KR20070013734A - 광섬유 기반의 가속도계/경사계 - Google Patents

광섬유 기반의 가속도계/경사계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조물에 가해진 외력에 의해 광섬유 센서에 발생한 변형에 의해 구조물의 가속도 및 경사를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 일단이 건축 구조물에 고정되며 타단에 관성 질량을 포함하고, 최소한 1 개의 광섬유 장착면을 구비하며, 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향으로 휨 변형 가능한 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 상기 최소한 1 개의 광섬유 장착면에 장착되는 최소한 1개 이상의 FBG 센서; 및 상기 FBG 센서의 최소한 1단에 결합하며, 외력에 의한 상기 건축 구조물 운동에 따라 상기 FBG 센서에 발생하는 변형으로부터 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향의 가속도 또는 경사를 측정하는 광 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 가속도/경사계를 제공한다. 본 발명에 따르면, 내구성이 뛰어나고 노이즈의 영향을 배제할 수 있으며 구조가 간단한 광섬유 기반의 가속도계/경사계를 제공할 수 있으며, 교량 등 건축 구조물과 같이 광섬유 기반 계측 시스템이 적용되는 분야에서 별도의 계측기를 설치할 필요없이 손쉽게 적용할 수 있다.
광섬유 센서, 가속도계, 관성 질량, 캔틸레버

Description

광섬유 기반의 가속도계/경사계{ACCELERATION AND INCLINATION MEASUREMENT SYSTEM BASED ON FIBER BRAGG GRATINGS}
도 1은 종래의 압전형 가속도계/경사계를 개념적으로 도시하는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 1축 광섬유 가속도계를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2b는 도 2의 실시예에서 광섬유 센서를 배치하는 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 가속도계를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3b는 도 3의 A-A' 방향의 절단면을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 도 3a의 실시예에서 광섬유 센서를 배치하는 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
<도면의 부호에 대한 간략한 설명>
10 : 피측정물 22 : 압전 센서
24 : 관성 질량 30 : 가속도 계측기
110 : 캔틸레버 120A, 120B : FBG 센서
122 : 광섬유 130 : 피측정물
140 : 가속도 계측기 210, 310 : 가요성 빔
220A, 220B, 220C, 220D : FBG 센서
320A, 320B, 320C, 320D : FBG 센서
본 발명은 구조물에 가해진 외력에 의해 발생하는 가속도 및 경사도를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물에 가해진 외력에 의해 광섬유 센서에 발생한 변형에 의해 구조물의 가속도 및 경사를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.
구조물에 장착하여 구조물의 가속도 및 경사 정도를 측정하기 위한 센서로는 주로 압전형 센서가 사용되고 있다.
도 1은 종래의 압전형 가속도계를 개념적으로 도시하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 압전형 가속도계는 관성 질량 및 압전 센서를 포함하여 구성된다. 상기 압전 센서는 압전체 및 상기 압전체 양단의 금속 전극을 포함하여 구성된다. 상기 압전 센서는 피측정물에 부착되어 있다. 상기 압전체는 박막 형태로 구현될 수 있다.
관성 질량은 가속도계가 일정 속도로 운동하는 동안에는 중립 위치를 유지한다. 가속도계의 운동 속도가 변하면, 피측정물에 장착된 관성 질량은 자체 관성 때문에 가속도계의 운동을 방해하며 압전 센서에 추가의 힘을 가하게 된다. 이 힘에 의해 압전 센서에는 전기적 신호가 발생하며 발생된 신호는 계측기로 전달되어, 계측기는 이 신호로부터 가해진 힘과 가속도를 계산한다.
이와 같이, 종래의 가속도계는 압전 센서에서 발생하는 전기적 신호로부터 가속도를 계산하고 있다. 그러나, 이와 같은 전자식 가속도계는 압전 센서 자체의 내구성이 충분치 못하고, 교량이나 건축 구조물과 같이 측정 지점이 많고 센서마다 계측용 동선이 구비되어야 하므로 구조물 자체에 영향을 줄 수 있다. 또한, 종래의 가속도계는 전기적 신호의 간섭 가능성이 상존하며, 노이즈의 영향으로 정확한 가속도의 측정이 곤란하다는 문제점을 갖고 있다.
이에 대해, 광섬유 센서는 내구성이 뛰어날 뿐만 아니라, 계측 지점의 개수에 영향을 받지 않고 신호의 노이즈 영향도 없기 때문에 최근 교량 등의 구조물의 안전 진단에 널리 사용되고 있다. 이와 같은 광섬유 기반의 변위 센서 및 변형률 센서는 종래의 스트레인 게이지를 점차 대체하고 있다. 이와 같이 광섬유 센서가 부착될 구조물의 가속도 및 경사도의 측정을 위해 종래의 전자식 가속도계를 도입하는 것은 계측기의 중복 투자로 이어지며, 비용 측면에서도 메우 비효율적이다.
따라서, 교량 등 건축 구조물이 받는 힘 또는 가속도를 측정할 수 있는 광섬유 센서를 이용한 가속도계는 종래의 광섬유 기반의 건축 구조물 안전 진단 시스템에 별도의 계측기를 구비함이 없이 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내구성이 뛰어나고 노이즈의 영향을 배제할 수 있는 광섬유 기반의 가속도계/경사계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 교량 등 건축 구조물의 안전 진단에 있어서, 광섬유 센서 기반의 계측기에 부합될 수 있는 광섬유 기반의 가속도계/경사계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 일단이 건축 구조물에 고정되며 타단에 관성 질량을 포함하고, 최소한 1 개의 광섬유 장착면을 구비하며, 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향으로 휨 변형 가능한 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 상기 최소한 1 개의 광섬유 장착면에 장착되는 최소한 1개 이상의 FBG 센서; 및 상기 FBG 센서의 최소한 1단에 결합하며, 외력에 의한 상기 건축 구조물 운동에 따라 상기 FBG 센서에 발생하는 변형으로부터 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향의 가속도 또는 경사를 측정하는 광 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 가속도/경사계를 제공한다.
본 발명에서 상기 캔틸레버는 2개의 광섬유 장착면을 구비하는 판형 캔틸레버이며, 상기 2개의 광섬유 장착면에는 각각 1개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 평행하도록 장착될 수 있다. 이와 달리, 상기 캔틸레버에는 상기 광섬유 장착면 중 어느 하나에 2 개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 교차되도록 장착될 수도 있다.
또한, 본 발명에서 상기 캔틸레버는 4개의 광섬유 장착면을 구비하고 4개의 장착면이 서로 직교하는 사각빔형 캔틸레버이며, 상기 4개의 광섬유 장착면에는 각각 1개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 평행하도록 장착되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이와 달리, 상기 광섬유 장착면 중 인접하는 2개의 광섬유 장착면에는 각각 1 쌍의 FBG 센서가 서로 교차하도록 장착되는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이 때, 상기 광섬유 장착면은 상기 캔틸레버의 내부에 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명은 구조물에 최소한 일부가 매립되어 설치되고, 최소한 1 개의 광섬유 장착면을 구비하며, 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향으로 휨 변형 가능한 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 상기 최소한 1 개의 광섬유 장착면에 장착되는 최소한 1개 이상의 FBG 센서; 및 상기 FBG 센서의 최소한 1단에 결합하며, 외력에 의한 상기 건축 구조물 운동에 따라 상기 FBG 센서에 발생하는 변형으로부터 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향의 경사를 측정하는 광 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 경사계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.
도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 1축 광섬유 가속도계를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 2a를 참조하면, 광섬유 가속도계는 일측이 구조물에 부착되는 가요성 캔틸레버(110), 상기 가요성 캔틸레버(110)의 타측에 부착된 관성 질량(130) 및 상기 가요성 캔틸레버(110)의 표면에 부착되어 광 검출기로 연장되는 광섬유 센서(120A, 120B)를 구비하고 있다.
상기 광섬유 센서(120A, 120B)는 캔틸레버(110) 부착 부위에 브랙 그레이팅 격자가 형성된 광섬유 브랙 그레이팅(Fiber Bragg Grating; FBG) 센서이다. 상기 FBG 센서(120A, 120B)는 격자 간격에 따른 브래그 조건을 만족하는 일정폭을 갖는 파장만을 반사하고 그 외의 파장은 그대로 투과시킨다. 상기 FBG 센서(120A, 120B)는 적절한 접착제에 의해 상기 캔틸레버(110)에 부착된다.
상기 광섬유 센서는 광섬유(122)에 의해 광 계측기로 연결된다. 상기 광 계측기(140)는 광원, 수광부 및 연산 수단을 포함하여 구성된다.
본 발명에서 상기 캔틸레버(110)는 탄성을 갖는 강성 재질 바람직하게는 금속으로 구성되는 것이 좋다. 상기 캔틸레버(110)의 두께는 외력이 가해질 때 변형 정도에 영향을 미치므로, 측정하고자 하는 가속도 범위 및 재질의 변형률 등을 고려하여 적합한 범위로 설정될 수 있다.
상기 관성 질량으로 사용 가능한 재질에는 특별한 제한이 없으며, 그 무게는 측정하고자 하는 가속도 범위 및 캔틸레버의 변형 특성 등 기계적 특성을 고려하여 적절히 선정될 수 있다.
이하에서는 도 2a를 참조하여, 본 발명의 광섬유 기반 가속도계의 동작을 설명한다.
구조물의 가속도 운동(참조부호 ↔로 표현)이 발생하면, 상기 관성 질량은 상기 가속도계의 운동을 방해한다. 이에 따라, 상기 관성 질량은 상기 가요성 캔틸레버를 가속도 방향의 반대 방향으로 구부리게 한다. 이에 따라 상기 캔틸레버의 양측 장착면에는 각각 압축 및 인장 변형이 발생하며 이 변형은 장착면에 견고히 결합되어 있는 FBG 센서의 변형을 발생한다. 이에 따라 FBG 센서에는 압축 또는 인장 변형이 발생한다. FBG 센서에 발생한 압축/인장 변형은 격자 간격을 변화시키며 이에 따라 FBG 격자에 의해 반사되는 반사광의 파장이 변화한다.
광 계측기는 상기 광섬유 센서로 광을 입사하고, 상기 FBG 센서를 투과한 광 또는 FBG 센서로부터 반사된 광으로부터 반사광의 파장을 측정한다. 파장의 측정을 위해 상기 광계측기 내부에는 FP 필터, 포토 다이오드와 같은 수광부가 구비된다. 또한, 상기 광 계측기는 반사광의 파장을 계산하고 이로부터 상기 FBG 센서의 변형율을 계산하는 연산 수단을 구비한다. 또한, 상기 연산 수단은 계산된 변형율로부터 가속도를 계산한다. 이것은 단위 시간당 변형율의 변화로부터 구해질 수 있으며, 상기 연산 수단은 상기 단위 시간당 변형율의 변화에 대응하는 가속도 값이 사전 매핑된 데이터로부터 가속도를 계산하는 것이 바람직하다. 또한, 도 2a의 가속도계는 구조물에 발생한 경사를 측정하는 데에도 사용될 수 있다. 구조물의 경사는 변형율로부터 직접 구해질 수 있다.
도 2a를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에서 구조물이 경험하는 가속도나 구조물에 발생한 경사를 측정하는 데 있어서 상기 캔틸레버에 부착되는 광섬유 센서는 1개만이 사용될 수도 있다. 그러나, 도 2a와 같이 두 개의 광섬유 센서를 장착하여 가속도를 측정하는 경우, 주변 온도 등의 환경 요인의 변화에 따른 광섬유 센서의 특성 변화를 고려하여 실제 데이터를 보상할 수 있게 된다. 이상과 같은 한 쌍의 광섬유 센서를 사용함으로써 얻을 수 있는 장점은 후술하는 실시예에도 똑 같이 적용된다.
도 2b는 도 2a의 실시예에서 광섬유 센서를 배치하는 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 2b를 참조하면, 도 2a와 달리 상기 한 쌍의 광섬유 센서(120A, 120B)는 캔틸레버(110)의 일면에 장착되어 있으며, 또한 서로 교차하도록 장착되어 있다. 이와 같은 배치에 의해서도 도 2a에서 설명한 것과 실질적으로 동일한 방식으로 광섬유의 변형률로부터 구조물에 작용하는 가속도 및 구조물의 경사를 계산할 수 있게 된다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 가속도계를 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3a를 참조하면, 광섬유 가속도계는 일측이 구조물에 부착되는 빔 형태의 가요성 캔틸레버(210), 상기 가요성 캔틸레버(210)의 타측에 부착된 관성 질량(230) 및 상기 가요성 캔틸레버(210)의 표면에 부착되어 광 검출기로 연장되는 광섬유 센서(220A, 220B, 220C, 220D)를 구비하고 있다.
상기 캔틸레버(210)는 4각 기둥 형상으로 측면에 4개의 장착면을 구비하고 있다. 대향하는 서로 평행한 장착면에는 한 쌍의 광섬유 센서(220A/220B 및 220C/220D)가 장착되어 있다. 도 3b는 도 3의 A-A' 방향의 절단면을 개략적으로 도시하는 도면으로, 빔형 캔틸레버(210)의 4개의 장착면에 각각 광섬유 센서(220A, 220B, 220C, 220D)가 부착된 모습을 보여주고 있다.
도 2a와 관련하여 설명한 바와 같이, 상기 광섬유 센서(220A, 220B, 220C, 220D)는 캔틸레버(110) 부착 부위에 브랙 그레이팅 격자가 형성된 광섬유 브랙 그레이팅(Fiber Bragg Grating; FBG) 센서이며, 광섬유(222)에 의해 광원, 수광부 및 연산 수단을 포함하는 광 계측기(도시하지 않음)로 연결된다.
본 실시예에서는 두 쌍의 광섬유 센서가 사용되고 있다. 대향 배치된 한 쌍의 광섬유 센서는 각각 1축 방향의 가속도 및 경사를 측정할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 광섬유 장착면이 서로 직각을 이루고 있기 때문에 2축 방향의 가속도 및 경사의 측정이 가능하게 된다.
.도 4는 도 3a의 실시예에서 광섬유 센서를 배치하는 다른 실시예를 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 빔형 캔틸레버(310)는 내부에 4개의 장착면을 갖도록 중공이 형성되어 있으며, 내부 장착면은 서로 수직을 이루고 있다. 내부 장착면에는 각각 하나의 광섬유 센서(320A, 320B, 320C, 320D)가 장착되어 있다. 이들 광섬유 센서는 대향하는 두 개의 광섬유 센서가 쌍을 이루어 1축 방향의 가속도 및 경사를 측정할 수 있다. 본 실시예의 가속도계는 내부 장착면에 광섬유 센서가 장착된다는 점을 제외하고는 도 3a와 대동 소이하다. 도 4에서는 캔틸레버의 내부면이 서로 직각을 이루도록 형성되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 한 쌍의 광섬유 센서가 서로 대향하도록 장착 가능한 다른 형태의 내부면이 사용될 수도 있다. 예컨대, 상기 캔틸레버의 내부면은 원기둥 형태로 제공될 수도 있다.
도 3a, 도 3b 및 도 4와 관련하여 설명한 본 발명의 실시예에서 1축 방향의 가속도 및 경사를 측정하기 위한 광섬유 센서가 대향면에 장착된 것으로 도시 및 설명하였지만, 앞서 도 2b의 경우와 마찬가지로 한 쌍의 광섬유 센서는 하나의 장착면에 서로 교차하도록 장착될 수 있다. 이 때, 한 쌍의 광섬유 센서는 각각 서로 직교하는 인접 장착면에 장착되어야 한다.
전술한 본 발명의 가속도계/경사계에는 관성 질량이 부착된 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 시스템이 경사계로 사용될 경우에는 관성 질량이 반드시 부가되어야 하는 것은 아니다. 예컨대 상기 시스템이 구조물에 매립되어 사용되는 경우에는 관성 질량이 부가되지 않고도 구조물의 경사 측정이 가능하다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 정도의 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따르면, 내구성이 뛰어나고 노이즈의 영향을 배제할 수 있으며 구조가 간단한 광섬유 기반의 가속도계/경사계를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 교량 등 건축 구조물과 같이 광섬유 기반 계측 시스템이 적용되는 분야에서 기존의 계측기에 부합될 수 있어, 별도의 계측기를 설치할 필요없이 손쉽게 적용할 수 있다.

Claims (7)

  1. 일단이 건축 구조물에 고정되며 타단에 관성 질량을 포함하고, 최소한 1 개의 광섬유 장착면을 구비하며, 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향으로 휨 변형 가능한 캔틸레버;
    상기 캔틸레버의 상기 최소한 1 개의 광섬유 장착면에 장착되는 최소한 1개 이상의 FBG 센서; 및
    상기 FBG 센서의 최소한 1단에 결합하며, 외력에 의한 상기 건축 구조물 운동에 따라 상기 FBG 센서에 발생하는 변형으로부터 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향의 가속도 또는 경사를 측정하는 광 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 가속도/경사계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 2개의 광섬유 장착면을 구비하는 판형 캔틸레버이며,
    상기 2개의 광섬유 장착면에는 각각 1개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 평행하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 가속도/경사계.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 2개의 광섬유 장착면을 구비하는 판형 캔틸레버이며,
    상기 광섬유 장착면 중 어느 하나에 2 개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 교차되도록 장착되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 가속도/경사계.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 4개의 광섬유 장착면을 구비하고 4개의 장착면이 서로 직교하는 사각빔형 캔틸레버이며,
    상기 4개의 광섬유 장착면에는 각각 1개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 평행하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 가속도/경사계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 캔틸레버는 4개의 광섬유 장착면을 구비하고 4개의 장착면이 서로 직교하는 사각빔형 캔틸레버이며,
    상기 광섬유 장착면 중 인접하는 2개의 광섬유 장착면에는 각각 1 쌍의 FBG 센서가 장착되며, 상기 1 쌍의 FBG 센서는 각각의 장착면에서 서로 교차하도록 장착되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 가속도/경사계.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광섬유 장착면은 상기 캔틸레버의 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 기반 가속도/경사계.
  7. 최소한 일부가 구조물에 매립되어 설치되고, 최소한 1 개의 광섬유 장착면을 구비하며, 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향으로 휨 변형 가능한 캔틸레버;
    상기 캔틸레버의 상기 최소한 1 개의 광섬유 장착면에 장착되는 최소한 1개 이상의 FBG 센서; 및
    상기 FBG 센서의 최소한 1단에 결합하며, 외력에 의한 상기 건축 구조물 운동에 따라 상기 FBG 센서에 발생하는 변형으로부터 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향의 경사를 측정하는 광 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 경사계.
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