 주파수 영역에서 처리하여 상기 구조물의 변형에 대한 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 측정하는 단계와, 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 이용하여 상기 광섬유에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률을 계산하는 단계와, 상기 계산된 구조물의 변형률과 상기 구조물의 실제 측정 길이인 양 끝단의 위치를 보정하면서 상기 구조물의 임의 위치에서 상기 구조물의 처짐 정도를 계산하는 단계를 포함한다.

Description

브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법{METHOD OF MEASUREMENT FOR SINKING OF STRUCTURE USING SENSOR SYSTEM OF BRILLOUIN TIME DOMAIN ANALYSIS}
본 발명은 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용하여 구조물의 변형을 측정하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구조물에 대한 측정 위치의 보정을 통하여 구조물의 정확한 처짐 정도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
동적인 변형이 연속적으로 가해지는 교량, 건축물 및 기계설비 등의 대형 구조물의 안전을 감시할 때에는 실시간 혹은 일정 시간 간격으로 구조물의 연속적인 거동을 확인하는 작업이 요구된다. 일반적으로 실제 구조물은 안전 관리자에 의해 정기적인 검사를 받게 되는데 이러한 방법은 관리자의 숙련도에 크게 의존되며 시각적인 검사의 경우 구조물의 보이지 않는 부분에 대해서는 검사의 한계가 있다. 비파괴 검사의 경우 또한 숙련된 작업자를 필요로 하며 검사 시간 및 비용에 대해서 효율적이지 못하다.
구조물의 안전 검사를 위한 다른 방법으로는 광섬유를 센서로서 이용하는 것으로, 광섬유를 구조물에 부착하여 구조물의 변형에 따른 광섬유의 물리적 변화를 검출하는 것이다. 통상적으로, 광섬유는 재질이 유리이므로 내부식성이 우수하며, 전자기파의 영향을 받지 않는다. 광섬유 센서는 간섭형, 파장형 및 산란형 센서 등이 있으며, 이 중 산란형 광섬유 센서는 다른 형태에 따라 구현하지 못하는 광섬유 내부를 진행하는 펄스광을 이용하여 광섬유 외부에서 작용하는 물리량에 따라 변화하는 광섬유 내부의 후방 산란광을 측정함으로써 광섬유 전체의 분포 물리량을 측정하는 것이 가능하다. 이러한 펄스광을 사용하면서 산란광을 측정하는 센서를 OTDR(Opticla Time Domain Reflectometry)센서라 하며 대부분의 산란형 광섬유 센서는 기본적으로 OTDR 기술을 사용한다. 이러한 산란형 광섬유 센서는 레일레이(Rayleigh) 산란형 광섬유 센서, 라만(Raman) 산란형 광섬유 센서 및 브릴루앙(Brillouin) 산란형 광섬유 센서 등 여러 종류가 있다. 이 중 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 외부에서 작용하는 변형률에 민감하게 반응하는 브릴루앙 주파수 천이 값을 갖는다. 즉, 외부에서 작용하는 변형률에 의해 브릴루앙 주파수 천이 값에 따라 후방 산란광의 크기가 바뀌게 된다. 따라서, 외부 물리량의 절대 변화는 브릴루앙 주파수 천이 값에 의해 알 수 있다.
구조물의 안전 감시에 광섬유 센서를 이용할 경우 센서망의 구성이 용이하며 구조물의 실시간 감시가 가능해 진다. 또한 광섬유 센서는 전자기파의 영향을 받지 않고 내부식성이 강하기 때문에 사용 환경의 제한을 적게 받는다. 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템은 다른 광섬유 센서에 비해 측정 영역이 넓기 때문에 대형 구조물의 안전감시에 적합하다.
예를 들어, 교량이나 건축 구조물에는 보(beam) 형태로 하중을 지지하는 구조가 많이 사용되는데, 보에 작용되는 자중 및 하중에 대한 처짐을 측정하여 손상을 확인할 수 있다. 한편, 압력 탱크의 경우는 내부 압력에 대한 탱크의 변형 정도를 감시하며 탱크에 이상이 발생할 경우 일정 압력에 대해 손상 전과 다르게 나타나는 변형을 관측한다.
구조물의 안전을 감시하는 방법으로 구조물의 거동 감시가 있을 수 있다. 이는 광섬유 센서에 의해 측정된 구조물의 변형률을 구조물의 변위로 변환하여, 자중이나 일정한 하중이 가해진 상태의 전체적인 거동을 연속적으로 감시, 비교를 수행하게 된다. 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 구조물에 설치한 후 먼저 기준이 되는 구조물의 거동을 측정한다. 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 적용한 이후에 발생하는 구조물의 손상은 구조물의 변형 거동을 변화시키기 때문에 기준 거동과 비교하면 손상의 위치 및 그 정도를 확인할 수 있게 된다. 균열과 같은 국부적인 손상은 브릴루앙 시간 영역 해석 센서의 거리 분해능(spatial resolution)에 비해 상당히 작은 영역에서 나타난다. 분포형 광섬유 센서의 특성 상 특정 위치에서의 측정값은 거리분해능 이내에서의 값들의 누적치로 표현되기 되기 때문에 균열과 같은 손상은 그 존재 및 정도를 정확하게 알아내는 것은 쉽지 않으나, 어떤 형태로든 거리 분해능 내에서 손상 발생 여부를 확인하는 것은 충분히 가능하다.
그러나 브릴루앙 시간 영역 해석 센서는 거리 분해능 구간의 변형률을 평균화한 측정값을 제시하기 때문에 급격하게 변화하는 변형률을 측정하기 어려우며, 특히 구조물의 측정 구간의 끝부분에서 오차를 유발하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광섬유 브릴루앙 산란형 센서에서 측정된 변형률 값을 구조물의 실제 측정 구간에서 측정된 값으로 보정함으로써 보다 정확한 구조물의 변형정도를 측정하여 구조물의 처짐을 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법은, 광원으로부터 생성되는 펄스광을 브릴루앙 주파수를 중심으로 변화시키면서 상기 구조물의 측정 구간을 따라 배치된 상기 광섬유에 공급하는 단계; 상기 광섬유로부터 발생되는 브릴루앙 산란광을 수광하는 단계; 상기 브릴루앙 산란광을 주파수 영역에서 처리하여 상기 구조물의 변형에 대한 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 측정하는 단계; 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 이용하여 상기 광섬유에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 구조물의 변형률과 상기 구조물의 실제 측정 길이인 양 끝단의 위치를 보정하면서 상기 구조물의 임의 위치(x)에서 상기 구조물의 처짐 정도를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명에서, 상기 브릴루앙 시간 영역 해석 센서에 의해 측정된 상기 구조물의 변형률은 하기 수학식 과 같이 정의되며,
여기서, εB는 상기 브릴루앙 시간 영역 해석 센서에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률이고, ΔxB는 거리 분해능이고, 와 는 상기 구조물의 양끝 단의 위치이고, εx0는 상기 구조물의 양 끝단 위치에서의 보정을 통한 상기 구조물에 분포된 실제 변형률이고, M(x)는 모멘트이고, E는 상기 구조물의 탄성계수이고, I는 상기 구조물의 비중이며, y는 상기 구조물의 중립축으로부터의 거리를 나타낸다.
본 발명에서, 상기 보정된 변형률과 보정된 위치는 아래의 수학식 과 같으며,
,
여기서, L은 상기 구조물의 측정 길이이며, x는 상기 구조물의 임의 위치이고, x'는 보정된 위치를 나타낸다.
본 발명에서 상기 구조물이 단순지지 보의 형태인 경우의 처짐 정도는 하기 수학식 과 같이 계산된다.
본 발명에서 상기 구조물이 외팔보 형태인 경우의 처짐 정도는 하기 수학식과 같이 계산되며,
여기서, L은 상기 구조물의 측정 길이이고, 상기 a 및 b는 상기 구조물의 측정 길이에 대하여 부하가 작용하는 점에 대한 임의 측정 길이를 각기 나타낸다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템(BOTDA : Brillouin Optical Time Domain Analysis)의 개략적인 블록 구성도를 도시한다. 도 1에 도시된 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템은 구조물(10), 예컨대, 교량, 건축물 및 기계설비 등에 에폭시 접착제(11)에 의해 부착된 광섬유(12)와, 펄스광을 발생하여 광섬유(12)에 펄스광을 공급하는 광원(14)과, 광섬유(12)를 통하여 전파되어 구조물(10)의 거동, 예컨대, 변형에 따라 광섬유(12)에서 발생하는 브릴루앙 산란광을 수광하는 신호 검출부(16)와, 신호 검출부(16)에 수광된 브릴루앙 산란광을 이용하여 구조물의 변형을 측정하는 계산하는 신호 처리부(18)를 구비한다.
광원(14)에 의해 발생된 펄스광은 브릴루앙 주파수를 중심으로 하여 주파수가 변화되면서 광섬유(12)에 공급된다. 이와 같은 광원(14)으로는 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 신호 검출부(16)는 광원(14)으로부터 공급된 펄스광에 의해 광섬유(12)로부터 발생되는 브릴루앙 산란광을 수광한다. 이러한 브릴루앙 산란광에는 구조물(10)의 거동, 예컨대, 구조물(10)의 처짐과 같은 변형 정보가 포함되어 있다. 신호 처리부(18)는 신호 검출부(16)에서 수광된 브릴루앙 산란광을 이용하여 구조물(10)의 변형정도를 측정하게 된다. 이러한 신호 처리부(18)는 마이크로프로세서 또는 마이크로프로세서에 의해 동작되는 변형률 측정 프로그램을 포함한다. 본 발명에서 펄스광의 폭은 30ns이고, 주파수는 1MHz 간격으로 스위핑되며, 신호 처리부(18)에서는 샘플링 주파수가 100 MHz로 설정된다.
신호 검출부(16)에서, 광섬유(12)에서 나타나는 구조물(10)의 변형률 변화에 따른 브릴루앙 주파수 변화는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
여기서, C는 구조물의 변형률 변화에 대한 브릴루앙 주파수 변화량의 비를 나타내는 변형률 계수이고, νB는 브릴루앙 주파수이고, ∂νB(ε)는 브릴루앙 주파수의 이동, 즉 변화량이며, ∂ε는 변형률의 변화량이다.
브릴루앙 산란광을 주파수 영역에서 처리하여 변화되는 브릴루앙 주파수를 측정한 후 수학식 1의 변형률 계수를 이용하면 구조물(10)의 거동에 따라 광섬유(12)가 받고 있는 변형률의 양이 계산될 수 있다. 이때, 구조물(10)의 측정량에 대한 위치 정보는 펄스광을 광섬유(12)에 입사시킨 후 브릴루앙 산란광이 감지되는 시간을 이용하여 측정하게 된다. 여기서, 펄스광의 폭이 광섬유(12)를 따라 진행하는 길이를 펄스 길이라 하면, 신호 검출부(16)에서 브릴루앙 산란광이 감지되는 시점에서는 펄스 길이의 1/2 만큼의 구간에 대한 구조물(10)의 측정량이 관찰될 수 있다. 이 측정 구간이 거리 분해능이 되며, 광섬유(12)의 거리 정보에서는 거리 분해능의 측정값이 수학식 2와 같이 거리 분해능 구간의 변형률을 평균화한 값으로 나타나게 된다.
여기서, εB는 측정되는 변형률이고, ΔxB는 거리 분해능이며, εx0는 구조물에 분포된 변형률이고, 와 는 구조물에 설치된 광섬유의 양끝단의 위치를 나타낸다.
수학식 2로부터 알 수 있는 바와 같이, 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 측정된 변형률은 거리 분해능 내에서의 평균값으로 표현되기 때문에 측정 영역의 끝부분에서는 차이가 발생하게 된다. 따라서, 광섬유(12)로부터 측정된 변형률은 거리 분해능(ΔxB)의 영역에서 평균한 값이므로, 측정값이 누적되는 실제 구간에 대한 평균값으로 보정하여야 한다. 예컨대, 도 2a에 도시된 3점 굽힘 보(beam)의 구조물(10)의 경우, 측정되는 위치 x가 0인 지점에서 측정 변형률(εB)은 0이 되어야 하지만, 0이 아닌 다른 측정값이 나타나게 된다. 따라서, 도 2b에 도시된 바와 같이 변형률과 위치를 보의 왼쪽과 오른쪽 끝단에서 보정하여야 한다. 왼쪽 끝단과 오른쪽 끝단에서 보정된 변형률과 위치는 각기 수학식 3 및 수학식 3으로 표현될 수 있다.
여기서, L은 측정영역의 거리이며, x는 보정이 수행되는 구간의 위치이고, x'는 보정된 위치이다.
이하에서는 구조물(10)의 양끝단에 대한 위치 보정에 근거하여 구조물(10)의 변형률을 측정하는 방법을 설명하기로 한다.
도 3은 도 1에 도시된 브릴루앙 광섬유 센서 시스템을 이용하여 구조물의 변형률을 측정하는 대상이 되는 단순지지 보 형태를 갖는 구조물을 도시한다.
도 3에 도시된 단순 지지보(30)의 경우 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 측정 대상인 보(30)의 임의 위치 x에서의 변형률은 전술한 수학식 2와 마찬가지로 아래와 같이 나타낼 수 있다.
여기서, εB는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 측정되는 보의 변형률이고, ΔxB는 거리 분해능이고, 와 는 보의 양끝단의 위치이고, εx0는 수학식 3과 수학식 4를 이용하여 보정된 것으로 보에 분포된 실제 변형률이고, M(x)는 모멘트이고, E는 보의 탄성계수이고, I는 보의 단면적의 관성 모멘트이며, y는 보의 중립축으로부터의 거리를 나타낸다.
수학식 5를 모멘트 M(x)에 의한 수학식으로 다시 정리하면 다음과 같다.
그 다음, 보(30)의 임의 위치 x에서의 보의 처짐 정도는 하기 수학식 7과 같이 계산된다.
수학식 6에 수학식 7을 대입하여 정리하면 하기 수학식 8과 같다.
따라서, 수학식 8에 의해 보(30)의 처짐 정도가 계산될 수 있다.
수학식 8을 이용하면, 보(30)의 어느 위치에서 보(30)의 처짐이 계산될 수 있다. 예를 들면, 보(30)에서 최대 처짐이 발생하는 부분이 보(30)의 중간부분, 즉 x=L/2 지점이라고 하면, 다음과 같이 계산될 수 있다.
그러나, 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 보(30)에 분포하는 변형률 값(42)이 실제로는 뾰족한 모양으로 나타나야 하는데 본 발명의 브릴루앙 광섬유 센서 시스템에 의해 측정된 값(44)은 공간상에서 평균화되기 때문에 중간부분이 둥그렇게 나타나 실제 값과의 오차가 생기게 된다.
정확한 최대변위는 변형률이 실제 값과 측정값이 일치하는 보(30)의 끝 면으로부터 L/4 지점까지의 변형률 측정값을 이용하여 구할 수 있다. 변형률이 잘 일치하는 부분(0≤x≤L/4)의 기울기를 이용하여 정확한 변형률을 추정해보면 하기 수학식 10을 유도할 수 있다.
수학식 9에 수학식 10의 값을 대입하면 아래와 같이 최대 처짐량을 구할 수 있다.
따라서, 최종적으로 브릴루앙 광섬유 센서 시스템을 이용하여 단순지지 보(30)의 끝단으로부터 L/4 지점까지의 변형률 기울기를 구한 후, 수학식 10을 대입한 수학식 9로부터 보(30)의 최대 처짐량을 구할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 브릴루앙 광섬유 센서 시스템을 이용하여 구조물의 변형률을 측정하는 대상이 되는 외팔보(cantilever) 형태를 갖는 구조물을 도시한다.
도 5에 도시된 외팔보(50)의 경우 브릴루앙 광섬유 센서 시스템에 의해 측정 대상인 보(50)의 임의 위치 x에서의 변형률은 전술한 수학식 5와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
그 다음, 보(50)의 임의 위치 x에서 처짐 정도는 하기 수학식 12와 같이 정의된다.
여기서, a와 b는 구조물의 측정 길이(L)에 대하여 집중하중(load)(P)이 작용하는 지점에 대한 임의 측정 길이를 각기 나타낸다.
이때, 임의 위치 x에서의 모멘트는 단순지지 보(30)의 경우에서와 마찬가지로 수학식 6을 수학식 12에 대입하면, 변형률과 처짐 정도의 관계식을 구할 수 있다.
따라서, 수학식 13에 의해 보(50)의 처짐 정도가 계산될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템을 이용한 구조물의 변형 측정 방법은 구조물의 실제 측정 구간에서 측정된 값으로 보정이 수행됨으로써 보다 정확한 구조물의 변형 정도를 측정하는 것이 가능하다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템의 개략적인 구성도.
도 2a는 본 발명의 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 구조물로서 3점 굽힘 보(beam)에 대하여 측정 변형률을 측정한 경우의 설명도.
도 2b는 본 발명에 따라 측정된 변형률과 위치를 보의 왼쪽과 오른쪽 끝단에서 보정하는 것을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명에 따라 단순지지 보 형태의 구조물의 처짐을 측정하는 방법을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 브릴루앙 시간 영역 해석 센서 시스템에 의해 측정된 값과 실제 값과의 오차를 예시하는 도면.
도 5는 본 발명에 따라 외팔보 형태의 구조물의 처짐을 측정하는 방법을 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10, 30, 50 : 구조물 12 : 광섬유 센서
14 : 신호 검출부 16 : 신호 처리부

Claims (7)

  1. 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법에 있어서,
    광원으로부터 생성되는 펄스광을 브릴루앙 주파수를 중심으로 변화시키면서 상기 구조물의 측정 구간을 따라 배치된 상기 광섬유에 공급하는 단계;
    상기 광섬유로부터 발생되는 브릴루앙 산란광을 수광하는 단계;
    상기 브릴루앙 산란광을 주파수 영역에서 처리하여 상기 구조물의 변형에 대한 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 측정하는 단계;
    상기 광섬유의 브릴루앙 주파수의 변화량을 이용하여 상기 광섬유에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률을 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 구조물의 변형률과 상기 구조물의 실제 측정 길이인 양 끝단의 위치를 보정하면서 상기 구조물의 임의 위치(x)에서 상기 구조물의 처짐 정도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조물은 단순 지지보 형태의 구조물인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조물은 외팔보 형태의 구조물인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.
  4. 제 2 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 브릴루앙 시간 영역 해석 센서에 의해 측정된 상기 구조물의 변형률은 하기 수학식과 같이 정의되며,
    여기서, εB는 상기 브릴루앙 시간 영역 해석 센서에 의해 측정되는 상기 구조물의 변형률이고, ΔxB는 거리 분해능이고, 와 는 상기 구조물의 양끝 단의 위치이고, εx0는 상기 구조물의 양 끝단 위치에서의 보정을 통한 상기 구조물에 분포된 실제 변형률이고, M(x)는 모멘트이고, E는 상기 구조물의 탄성계수이고, I는 상기 구조물의 단면적의 관성 모멘트이며, y는 상기 구조물의 중립축으로부터의 거리를 나타내는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 보정된 변형률과 보정된 위치는 아래의 수학식과 같으며,
    ,
    여기서, L은 상기 구조물의 측정 길이이며, x는 상기 구조물의 임의 위치이고, x'는 보정된 위치인 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 구조물의 처짐 정도는 하기 수학식
    과 같이 계산되는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 구조물의 처짐 정도는 하기 수학식과 같이 계산되며,
    ,
    여기서, M은 모멘트이고, E는 상기 구조물의 탄성계수이고, I는 상기 구조물의 단면적의 관성 모멘트이며, L은 상기 구조물의 측정 길이이고, 상기 a 및 b는 상기 구조물의 측정 길이에 대하여 집중하중(P)이 작용하는 지점에 대한 임의 측정 길이를 각기 나타내는 것을 특징으로 하는 브릴루앙 시간 영역 해석 센서를 이용한 구조물의 처짐 측정 방법.
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