KR20080025275A - 광섬유격자센서를 이용한 변위 계측장치 및 이를 이용한 계측방법 - Google Patents
광섬유격자센서를 이용한 변위 계측장치 및 이를 이용한 계측방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 교량이나, 터널의 내공변위 등 피측정대상물의 기울어짐 및 가속도 등을 정밀하게 측정하기 위한 광섬유격자(Fiber Bragg Grating; FBG)센서를 이용한 내공변위 계측장치 및 이를 이용한 계측방법에 관한 것으로, 피측정대상물에 설치되는 본체와; 상기 본체의 전면에 고정되게 설치된 고정체와; 상기 고정체와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 설치된 회전체와; 상기 고정체의 상부 외측면에 접착되고, 상기 회전체의 상부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 설치되고, 그 양단부에 광단자가 각기 설치된 광섬유와; 상기 고정체와 회전체 사이의 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와; 상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추로 구성된 계측장치를 기준값을 설정한 후 피측정대상물에 설치하고, 지반의 변동에 따른 변위량을 계산함으로써 각도 및 중력가속도의 변위값을 계측할 수 있다.
광섬유격자센서, 회전체, 고정체, 추, 변위, 측정
Description
도 1은 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 제 1실시예를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 제 2실시예를 나타낸 도면,
도 3은 상기 도 2의 작동예를 나타낸 좌측면도,
도 4는 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 외관을 나타낸 도면으로써, 수평계가 설치된 것을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 제 3실시예를 나타낸 도면,
도 6 및 도 7은 상기 도 5의 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 제 4실시예를 나타낸 도면,
도 9는 상기 도 8의 다른 실시예를 나타낸 도면,
도 10은 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10, 10a, 10b: 광섬유격자센서 11: 광섬유
12: 광섬유접착고정부 13: 광단자
20: 회전체 20a: 축
21: 고정체 21b: 회전방지볼트
30 : 자세유지장치 301 : 지지대
302 : 수평바 40: 추
41: 지지대 50: 변위조절부
50a : 조절볼트 50b : 바디
60: 본체 70: 수평계
본 발명은 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치 및 이를 이용한 계측방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정밀한 변형을 계측하는 광섬유격자센서를 사용하여 기울어짐이나 진동발생시 광섬유격자센서의 변형을 측정함으로써, 교량이나 터널의 내공변위 등 피측정대상물의 기울어짐과 중력가속도와 같은 내공변위를 측정할 수 있도록 한 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치 및 이를 이용한 계측방법에 관한 것이다.
일반적으로 지하철이 운행되는 터널은 지상에서 발생되는 충격 또는 지하철의 운행시 발생되는 진동 및 소음에 의해 변형이 발생될 우려가 있으므로, 주기적으로 터널의 내공변위를 측정하여야 할 필요가 있다.
즉, 터널의 내공변위 측정은 터널 내부 단면의 거동을 측정하여 터널의 안정성 여부를 판단하는 것이며, 주로 터널의 기울어짐이나 소음 진동에 의한 중력가속도 측정이 해당된다.
종래에는 전기 저항식 게이지를 사용하여 터널의 내공변위를 측정하였으나, 계측 정밀도가 떨어지고, 특히 지하철이 운행 중에는 전자기파의 영향으로 그 값을 신뢰할 수 없어 실시간 계측을 하지 못하고, 지하철의 운행이 종료된 후에나 측정이 가능하였다.
그러나, 터널의 내공 변위는 지하철의 운행 속도와 그 하중에 상당한 물리적 영향을 받는다는 사실을 상기할 때 지하철이 운행중일 때 계측을 못한다는 것은 매우 큰 문제점이 아닐 수 없다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 지하철 터널에 설치되며, 지하철의 운행에도 상관없이 언제라도 상시 계측이 가능하도록 전자기파의 영향을 전혀 받지 않도록 함으로써 보다 정밀한 계측이 가능한 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치 및 이를 이용한 계측방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적은, 피측정대상물에 설치되는 본체와; 상기 본체의 전면에 설치되며, 본체의 기울기에 연동하여 회전되는 자세유지장치와; 상기 자세유지장치의 일측에 고정되게 설치된 고정체와; 상기 고정체와 이격되며, 상기 자세유지장치의 타측에 베어링 결합에 의해 회전가능하게 설치된 회전체와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 접착 설치된 광섬유와; 상기 고정체와 회전체 사이의 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와; 상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추를 포함하여 이루어지며, 피측정대상물에 설치되어 변형에 의한 각도의 변형값을 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치에 의해 달성될 수 있다.
또한, 상기한 본 발명의 목적은, 피측정대상물에 설치되는 본체와; 상기 본체의 전면에 고정되게 설치된 고정체와; 상기 고정체와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체 내에 설치된 회전체와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면과 하부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 연결된 상,하부 광섬유와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 설치된 상부 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와; 상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추를 포함하여 이루어지며, 피측정대상물에 설치되어 변형에 의한 중력가속도의 변형값을 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치에 의해 달성될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적은, 피측정대상물에 설치되는 본체와; 상기 본체의 전면에 고정되게 설치된 고정체와; 상기 고정체와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체 내에 설치된 회전체와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 접착 연결되고, 그 양단부에 광단자가 각기 설치된 광섬유와; 상기 고정체와 회전체 사이의 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와; 상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추로 구성된 내공변위 계측장치를 이용한 계측방법에 있어서, 상기 광섬유격자센서의 파장변위량을 측정하여 이를 기준값으로 설정하는 1단계와; 상기 본체를 터널 벽면과 같은 피측정대상물에 설치하는 2단계와; 지반의 변동에 의해 피측정대상물의 기울어짐에 연동되어 추가 회전함으로써 광섬유격자센서의 인장 및 수축에 따른 파장변위값을 측정하는 3단계와; 상기 3단계에서 측정한 파장변위값을 수식에 대입하여 각도변위를 구하는 4단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법에 의해 달성될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적은, 피측정대상물에 설치되는 본체와; 상기 본체의 전면에 고정되게 설치된 고정체와; 상기 고정체와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체 내에 설치된 회전체와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면과 하부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 연결되고, 그 양단부에 광단자가 각기 설치된 상,하부 광섬유와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 설치된 상부 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와; 상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추로 구성된 내공변위 계측장치를 이용한 계측방법에 있어서, 상기 본체를 반시계방향으로 90°회전시켜 추의 회전에 의해 상부 광섬유가 수축되고 하부 광섬유가 인장되도록 하는 1단계와; 상기 1단계에서의 광섬유격자센서의 파장변위량을 측정하여 이를 중력가속도 1G의 기준값으로 설정하는 2단계와; 상기 본체를 시계방향으로 회전시켜 90°회전시켜 상기 1단계의 상태로 추가 원위치되도록 하는 3단계와; 상기 본체를 터널 벽면과 같은 피측정대상물에 설치하는 4단계와; 지반의 변동에 의해 피측정대상물의 좌우방향 진동에 연동되어 추가 진동함으로써 광섬유격자센서의 파장변위값을 측정하는 5단계와; 상기 5단계에서 측정한 파장변위값을 수식에 대입하여 추의 장력을 구한 후 그 변위량을 상기 3단계의 기준값과 비교하여 변화된 중력가속도를 구하는 6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법에 의해 달성될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 제1실시예를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 외관을 나타낸 도면으로써, 수평계가 설치된 것을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치(A1)는, 터널 벽면과 같은 피측정대상물에 설치되어 변형에 의한 각도의 변형값을 측정하기 위한 것으로, 피측정대상물에 설치되는 본체(60)와; 상기 본체(60)의 전면에 고정되게 설치된 고정체(21)와; 상기 고정체(21)와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체(60) 내에 설치된 회전체(20)와; 상기 고정체(21)의 상부 외측면에 접착되고, 상기 회전체(20)의 상부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 설치되고, 그 양단부에 광단자(13)가 각기 설치된 광섬유(11)와; 상기 고정체(21)와 회전체(20) 사이의 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서(10)와; 상기 회전체(20)의 하부와 소정 길이의 지지대(301)에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추(40)를 포함하여 이루어진다.
본체(60)는 장방형의 판상이거나 내측에 수용부를 갖는 함체로 형성되며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 외측에 수평계(70) 및 수직계(80)가 설치된다.
고정체(21) 또는 회전체(20)는 원형의 휠을 사용함이 바람직하며, 회전체(20)는 본체(60)에 형성된 축(20a)과 베어링으로 결합됨으로써 마찰력을 최소화한다.
광섬유격자센서(10)는 파이버 브랙 그레이팅（Fiber Bragg Grating; FBG)이라고도 불리며, 광파이버의 코어부의 굴절율을 일정한 주기로 변화시킨 것으로서, 특정 파장(Bragg파장: 브랙 파장이라고 함)의 광 만을 선택적으로 반사한다.
또한, 이러한 광섬유격자센서(10)는 고유한 파장 값을 가지며, 전자기파의 영향을 거의 받지 않는 등 물리적인 특성이 매우 우수한 것으로 알려져 있다.
대체로 이러한 광섬유격자센서(10)는 단위면적당 인장력이 매우 높은 반면, 지름이 125㎛로 매우 작기 때문에 외부의 충격에 쉽게 파단될 수 있어 부착시에는 매우 섬세한 작업이 요구된다.
또한, 고정체(21)와 회전체(20)의 외주면을 연결하도록 광섬유격자센서(10)를 설치할 때에는 적당한 인장력을 갖도록 팽팽하게 당겨져 긴장된 상태로 설치함으로써 보다 정확한 값을 측정할 수 있도록 한다.
상기 추(40)의 양측에는 추(40)의 진폭을 제한하거나 운반시 파손을 방지하기 위해 추(40)의 움직임을 정지시키기 위한 변위조절기(50)가 설치된다.
상기 변위조절기(50)는 추(40)의 양측에 소정 거리로 이격 설치된 바디(50b)와, 상기 바디(50b)에 나사결합되며 끝단이 추(40)의 측면을 지지하도록 한 조절볼트(50a)로 구성된 것으로, 상기 조절볼트(50a)를 조이거나 풀어줌으로써 추(40)가 움직일 수 있는 공간을 제한할 수 있게 된다.
상기 변위조절기(50)는 후술될 본 발명의 제 2 내지 제 4실시예(A2∼A4)에도 모두 적용되는 것이며, 이하에서는 변위조절기(50)에 대한 반복 설명은 생략토록 한다.
따라서, 본체(60)가 부착되어 있는 피측정대상물이 기울게 되면, 본체(60)도 피측정대상물과 일체로 거동하여 기울어지게 되며, 추(40)는 지구의 중심을 향하기 때문에 본체(60)에 대해 역방향으로 회전하게 된다.
이때, 추(40)와 지지대(41)로 연결된 회전체(20)가 회전하게 되므로, 광섬유(11)를 인장시키거나 수축시키게 되고, 이때의 변위를 광섬유격자센서(10)가 감지하게 된다.
따라서, 본체(60)의 회전 각도에 비례하여 추(40)에 의해 발생되는 회전력의 크기가 비례적으로 변화하므로, 광섬유격자센서(10)에서 그 변위를 감지하여 각도로 환산할 수 있게 된다.
또한, 추(40)의 양 측면에 설치된 변위조절부(50)의 조절볼트(50a)를 조이거나 풀어줌으로써, 추(40)의 진폭을 제한한다.
따라서, 추(40)의 필요 이상의 변위발생을 미연에 방지함으로써 광섬유격자센서(10)의 내구성 저하를 방지하며, 이동시에는 조절볼트(50a)를 더욱 조여서 추(40)에 밀착시킴으로써 추(40)를 고정시킴에 따라 광섬유격자센서(10)의 파손을 방지한다.
상기 조절볼트(50a)는 본체(60)의 외부에서 사용자가 조작이 가능하도록 설치됨이 바람직하다.
한편, 본체(60)에 온도 보상용 광섬유격자센서(미도시)를 설치하여, 온도에 따른 본체(60) 변형을 감지하여, 측정값을 보정해 주면 좀더 정밀한 계측이 가능해 지며, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본체(60) 외부에 수평계(70) 또는 수직계(80)를 X축과 Y축에 설치함으로써 시공이 용이해질 수 있다.
첨부된 도 2는 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 제 2실시예를 나타낸 도면이고, 도 3은 상기 도 2의 작동예를 나타낸 좌측면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치(A2)는, 피측정대상물에 설치되어 변형에 의한 각도의 변형값을 측정하기 위한 것으로, 피측정대상물이 수직면이 아닌 경사면, 특히 상부가 전방으로 돌출된 형태의 경사일 경우 회전체의 정확한 동작이 가능해질 수 있도록 피측정대상물의 기울기에 대응하여 자연적으로 회전되어 회전체(20) 및 고정체(21)와 추(40)가 항상 지면에 대해 수직상태를 유지할 수 있도록 한 자세유지장치(30)가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 제 2실시예의 구성을 살펴보면, 피측정대상물에 설치되는 본체(60)와; 상기 본체(60)의 전면에 수평으로 이격 설치된 복수개의 지지대(301)와, 상기 복수개의 지지대(301)를 연결하되, 각 지지대(301)에 베어링으로 결합되어 회전가능하게 설치된 수평바(302)로 구성된 자세유지장치(30)와; 상기 수평바(302)의 내면 일측에 고정되게 설치된 고정체(21)와; 상기 고정체(21)와 이격되며, 상기 수평바(302)의 내면 타측에 베어링 결합에 의해 회전가능하게 설치된 회전체(20)와; 상기 고정체(21)의 상부 외측면에 접착되고, 상기 회전체(20)의 상부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 설치되고, 그 양단부에 광단자가 각기 설치된 광섬유(11)와; 상기 고정체(21)와 회전체(20) 사이의 광섬유(11) 상에 설치되는 광섬유격자센서(10)와; 상기 회전체(20)의 하부와 소정 길이의 지지대(301)에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추(40)로 구성된다.
상기 자세유지장치(30)는, 본체(60)의 전면에 수평으로 이격 설치된 복수개의 브라켓(301)과, 상기 복수개의 브라켓(301)을 연결하되, 각 지지대(301)에 베어링으로 결합되어 회전가능하게 설치된 수평바(302)로 구성된다.
따라서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 소정 각도(θ)로 기울어진 피측정대상물에 본체(60)를 설치할 경우, 상기 각도(θ)에 비례하여 상기 자세유지장치(30)의 수평바(302)가 회전함으로써 회전체(20) 및 고정체(21) 그리고 추(40)가 항상 지면에 대해 수직상태를 유지할 수 있어, 회전체(20)와 축(20a)이 편향됨을 방지할 수 있어 정확하게 동작을 보장할 수 있으므로 계측이 보다 정밀하게 이루어질 수 있다.
상기 본 발명의 제2실시예에 있어서도, 상기 추(40)의 양측에 전술한 변위조절기(50)가 설치되며, 이에 대한 반복 설명은 생략한다.
상기 본 발명의 제2실시예에 따르면, 하나의 수평바(30)의 내측면에 회전체(20)를 설치하고, 이 회전체(20)에 지지대(41)를 고정시키고, 추(40)를 부착한다.
그리고, 고정체(21)를 회전체와 일정거리를 이격하여 설치하고, 회전체와 고정체 외부에 광섬유격자센서(10)를 부착 고정한다.
이때, 고정체(21)를 회전시켜 광섬유격자센서(10)에 적당한 인장력을 가한 후 회전방지볼트(21b)를 체결함으로써 고정체(21)의 회전을 방지한다.
따라서, 본체(60)가 부착된 피측정대상물이 회전하면, 브라켓(301)과 베어링(30a)으로 결합된 수평바(30)도 피측정대상물과 일체거동을 하여 회전하게 되므로, 추(40)는 역방향으로 회전하게 된다.
이때, 지지대(41)와 연동하여 회전체(20)가 회전함으로써 광섬유격자센서(10)에 인장력을 가하여 광섬유격자센서(10)의 길이변화를 유도한다.
즉, 수평바(30)의 회전 각도에 비례하여 추(40)에 의해 발생되는 회전력의 크기가 비례적으로 변화하고, 광섬유격자센서(10)에서 그 장력을 감지하여 각도로 환산할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명의 제 2실시예에 따르면, 본체(60)에 설치된 브라켓(301)에 수평바(30)가 베어링 결합됨으로써, 기울기(θ)에 따라 회전하여 자동으로 각도 보정이 수행될 수 있어 정확한 각도측정을 가능하게 하고, 시공시 오차를 보정할 수 있다.
또한, 추(40)의 양 측면에 변위조절부(50)를 설치하여, 전술한 바와 같이 필요 이상의 변위발생으로 인한 광섬유격자센서(10)의 내구성 저하를 방지하며, 이동시에는 조절볼트(50a)를 조여 추(40)를 고정시킴으로써 충격에 의한 광섬유격자센서(10)의 파손을 방지한다.
전술한 본 발명의 제 1 및 제 2실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치를 이용한 계측방법을 설명하면 다음과 같다.
광섬유격자센서(10)의 파장변위량을 측정하여 이를 기준값으로 설정하는 1단계(S1)와; 본체(60)를 터널 벽면과 같은 피측정대상물에 설치하는 2단계(S2)와; 지반의 변동에 의해 피측정대상물의 기울어짐에 연동되어 추(40)가 회전함으로써 광섬유격자센서(10)의 인장 및 수축에 따른 파장변위값을 측정하는 3단계(S3)와; 상기 3단계(S3)에서 측정한 파장변위값을 수식에 대입하여 각도변위를 구하는 4단계(S4)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 4단계(S4)의 수식은,
y : 각도변위 x : 파장변위값
이며, 상기 [수식 1]을 통해 각도변위를 구하게 된다.
도 1을 참조하면, 상기 [수식 1]의 계수는 축(20a)의 중심부터 추(40)의 무게중심까지의 거리(L)과 축(20a)의 중심과 광섬유(11)의 접점까지의 거리(ℓ)의 비율에 따라 변동된다.
또한, 상기 [수식 1]의 계수는 추(40)의 무게에 따라 변동된다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 제 3실시예를 나타낸 도면이고, 도 6 및 도 7은 상기 도 5에 대한 변형된 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 3실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치(A3)는, 피측정대상물에 설치되어 진동에 의한 중력가속도의 변화값(G)을 측정하기 위한 것이다.
그 구성은, 피측정대상물에 설치되는 본체(60)와; 상기 본체(60)의 전면에 고정되게 설치된 고정체(21)와; 상기 고정체(21)와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체(60) 내에 설치된 회전체(20)와; 상기 고정체(21)와 회전체(20)의 상부 외측면과 하부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 연결되고, 그 양단부에 광단자(13)가 각기 설치된 상,하부 광섬유(111)(112)와; 상기 고정체(21)와 회전체(20)의 상부 외측면에 설치된 상부 광섬유(11) 상에 설치되는 광섬유격자센서(10)와; 상기 회전체(20)의 하부와 소정 길이의 지지대(41)에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추(40)로 구성된다.
상,하부 광섬유(111)(112)는 상기 고정체(21)와 회전체(20)의 상부 외측면과 하부 외측면을 감싸도록 배치한 후 접착시킴으로써 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 연결된다.
상기 본 발명의 제 3실시예는, 본체(60)의 전면에 고정체(21)를 설치하고, 이에 이격되게 설치된 축(20a)에 회전체(20)를 결합시키며, 상기 축(20a)과 회전체(20)는 전술한 바와 같이 베어링으로 결합된다.
전술한 본 발명의 제 3실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치를 이용한 계측방법을 설명하면 다음과 같다.
상기 본체(60)를 반시계방향으로 90°회전시켜 추(40)의 회전에 의해 상부 광섬유(111)가 수축되고 하부 광섬유(112)가 인장되도록 하는 1단계(S1)와; 상기 1단계(S1)에서의 광섬유격자센서(10)의 파장변위량을 측정하여 이를 중력가속도 1G의 기준값으로 설정하는 2단계(S2)와; 상기 본체(60)를 시계방향으로 회전시켜 90°회전시켜 추(40)가 원위치되도록 하는 3단계(S3)와; 본체(60)를 터널 벽면과 같은 피측정대상물에 설치하는 4단계(S4)와; 지반의 변동에 의해 피측정대상물의 좌우방향 진동에 연동되어 추(40)가 진동함으로써 광섬유격자센서(10)의 파장변위값을 측정하는 5단계(S5)와; 상기 5단계(S5)에서 측정한 파장변위값을 수식에 대입하여 추(40)의 장력(g)을 구한 후 그 변위량을 상기 3단계(S3)의 기준값에 대비하여 변화된 중력가속도(G)를 구하는 6단계(S6)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 6단계(S6)의 수식은,
y : 추의 장력(g) x : 파장변위값
이며, 상기 [수식 2]을 통해 중력가속도(G)를 구하게 된다.
상기 [수식 2]의 계수는 축(20a)의 중심부터 추(40)의 무게중심까지의 거리(L)과 축(20a)의 중심과 광섬유(111)의 접점까지의 거리(ℓ)의 비율에 따라 변동된다.
또한, 상기 [수식 2]의 계수는 추(40)의 무게에 따라 변동된다.
이때, 도 6과 같이, 전술한 본 발명의 제 3실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치에서, 상,하부 광섬유(111,112)에 모두 광섬유격자센서(10a,10b)를 설치함으로써, 상,하부 광섬유(111,112)에 가해지는 인장력과 압축력이 대칭으로 작용하여 정밀한 계측을 가능하게 한다.
또한, 상기 광섬유격자센서(111,112) 중 어느 하나를 온도 보상용으로 사용할 수도 있다.
한편, 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기 추(40)는 회전체(20)의 측부와 소정 길이의 지지대(301)에 의해 연결되되 수평상태로 설치될 수도 있는데, 이렇게 추(40)를 수평으로 설치함으로써 상하 진동의 감지가 용이한 장점이 있다.
도 8은 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 제 4실시예를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제 4실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치(A4)는, 진동에 의한 중력가속도의 변형값을 측정하기 위한 것으로, 피측정대상물에 설치되는 본체(60)와; 상기 본체(60)의 전면에 베어링 결합으로 회전이 가능하게 설치된 회전체(20)와; 상기 회전체(20)의 양측에 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 고정 설치된 제 1 및 제2고정체(212)(214)와; 상기 회전체(20)의 외주면에 권취된 후 일측은 상기 제 1고정체(212)에 접착되고, 타측은 상기 제 2고정체(214)에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 연결되고, 그 양단부에 광단자(13)가 각기 설치된 광섬유(11)와; 상기 제 1고정체(212)와 회전체(20)를 연결하는 광섬유(113) 상에 설치되는 광섬유격자센서(10)와; 상기 회전체(20)의 하부와 소정 길이의 지지대(301)에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추(40)로 구성된다.
도 9는 상기 도 8의 다른 실시예를 나타낸 도면으로써, 상기 본 발명의 제 4실시예에 있어서, 상기 제 2고정체(21)와 회전체(20)를 연결하는 광섬유(114) 상에도 광섬유격자센서(10b)가 설치된다.
전술한 본 발명의 제 3 및 제 4실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치(A3,A4)도 상기 제 1 및 제 2실시예(A1,A2)와 마찬가지로 각도측정용으로도 사용가능함은 물론이다.
도 10은 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제 1 내지 제 4실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치에 있어서, 상기 회전체(20)는, 고정체(21)와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체(60) 내에 설치되고, 하부에 중량부재(20b)가 일체로 형성되어 편심결합되도록 한 것이다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.
이상에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 기존의 전기식 시스템의 단점인 전자기파의 영향을 완벽히 극복하여 그동안 불가능했던 운행 중인 지하철의 터널 내공 변위를 상시 계측할 수 있게 하고, 광섬유격자센서의 우수한 특성으로 인하여 그 정밀도 또한 높일 수 있으며, 한 가닥의 광섬유로 최대 20여개의 센서를 직렬 연결할 수 있어 기존의 전기식 시스템 보다 훨씬 적은 공간을 필요로 하며, 광섬유격자센서 자체가 고유한 파장 값을 가지므로 피측정대상물의 초기값 대비 누적 변형을 계측할 수 있는 장점이 있다.
Claims (20)
- 피측정대상물에 설치되는 본체와;상기 본체의 전면에 고정되게 설치된 고정체와;상기 고정체와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체 내에 설치된 회전체와;상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 접착 연결된 광섬유와;상기 고정체와 회전체 사이의 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와;상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추를 포함하여 이루어지며,피측정대상물에 설치되어 변형에 의한 각도의 변형값을 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 피측정대상물에 설치되는 본체와;상기 본체의 전면에 설치되며, 본체의 기울기에 연동하여 회전되는 자세유지장치와;상기 자세유지장치의 일측에 고정되게 설치된 고정체와;상기 고정체와 이격되며, 상기 자세유지장치의 타측에 베어링 결합에 의해 회전가능하게 설치된 회전체와;상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 접착 설치된 광섬유와;상기 고정체와 회전체 사이의 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와;상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추를 포함하여 이루어지며,피측정대상물에 설치되어 변형에 의한 각도의 변형값을 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 제 2항에 있어서,상기 자세유지장치는, 상기 본체의 전면에 수평으로 이격 설치된 복수개의 브라켓과, 상기 복수개의 브라켓을 연결하되, 각 브라켓에 베어링으로 결합되어 회전가능하게 설치된 수평바로 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 피측정대상물에 설치되는 본체와;상기 본체의 전면에 고정되게 설치된 고정체와;상기 고정체와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체 내에 설치된 회전체와;상기 고정체와 회전체의 상부 외측면과 하부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 연결된 상,하부 광섬유와;상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 설치된 상부 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와;상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추를 포함하여 이루어지며,피측정대상물에 설치되어 변형에 의한 중력가속도의 변형값을 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 제 4항에 있어서,상기 고정체와 회전체의 하부 외측면에 설치된 하부 광섬유 상에도 광섬유격자센서가 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 대상물에 설치되는 본체와;상기 본체의 전면에 베어링 결합으로 회전이 가능하게 설치된 회전체와;상기 회전체의 양측에 소정 거리로 이격되어 수평되게 고정 설치된 제 1 및 제2고정체와;상기 회전체의 외주면에 권취되며, 일측은 제1고정체에 접착되고, 타측은 제 2고정체에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 연결된 광섬유와;상기 제1고정체와 회전체를 연결하는 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와;상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추를 포함하여 이루어지며,피측정대상물에 설치되어 변형에 의한 중력가속도의 변형값을 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 제 6항에 있어서,상기 제2고정체와 회전체를 연결하는 광섬유 상에도 광섬유격자센서가 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 회전체는, 하부에 중량부재가 일체로 형성되어 편심결합되도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 본체는 외측에 수평계와 수직계가 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 광섬유는 양단부에 광단자가 각기 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,상기 추의 양측에는 추의 진폭을 제한하거나 움직임을 정지시키기 위한 변위조절기가 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 제 11항에 있어서,상기 변위조절기는, 상기 추의 양측에 소정 거리로 이격 설치된 바디와, 상기 바디에 나사결합되며 끝단이 추의 측면을 지지하도록 한 조절볼트로 구성된 것이며, 상기 조절볼트를 조이거나 풀어줌으로써 추가 움직일 수 있는 공간을 제한할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측장치.
- 피측정대상물에 설치되는 본체와; 상기 본체의 전면에 고정되게 설치된 고정체와; 상기 고정체와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체 내에 설치된 회전체와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 접착 연결되고, 그 양단부에 광단자가 각기 설치된 광섬유와; 상기 고정체와 회전체 사이의 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와; 상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추로 구성된 내공변위 계측장치를 이용한 계측방법에 있어서,상기 광섬유격자센서의 파장변위량을 측정하여 이를 기준값으로 설정하는 1단계와;상기 본체를 터널 벽면과 같은 피측정대상물에 설치하는 2단계와;지반의 변동에 의해 피측정대상물의 기울어짐에 연동되어 추가 회전함으로써 광섬유격자센서의 인장 및 수축에 따른 파장변위값을 측정하는 3단계와;상기 3단계에서 측정한 파장변위값을 수식에 대입하여 각도변위를 구하는 4단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법.
- 제 13항에 있어서,상기 4단계의 수식은,y = 0.6264 · x 이며,y : 각도변위, x : 파장변위값인 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법.
- 제 13항 또는 제 14항에 있어서,상기 수식의 계수는 상기 축의 중심부터 추의 무게중심까지의 거리와 축의 중심과 광섬유 접점까지의 거리 비율에 따라 변동되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법.
- 제 13항 또는 제 14항에 있어서,상기 수식의 계수는 추의 무게에 따라 변동되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법.
- 피측정대상물에 설치되는 본체와; 상기 본체의 전면에 고정되게 설치된 고정체와; 상기 고정체와 소정 거리로 이격되어 수평되게 설치되며, 베어링 결합에 의해 회전이 가능하게 상기 본체 내에 설치된 회전체와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면과 하부 외측면에 접착되어 긴장 상태를 유지하도록 수평으로 연결되고, 그 양단부에 광단자가 각기 설치된 상,하부 광섬유와; 상기 고정체와 회전체의 상부 외측면에 설치된 상부 광섬유 상에 설치되는 광섬유격자센서와; 상기 회전체의 하부와 소정 길이의 지지대에 의해 연결되어 수직상태로 설치된 추로 구성된 내공변위 계측장치를 이용한 계측방법에 있어서,상기 본체를 반시계방향으로 90°회전시켜 추의 회전에 의해 상부 광섬유가 수축되고 하부 광섬유가 인장되도록 하는 1단계와;상기 2단계에서의 광섬유격자센서의 파장변위량을 측정하여 이를 중력가속도 1G의 기준값으로 설정하는 2단계와;상기 본체를 시계방향으로 회전시켜 90°회전시켜 원위치되도록 하는 3단계와;상기 본체를 터널 벽면과 같은 피측정대상물에 설치하는 4단계와;지반의 변동에 의해 피측정대상물의 좌우방향 진동에 연동되어 추가 진동함으로써 광섬유격자센서의 파장변위값을 측정하는 5단계와;상기 5단계에서 측정한 파장변위값을 수식에 대입하여 추의 장력을 구한 후 그 변위량을 상기 3단계의 기준값과 비교하여 변화된 중력가속도를 구하는 6단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법.
- 제 17항에 있어서,상기 6단계의 수식은,y = 0.0136·x + 0.0009y : 추의 장력(g) x : 파장변위값인 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법.
- 제 17항 또는 제 18항에 있어서,상기 수식의 계수는 축의 중심부터 추의 무게중심까지의 거리와 축의 중심과 상부 광섬유의 접점까지의 거리 비율에 따라 변동되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법.
- 제 17항 또는 제 18항에 있어서,상기 수식의 계수는 추의 무게에 따라 변동되는 것을 특징으로 하는 광섬유격자센서를 이용한 내공변위 계측방법.
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