KR20090042012A - System for structure safety supervision - Google Patents

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Abstract

A safety monitoring system of a facility structure is provided to measure strain and temperature distribution in the critical site or the fragile site of a structure by using a fiber optic Brillouin optical time domain analysis sensor system. A safety monitoring system of a facility structure comprises: a fiber optic Brillouin optical time domain analysis(BOTDA) sensor system adhering to a safety monitored target structure(10); and a center control system(30) connected to a BOTDA system on-line. The BOTDA system measures the strain and temperature of the structure by using the Brillouin dispersion phenomenon of an optical fiber. The BOTDA system comprises a sheet type optical fiber sensor. A fusion protection box adheres to the end of the sheet type optical fiber sensor and protects the end of the sheet type optical fiber sensor.

Description

시설 구조물의 안전 감시 시스템{System for structure safety supervision}System for structure safety supervision

본 발명은 건축 구조물이나 토목 구조물의 안전 감시 시스템에 관한 것으로서, 특히 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서(Brillouin Optical Time Domain Analysis; BOTDA)시스템을 이용하여 시설 구조물의 중요 부위나 취약 부위에 변형률 및 온도를 측정하고 이를 중앙 관제소에서 통합 관리 및 실시간 모니터링하여 해당 시설 구조물에 대한 이상 증후를 즉각적으로 조치할 수 있도록 한 시설 구조물의 안전 감시 시스템에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a safety monitoring system for a building structure or a civil structure. Particularly, a strain and temperature are applied to a critical part or a weak part of a facility structure by using a Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) system. It relates to a safety monitoring system for a facility structure that allows measurements and integrated management and real-time monitoring at a central control station so that any immediate symptoms of the facility structure can be taken immediately.

광섬유를 이용한 센서는 그 크기가 작아서 측정 대상물의 표면에 부착하거나, 땅 속에 매설하기가 용이하다. 또한, 광섬유는 재질이 유리이므로 내부식성이 우수하며, 전자기파의 영향을 받지 않는다. 특히, 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서는 광섬유의 전체길이를 센서의 감지부로 사용하므로 분포형 물리량을 측정하는 우수한 센서로 광섬유 센서만이 이러한 분포형 물리량을 측정하는 기능을 담당할 수 있다. Sensors using optical fibers are small and easy to attach to the surface of the object or to bury them in the ground. In addition, since the optical fiber is made of glass, it is excellent in corrosion resistance and is not affected by electromagnetic waves. In particular, the optical fiber Brillouin time domain analysis sensor is an excellent sensor for measuring the distributed physical quantity because the entire length of the optical fiber is used as the sensing unit of the sensor, and only the optical fiber sensor may be responsible for measuring the distributed physical quantity.

광섬유 센서는 간섭형, 파장형 및 산란형 센서 등이 있으며, 이중 산란형 광 섬유 센서는 다른 형태에서 구현하지 못하는 광섬유 내부를 진행하는 펄스 광을 이용하여 광섬유 외부에서 작용하는 물리량에 따라 변화하는 광섬유 내부의 후방 산란 광을 측정함에 의하여 장거리 광섬유 전체의 분포 물리량을 측정하는 것이 가능하다. 이러한 펄스광을 사용하면서 후방 산란 광을 측정하는 센서를 OTDR(Optical Time Domain Reflectometry) 센서라고 하며 대부분의 산란형 광섬유 센서는 기본적으로 OTDR 기술을 사용한다. 이러한 산란형 광섬유 센서의 종류로는 레일레이(Rayleigh) 산란형 센서, 라만(Raman) 산란형 센서, 브릴루앙(Brillouin) 산란형 센서 등을 이용하는 여러 종류가 있다.Optical fiber sensor includes interference type, wavelength type and scattering type sensor, and double scattering type optical fiber sensor uses optical pulsed light traveling inside the optical fiber which cannot be realized in other forms. By measuring the internal backscattered light, it is possible to measure the distributed physical quantity of the entire long-distance optical fiber. Sensors that measure backscattered light while using such pulsed light are called optical time domain reflectometry (OTDR) sensors, and most scattered fiber optic sensors basically use OTDR technology. There are various kinds of scattering optical fiber sensors using a Rayleigh scattering sensor, a Raman scattering sensor, a Brillouin scattering sensor, and the like.

이중 브릴루앙 산란형 광섬유 센서는 외부에서 작용하는 변형률 및 온도 모두에 민감하게 반응하는 브릴루앙 주파수 천이 값을 갖는다. 즉, 외부에서 작용하는 변형률 및 온도에 따라서 브릴루앙 주파수 천이 값에 따라 후방 산란광의 크기가 바뀌게 된다. 따라서, 외부 물리량의 절대 변화는 브릴루앙 주파수 천이 값에 의해 알 수 있다.Dual Brillouin scattered fiber optic sensors have Brillouin frequency shift values that are sensitive to both external strain and temperature. That is, the size of the backscattered light is changed according to the Brillouin frequency shift value according to the strain and temperature acting externally. Therefore, the absolute change of the external physical quantity can be known by the Brillouin frequency shift value.

그런데, 기존의 광섬유의 브릴루앙 산란을 이용하는 센서는 측정결과를 얻기 위하여 매우 긴 시간을 필요로 하거나 브릴루앙 주파수 변화를 찾기 위해 주파수 제어하는 복잡한 회로를 필요로 하여 고가의 장비로 구현되는 등의 단점이 있었다.However, the conventional sensor using the Brillouin scattering of the optical fiber requires a very long time to obtain a measurement result, or a complex circuit that controls the frequency to find the Brillouin frequency change, which is realized as expensive equipment. There was this.

본 출원인은 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 광섬유 브릴루앙 시간영역해석(BOTDA) 센서 시스템을 2001년 9월 28일자로 선출원하였으며, 특허 제 468612(2005. 1.19)호로 등록된 상태이다. 이 선행기술에는 1개의 레이저 다이오드와 2개의 광전변조기를 사용하여 펌핑 펄스광을 변조하고 주파수 스위핑이 되도 록 CW 프로브 광을 변조함으로써 유도 브릴루앙 산란 증폭을 일으키는 브릴루앙 주파수 변화를 찾는 광섬유 브릴루앙 시간영역해석(BOTDA) 센서 시스템과 이를 이용한 간편한 디지털 신호처리에 의한 변형률 측정 방법이 개시되어 있다.Applicant has filed a new optical fiber Brillouin time domain analysis (BOTDA) sensor system that can solve this problem on September 28, 2001, and is registered as a patent 468612 (January 19, 2005). This prior art uses one laser diode and two photoelectric modulators to modulate the pumped pulsed light and modulate the CW probe light for frequency sweeping to find the Brillouin frequency change to find the Brillouin frequency change causing induced Brillouin scattering amplification. An area analysis (BOTDA) sensor system and a method for measuring strain by simple digital signal processing using the same are disclosed.

본 발명의 목적은 전술한 광섬유 브릴루앙 시간영역해석(Brillouin Optical Time Domain Analysis; BOTDA) 센서 시스템을 이용하여 교량, 건물, 항공기 등의 구조물의 중요 부위나 취약 부위에 변형률 및 온도 분포 등을 측정하고 온라인을 통해 이를 통합관리 및 실시간 모니터링하여 구조물의 안전을 감시할 수 있도록 한 시설 구조물의 안전 감시 시스템을 제공함에 있다.An object of the present invention is to measure the strain and temperature distribution in critical or weak areas of structures, such as bridges, buildings, and aircraft, by using the optical fiber Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) sensor system described above. It is to provide a safety monitoring system for a facility structure that can monitor the safety of the structure by integrated management and real-time monitoring through online.

본 발명의 다른 목적은 외부 충격에 의한 손상으로부터 보호하면서 시설 구조물에 장기간 동안 안정적으로 부착할 수 있는 BOTDA 센서 시스템을 이용하여 구조물의 변형 및 온도 변화를 안정적으로 측정할 수 있도록 한 시설 구조물의 안전 감시 시스템을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to monitor the safety of the facility structure so that it can stably measure the deformation and temperature changes of the structure by using a BOTDA sensor system that can be stably attached to the facility structure for a long time while protecting it from damage caused by external impact In providing a system.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 시설 구조물의 안전 감시 시스템은, 시설 안전 감시 시스템에 있어서, 안전 감시 대상 구조물에 부착되며, 광섬유의 브릴루앙 산란현상을 이용하여 구조물의 변형률 및 온도를 측정하기 위한 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서(BOTDA) 시스템, 및 상기 BOTDA 시스템과 온라인 연결되어 측정된 구조물의 변형률 및 온도를 전송받아 통합 관리하며, 이를 실시간 으로 모니터링하여 이상 증후 발견시 담당자에게 통보하기 위한 중앙관제시스템을 포함한다.Safety monitoring system of the facility structure of the present invention for achieving the above objects, in the facility safety monitoring system, attached to the structure to be monitored, measuring the strain and temperature of the structure using the Brillouin scattering phenomenon of the optical fiber The optical fiber Brillouin time-domain analysis sensor (BOTDA) system and the strain and temperature of the structure connected online with the BOTDA system are integrated and managed, and are monitored in real time to notify the person in charge when an abnormal symptom is detected. It includes a control system.

본 발명에 따른 시설 구조물의 안전 감시 시스템은 단면 복구용 보강재를 이용하여 산란형 광섬유 센서를 외부로부터 보호하고 장시간 동안 시설 구조물에 부착하여 구조물의 변형률 및 온도 변화를 안정적으로 측정할 수 있으며, 측정된 시설 구조물의 변형률 및 온도 변화를 온라인을 통해 실시간 모니터링하여 이상 증후시 담당자에게 통보함으로써 즉각적으로 조치를 취할 수 있도록 하여 화재 및 대형사고를 미연에 방지할 수 있는 효과를 갖는다. The safety monitoring system of a facility structure according to the present invention can stably measure the strain and temperature change of the structure by protecting the scattering type optical fiber sensor from the outside by using a reinforcement for cross-sectional recovery and attaching to the facility structure for a long time. Real-time monitoring of the strain and temperature changes of the facility structure is notified to the person in charge of abnormal symptoms so that immediate action can be taken to prevent fire and major accidents.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 시설 구조물의 안전 감시 시스템의 구성도를 나타낸다. 도 1에 나타낸 시스템은 크게 시설 구조물(10)의 중요 부위 또는 취약 부위에 부착되어 구조물(10)의 변형률 및 온도 변화를 측정하기 위한 BOTDA 시스템(20)과, BOTDA시스템(20)에서 측정된 구조물(10)의 변형률 및 온도를 인가받아 구조물의 안전을 실시간으로 모니터링하기 위한 중앙관제시스템(30)으로 구성된다. BOTDA시스템(20)과 중앙관제시스템(30) 간에는 PSTN 전화망이나 인터넷망 등을 통해 온라인 연결되어, 중앙 관제소에서 시설 구조물들을 통합 관리할 수 있도록 한다. BOTDA시스템(20)은 구조물(10)에 부착되어 후방 산란광을 일으키는 시트형 광섬유 센 서(21)와, 센서(21)에 펌핑 펄스광 및 프로브광을 공급함과 아울러 센서(21)로부터의 후방 산란광을 수광하는 광원부(22)를 구비한다. BOTDA시스템(20)은 또한, 광원부(22)에서 수광된 후방 산란광을 검출하는 신호검출부(23)와, 신호검출부(23)에서 검출된 신호를 이용하여 구조물(10)의 변형 및 온도 변화를 측정하는 신호처리부(24)를 구비한다. 중앙관제시스템(30)은 측정된 구조물(10)의 변형률 및 온도 변화를 모니터링할 수 있도록 화면 제공하기 위한 모니터링부(32), 이상 증후 발견시 지정된 담당자를 호출하여 즉각 조치를 취하도록 하기 위한 담당자호출부(33), 및 구조물(10)들에 부착된 BOTDA 시스템(20)의 출력을 인가받아 구조물(10)들의 안전을 통합 관리하도록 각 구성의 동작을 전반적으로 제어하기 위한 관리서버(31), 및 관리자조작부(34)를 구비한다. 이러한 구성을 갖는 도 1 시스템의 시설 구조물 안전 감시동작에 대해 도 2 내지 도 7b을 통해 구체적으로 설명한다.1 shows a block diagram of a safety monitoring system of a facility structure according to the present invention. The system shown in FIG. 1 is largely attached to the critical or weak areas of the facility structure 10 to measure the strain and temperature changes of the structure 10 and the structure measured in the BOTDA system 20. It is composed of a central control system 30 for monitoring the safety of the structure in real time by receiving the strain and temperature of (10). The BOTDA system 20 and the central control system 30 are connected online through a PSTN telephone network or an internet network, thereby allowing integrated management of facility structures at the central control station. The BOTDA system 20 is attached to the structure 10 to provide a back-scattered light to the sheet-like optical fiber sensor 21, and to supply the pumping pulse light and the probe light to the sensor 21, and the back scattered light from the sensor 21 The light source part 22 which receives light is provided. The BOTDA system 20 also measures the deformation and temperature change of the structure 10 by using the signal detector 23 for detecting backscattered light received from the light source unit 22 and the signal detected by the signal detector 23. And a signal processing section 24. The central control system 30 is a monitoring unit 32 for providing a screen for monitoring the measured strain and temperature change of the structure 10, a person in charge to take immediate action by calling a designated person in case of abnormal symptoms found Management server 31 for overall control of the operation of each component to receive the output of the call unit 33, and the BOTDA system 20 attached to the structures 10 to collectively manage the safety of the structures (10) , And a manager manipulation unit 34. The facility structure safety monitoring operation of the system of FIG. 1 having such a configuration will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 7B.

교량, 터널, 지하철, 댐 등의 건설 구조물이나 대형 구조물, 설비 구조물 등 안전 진단 대상이 되는 시설 구조물(10)에 센서(21)를 부착한다. 여기서, 센서(21)는 도 2에 보여진 바와 같이 산란형 광섬유 센서(211)를 탄소섬유시트(212)에 부착한 띠형태의 시트형 광섬유 센서이다. 시트형 광섬유 센서(21)는 구조물(10)의 형상에 따라 휘어질 수 있는 재질로, 구조물(10)의 변형률 측정 및 온도 분포 측정에 겸용되는 단일 모드 광섬유가 사용된다. 단일모드 광섬유 센서는 측정하고자 하는 구조물(10)에 따라 광섬유 한가닥을 이용하여 수십 ㎞까지 구조물(10)에 부착된다. 탄소섬유시트(212)는 산란형 광섬유 센서(211)를 보호하고, 구조물(10)의 열화된 단면을 보강하는 단면 복구형 보강재이다. 산란형 광섬유 센 서(211)를 탄소섬유시트(212)에 부착하는 방법은 도 3a 및 3b에 보여진 바와 같다.The sensor 21 is attached to a construction structure 10, such as a bridge, tunnel, subway, dam, construction structure, a large structure, a facility structure, etc., which is a safety diagnosis target. Here, the sensor 21 is a band-like sheet-like optical fiber sensor in which the scattering optical fiber sensor 211 is attached to the carbon fiber sheet 212 as shown in FIG. 2. Sheet-like optical fiber sensor 21 is a material that can be bent in accordance with the shape of the structure 10, a single mode optical fiber used for the strain measurement and temperature distribution measurement of the structure 10 is used. The single mode optical fiber sensor is attached to the structure 10 up to several tens of kilometers using a single fiber strand depending on the structure 10 to be measured. The carbon fiber sheet 212 is a cross-sectional recovery type reinforcement that protects the scattering optical fiber sensor 211 and reinforces the degraded cross section of the structure 10. The method of attaching the scattering optical fiber sensor 211 to the carbon fiber sheet 212 is as shown in Figures 3a and 3b.

도 3a는 탄소섬유시트(212) 표면에 산란형 광섬유 센서(211)를 접착제(213)를 사용하여 부착한 형태이다 3A illustrates a form in which a scattering optical fiber sensor 211 is attached to a surface of a carbon fiber sheet 212 using an adhesive 213.

도 3b는 탄소섬유시트(212) 중앙에 홈(214)을 형성하여 그 홈(214)에 산란형 광섬유 센서(211)를 삽입한 후 접착제(213)를 사용하여 부착한 형태이다. 본 실시예에서는 탄소섬유시트(212)를 사용하였지만, 단면 복구용 보강재의 일종인 유리섬유시트, 아라미드시트, 탄소판, 종이시트 등의 사용도 가능하다.3B is a form in which a groove 214 is formed in the center of the carbon fiber sheet 212, a scattering optical fiber sensor 211 is inserted into the groove 214, and then attached using an adhesive 213. In this embodiment, the carbon fiber sheet 212 is used, but a glass fiber sheet, an aramid sheet, a carbon plate, a paper sheet, or the like, which is a kind of reinforcing material for cross-sectional recovery, may also be used.

여기서, 접착제(213)는 산란형 광섬유 센서(211)와 탄소섬유시트(212)를 완전히 밀착시키는 역할을 수행한다. 산란형 광섬유 센서(211)를 직접 구조물(10)에 부착하는 것에 비해 탄소섬유시트(212)를 사용함으로써 장기간 부착이 가능해진다.Here, the adhesive 213 serves to completely adhere the scattering optical fiber sensor 211 and the carbon fiber sheet 212. Compared to attaching the scattering optical fiber sensor 211 directly to the structure 10, it is possible to attach for a long time by using the carbon fiber sheet 212.

시트형 광섬유 센서(21) 끝단에는 도 4에 보여진 바와 같이, 융착보호박스(215)를 부착하여 산란형 광섬유 센서(211)가 잘 끊어지고 외압이 가해져 손상되는 것을 방지한다. 융착보호박스(215)는 시트형 광섬유 센서(21) 끝단을 보호할 뿐만 아니라 그 내부에 공간을 형성하여 여유 광섬유를 보관할 수 있도록 한다. 이와 같이, 끝단에 융착보호박스(215)가 부착된 시트형 광섬유 센서(21)를 시설 구조물(10)에 부착시킨다. 이때, 부착 부위에 이물질이 끼지 않도록 구조물(10)의 열화되고 부식된 부분을 그라인더 등을 이용하여 평탄하게 깎아낸 다음, 깨끗하게 세척한 후 도 5a 및 5b에 보여진 바와 같이, 부착시킨다.As shown in FIG. 4, the fusion protection box 215 is attached to the end of the sheet-shaped optical fiber sensor 21 to prevent the scattering optical fiber sensor 211 from being cut off and applied to external pressure. The fusion protection box 215 not only protects the end of the sheet-shaped optical fiber sensor 21, but also forms a space therein to store the spare optical fiber. As such, the sheet type optical fiber sensor 21 having the fusion protection box 215 attached to the end thereof is attached to the facility structure 10. At this time, the deteriorated and corroded part of the structure 10 is flatly scraped off using a grinder or the like so as to prevent foreign substances from being caught in the attachment site, and then cleaned and attached as shown in FIGS. 5A and 5B.

도 5a는 도 3a의 구조를 갖는 시트형 광섬유 센서(21)를 구조물(10)에 부착한 경우이고, 도 5b는 도 3b의 구조를 갖는 시트형 광섬유 센서(21)를 구조물(10) 에 부착한 경우를 각각 보여준다.FIG. 5A illustrates a case in which the sheet-shaped optical fiber sensor 21 having the structure of FIG. 3A is attached to the structure 10, and FIG. 5B illustrates a case in which the sheet-shaped optical fiber sensor 21 having the structure of FIG. 3B is attached to the structure 10. Shows each.

도 5a 및 5b를 보면, 에폭시(216)를 사용하여 구조물(10)에 시트형 광섬유 센서(21)를 부착한다. 여기서, 에폭시(216)는 단면 복구 보강용 에폭시 레진 및 습윤면 접착 에폭시 레진 중 하나를 선택 사용한다. 에폭시(216)를 통해 구조물(10)에 시트형 광섬유 센서(21)를 부착시킨 후, 그 위에 코팅제(217)를 도포하여 코팅을 한다. 여기서, 코팅제(217)는 UV 자외선 차단, 중성화 및 염해방지제를 사용한다. 이때, 중성화 및 염해방지제는 폴리머 엑폭시계, 세라믹계, 유·무기질 복합계 중 어느 하나가 이용된다. 5A and 5B, the sheet-like optical fiber sensor 21 is attached to the structure 10 using the epoxy 216. Here, the epoxy 216 is selected from one of the epoxy resin for the cross-sectional recovery reinforcement and the wet surface adhesive epoxy resin. After attaching the sheet-shaped optical fiber sensor 21 to the structure 10 through the epoxy 216, a coating agent 217 is applied thereon to coat it. Here, the coating agent 217 uses a UV sunscreen, neutralization and salt inhibitor. At this time, the neutralization and salt prevention agent is any one of a polymer epoch clock, a ceramic-based, an organic-inorganic composite system.

도 6은 시트형 광섬유 센서(21)를 구조물에 부착시 그 측면을 보여준다.6 shows the side when the sheet-shaped optical fiber sensor 21 is attached to the structure.

도 6을 보면, 구조물(10) 표면에 에폭시(216)가 도포되고, 그 위에 시트형 광섬유 센서(21)가 부착되어 시트형 광섬유 센서(21)와 구조물(10) 간에 접착이 된다. 여기서, 시트형 광섬유 센서(21)는 도 4에서 설명된 바와 같이 그 끝단에 융착보호박스(215)가 연결되며, 전술한 도 3a 혹은 도 3b의 구조를 갖는다. 시트형 광섬유 센서(21) 위에는 UV 자외선 차단, 중성화 및 염해방지를 위한 코팅제(217)로 코팅이 되어 있다.Referring to FIG. 6, an epoxy 216 is applied to the surface of the structure 10, and a sheet-like optical fiber sensor 21 is attached thereon to bond between the sheet-like optical fiber sensor 21 and the structure 10. Here, the sheet-shaped optical fiber sensor 21 has a fusion protection box 215 is connected to the end thereof as described in FIG. 4, and has the structure of FIG. 3A or 3B. On the sheet-shaped optical fiber sensor 21 is coated with a coating agent 217 for UV UV protection, neutralization and salt prevention.

시트형 광섬유 센서(21)를 안전 감시를 위한 대형 구조물(10)의 표면 또는 내부에 설치시킨 후, BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis)시스템(20)을 통해 구조물(10)의 변형률 및 온도 변화를 측정한다.After the sheet-shaped optical fiber sensor 21 is installed on the surface or the inside of the large structure 10 for safety monitoring, the strain and temperature change of the structure 10 are measured through the Brillouin Optical Time Domain Analysis (BOTDA) system 20. do.

즉, BOTDA시스템(20)의 광원부(22)는 장시간 사용이 가능한 통신용 레이저 다이오드(미도시)로부터 광이 출사되면 광을 분기하게 되고, 분기된 광을 펌핑 펄 스광 및 프로브광으로 변조하게 된다. 이때, 변조된 광을 증폭하여 증폭된 펌핑 펄스광 및 프로브광을 산란형 광섬유 센서(211)에 공급한다. 산란형 광섬유 센서(211)는 구조물(10)의 변형 및 온도 변화에 따라 광원부(22)로부터 공급되는 펌핑 펄스광 및 프로브광을 산란시키게 된다. 단일모드의 산란형 광섬유 센서(211)는 펌핑 펄스광과 프로브광의 주파수 차이와 고유 브릴루앙 천이 주파수와의 차이에 따라 브릴루앙 산란을 일으키게 된다. 이때, 구조물(10)의 일부분에 변형 혹은 온도 변화가 일어나면 산란형 광섬유 센서(211)에서 발생되는 후방 산란광은 구조물(10)의 상태에 따라 변화하게 된다. 광원부(22)는 산란형 광섬유 센서(211)로부터 발생되는 후방 산란광을 수광한다. That is, the light source unit 22 of the BOTDA system 20 splits light when it is emitted from a communication laser diode (not shown) that can be used for a long time, and modulates the branched light into a pumping pulse light and a probe light. At this time, the amplified modulated light is supplied to the amplified pumping pulse light and the probe light to the scattering optical fiber sensor 211. The scattering optical fiber sensor 211 scatters the pumping pulsed light and the probe light supplied from the light source unit 22 according to the deformation and temperature change of the structure 10. The single mode scattering optical fiber sensor 211 generates Brillouin scattering according to the difference between the frequency difference between the pumping pulse light and the probe light and the intrinsic Brillouin transition frequency. At this time, when deformation or temperature change occurs in a part of the structure 10, the back scattered light generated by the scattering optical fiber sensor 211 is changed according to the state of the structure 10. The light source unit 22 receives backscattered light generated from the scattering optical fiber sensor 211.

신호 검출부(23)는 설정된 샘플링 주파수에 의해 산란형 광섬유 센서(211)로부터 발생되는 후방 산란광을 감지하게 된다. 또한, A/D(Analog-to Digital)변환기(미도시)를 이용하여 광원부(22)로부터 수광된 후방 산란광을 일정 주기로 샘플링하여 디지털 신호로 변환하게 된다. The signal detector 23 detects the back scattered light generated from the scattering optical fiber sensor 211 by the set sampling frequency. In addition, by using an analog-to-digital (A / D) converter (not shown), the backscattered light received from the light source unit 22 is sampled at a predetermined period and converted into a digital signal.

신호 처리부(24)는 설정된 기본 변수(평균화 횟수, 샘플링 횟수, 속도, 주파수 조사범위 및 단계 주파수 등)에 따라 BOTDA시스템(20)의 전체 동작을 제어하며 신호 검출부(23)로부터 일정 주기로 샘플링되어 디지털 처리된 후방 산란광에 대한 데이터를 수신하여 단일모드의 산란형 광섬유 센서(211)의 길이와 브릴루앙 천이 주파수에 대한 신호를 출력하게 된다. 이때, 브릴루앙 천이 주파수는 최대 출력이 얻어지는 주파수이며, 신호 처리부(24)는 구해진 브릴루앙 천이 주파수에 의해 산란형 광섬유 센서(211)의 변형률 및 온도 분포를 구하게 된다. 즉, 산란형 광섬유 센서(211)가 부착된 구조물(10)의 변형률 및 온도 분포를 구할 수 있게 된다. The signal processor 24 controls the overall operation of the BOTDA system 20 according to the set basic variables (number of averaging, sampling frequency, speed, frequency irradiation range and step frequency, etc.) and is sampled at a predetermined period from the signal detector 23 for digital operation. By receiving data on the processed backscattered light, a signal for the length and the Brillouin transition frequency of the single mode scattering optical fiber sensor 211 is output. In this case, the Brillouin transition frequency is a frequency at which the maximum output is obtained, and the signal processing unit 24 obtains the strain and temperature distribution of the scattering optical fiber sensor 211 based on the obtained Brillouin transition frequency. That is, the strain and temperature distribution of the structure 10 to which the scattering optical fiber sensor 211 is attached can be obtained.

본 실시예에서 이용되는 구조물(10)의 변형률 측정 방법은 본 출원인에 의해 선출원되어 등록된 특허 제 468612호의 "광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서시스템과 이를 이용한 변형률 측정 방법"에 구체적으로 명시되어 있으므로, 여기서는 간략하게 설명한다.Since the strain measurement method of the structure 10 used in the present embodiment is specified in the "Fiber Optic Brillouin Time Domain Analysis Sensor System and Strain Measurement Method Using the Same" of Patent No. 468612 registered and filed by the applicant, This is briefly described.

도 7a는 산란형 광섬유 센서(211)에 아무런 변형이 가해지지 않은 상태에서 펌핑 펄스 광을 입사시켜 발생되는 후방 산란광을 취득하여 광섬유의 길이와 브릴루앙 주파수 변화에 대해 나타낸 것이다. 도면에서 후방 산란광이 최대로 나타나는 부분의 주파수가 브릴루앙 주파수 변화에 해당한다.FIG. 7A shows the variation of the length and the Brillouin frequency of the optical fiber by acquiring the backscattered light generated by injecting the pumping pulsed light in the state in which no deformation is applied to the scattering optical fiber sensor 211. In the drawing, the frequency of the portion where the backscattered light is maximized corresponds to the Brillouin frequency change.

최초 주파수에 대해 산란형 광섬유 센서(211)에서 발생되는 후방 산란광을 기 설정된 평균화 횟수만큼 반복하여 취득한 후 이를 기 설정된 주기로 샘플링하여 평균화 처리를 행한다. 최초 주파수에 대해 후방 산란광 신호가 평균화 처리되면, CW 프로브 광의 주파수가 기 설정된 최종 주파수가 될 때까지 CW 프로브 광의 주파수를 단계 주파수만큼씩 증가시킨 후 이를 다시 산란형 광섬유 센서(211)에 입사시켜 해당 주파수에 대한 펌핑 펄스 광의 후방 산란광이 발생되도록 한다. 신호처리부(24)는 매 단계 주파수마다 동일한 샘플링 주기로 취득된 후방 산란광을 평균화 처리한다. 이렇게 매 단계 주파수마다 취득되어 평균화된 후방 산란광의 광섬유의 길이와 브릴루앙 주파수 변화에 대하여 출력신호는 도 7b와 같이 나타난다. 도 7b는 도 7a에 비해 후방 산란광의 증폭정도가 더 크게 나타나고 있으며, 최대 출력이 얻어지는 주파수도 주파수 축에 대해서 다소 이동하였다. 도 7b에서 광섬유가 접 착되어 있는 구간인 약 2.48 구간(A′)과 약 2.46 구간(B′)에서 브릴루앙 고유 주파수 변화값이 변화되고 있음을 볼 수 있다.The backscattered light generated by the scattering optical fiber sensor 211 is repeatedly acquired for the initial frequency by a predetermined number of averaging times, and then sampled at a predetermined period to be averaged. When the backscattered light signal is averaged with respect to the initial frequency, the frequency of the CW probe light is increased by a step frequency until the frequency of the CW probe light reaches a preset final frequency, and then it is incident again to the scattering optical fiber sensor 211 to be applied. The backscattered light of pumping pulsed light over frequency is generated. The signal processor 24 averages the backscattered light acquired at the same sampling period at every step frequency. The output signal is shown in FIG. 7B with respect to the length and the Brillouin frequency change of the optical fiber of the backscattered light acquired and averaged at each step frequency. In FIG. 7B, the amplification degree of the backscattered light is larger than that of FIG. 7A, and the frequency at which the maximum output is obtained also shifts slightly with respect to the frequency axis. In FIG. 7B, it can be seen that Brillouin intrinsic frequency change values are changed in about 2.48 sections A ′ and about 2.46 sections B ′ where the optical fibers are bonded.

도 7b와 같은 신호출력에서 신호처리부(24)는 후방 산란광의 최대 출력을 얻게 되는 CW 프로브 광 주파수를 추출하여 브릴루앙 주파수 변화로 사용한다. 이렇게 얻어진 브릴루앙 주파수 변화로부터 광섬유의 길이에 분포한 변형률을 구할 수 있다. 온도도 이와 유사한 방법으로 브릴루앙 고유 주파수 변화 값을 구함에 의하여 측정할 수 있다.In the signal output as shown in FIG. 7B, the signal processor 24 extracts the CW probe optical frequency that obtains the maximum output of backscattered light and uses the Brillouin frequency change. The strain distributed over the length of the optical fiber can be obtained from the Brillouin frequency change thus obtained. Temperature can also be measured by finding the Brillouin natural frequency change in a similar manner.

BOTDA 시스템(20)은 신호처리부(24)에서 구해진 변형률 및 온도 변화를 PSTN 전화망이나 인터넷망을 통해 온라인 연결되어 있는 중앙관제시스템(30)에 전송한다. 중앙관제시스템(30)의 관리서버(31)는 BOTDA 시스템(20)으로부터 전송되는 신호를 인가받아 모니터링부(32)에 실시간으로 화면 현시하여 관리자가 구조물(10)의 변형률 및 온도 변화를 감시할 수 있도록 한다. 이때, 모니터링부(32)의 화면에는 변형이 발생하기 전과 후를 한눈에 볼 수 있으며, 그 위치도 알 수 있도록 도 7a 및 7b에 보여준 바와 같은 파형의 펄스 스펙트럼을 함께 현시한다. 또한, 모니터링부(32)의 화면에는 구조물(10)의 변형률 및 온도 변화를 수치로도 현시할 수 있다. 시설물 관리자는 구조물(10)이 설치된 위치까지 가지 않더라도 중앙관제소에서 모니터링부(32)의 화면에 현시되는 내용을 통해 이상 발견 혹은 이상이 생길 수 있는 위치 등을 실시간으로 감시하고 파악할 수 있다. 만약, 이상 발견시 관리자 조작부(34)의 조작신호에 따라 관리서버(31)는 담당자호출부(33)를 통해 해당 구조물(10)의 담당자를 호출하여 이상 발견 위치를 통보하여 즉각적으로 조치를 취할 수 있도록 하여 구조물(10)에서 발생하는 화재 및 대형 사고를 미연에 방지할 수 있도록 한다. 즉, 관리서버(31)는 담당자호출부(33)를 통해 담당자에게 이상증후 내용을 SMS 전송한다.The BOTDA system 20 transmits the strain and temperature change obtained by the signal processor 24 to the central control system 30 connected online through a PSTN telephone network or an internet network. The management server 31 of the central control system 30 receives a signal transmitted from the BOTDA system 20 to display the real time to the monitoring unit 32 to monitor the strain and temperature changes of the structure 10. To help. At this time, the screen of the monitoring unit 32 can be seen at a glance before and after the deformation occurs, and the pulse spectrum of the waveform as shown in Figs. In addition, on the screen of the monitoring unit 32, the strain and the temperature change of the structure 10 may be displayed in numerical values. Facility managers can monitor and grasp in real time the location where the abnormality or abnormality can occur through the contents displayed on the screen of the monitoring unit 32 in the central control center even if the structure 10 is not installed. If an abnormality is detected, the management server 31 calls the person in charge of the structure 10 through the person in charge caller 33 according to the operation signal of the manager operation unit 34 to notify the location of the abnormality and take an immediate action. It is possible to prevent fire and large accidents occurring in the structure 10 in advance. That is, the management server 31 transmits the SMS information to the person in charge through the person in charge call unit 33.

이와 같은 시스템은 교량, 터널, 지하철, 댐 및 건출물들의 건설 구조물과 인구 밀집 지역의 대형 구조물 등의 안전 진단, 화재 감시 및 유지 보수에 있어 상시 모니터링이 가능하다. 또한, 오일, 가스, 화학 탱크 및 각종 발전시설 구조물과 전력구, 통신구, 생산설비 및 각종 기계 구조물과 같은 콘크리트 및 철 구조물들에 대해서도 상시 모니터링이 가능하다.Such a system can be monitored continuously for safety diagnosis, fire monitoring and maintenance of construction structures of bridges, tunnels, subways, dams and buildings and large structures in populated areas. In addition, it is possible to constantly monitor concrete and steel structures such as oil, gas, chemical tanks and various power generation structures, power outlets, communication ports, production facilities and various mechanical structures.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위 상에 의해 정하여 져야만 할 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.

도 1은 본 발명에 따른 시설 구조물의 안전 감시 시스템을 나타내는 구성도,1 is a block diagram showing a safety monitoring system of a facility structure according to the present invention,

도 2는 도 1의 시트형 광섬유 센서를 보여주는 평면도,2 is a plan view showing the sheet-like optical fiber sensor of FIG.

도 3a-3b는 도 2의 시트형 광섬유 센서를 보여주는 단면도,3A-3B are cross-sectional views showing the sheet-like optical fiber sensor of FIG. 2;

도 4는 도 2의 시트형 광섬유 센서 끝단에 융착보호박스를 부착한 예를 보여주는 도면,4 is a view showing an example in which the fusion protection box is attached to the sheet-like optical fiber sensor end of Figure 2,

도 5a-5b 및 도 6은 구조물에 시트형 광섬유 센서를 부착한 예를 보여주는 단면도 및 측면도,Figures 5a-5b and 6 is a cross-sectional view and a side view showing an example of attaching a sheet-like optical fiber sensor to the structure,

도 7a-7b는 구조물의 변형률 발생 전·후의 후방 산란광 파장 스펙트럼을 보여주는 도면.7A-7B illustrate backscattered light wavelength spectra before and after strain generation of structures.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 구조물 20 : BOTDA 시스템10 Structure 20 BOTDA System

21 : 시트형 광섬유 센서 22 : 광원부21 sheet-like optical fiber sensor 22 light source

23 : 신호 검출부 24 : 신호처리부23: signal detector 24: signal processor

30 : 중앙관제시스템 31 : 관리서버30: central control system 31: management server

32 : 모니터링부 33 : 담당자호출부32: monitoring unit 33: person in charge call

34 : 관리자조작부34: administrator control unit

Claims (8)

시설 안전 감시 시스템에 있어서,In the facility safety monitoring system, 안전 감시 대상 구조물에 부착되며, 광섬유의 브릴루앙 산란현상을 이용하여 구조물의 변형률 및 온도를 측정하기 위한 광섬유 브릴루앙 시간영역해석 센서(BOTDA) 시스템; 및An optical fiber Brillouin time domain analysis sensor (BOTDA) system attached to a structure to be monitored for safety and measuring strain and temperature of the structure using a Brillouin scattering phenomenon of the optical fiber; And 상기 BOTDA 시스템과 온라인 연결되어 측정된 구조물의 변형률 및 온도를 전송받아 통합 관리하며, 이를 실시간으로 모니터링하여 이상 증후 발견시 담당자에게 통보하기 위한 중앙관제시스템을 포함하는 시설 구조물의 안전 감시 시스템.Safety management system of a facility structure including a central control system for receiving and measuring the strain and temperature of the structure is connected to the BOTDA system online and integrated, and monitors it in real time to notify the person in charge when abnormal symptoms are found. 제 1항에 있어서, 상기 BOTDA 시스템과 중앙관제시스템 간에는 PSTN 전화망이나 인터넷망으로 온라인 연결됨을 특징으로 하는 시설 구조물의 안전 감시 시스템.The safety monitoring system of a facility structure according to claim 1, wherein the BOTDA system and the central control system are connected online through a PSTN telephone network or an internet network. 제 1항에 있어서, 상기 BOTDA 시스템은The system of claim 1, wherein the BOTDA system is 단일모드 광섬유로 된 띠형태의 시트형 광섬유 센서;A band-shaped sheet-shaped optical fiber sensor of a single mode optical fiber; 상기 센서에 펌핑 펄스광 및 프로브광을 공급하고, 센서로부터의 후방 산란광을 수광하는 광원부;A light source unit for supplying pumping pulsed light and probe light to the sensor and receiving backscattered light from the sensor; 상기 광원부에서 수광된 후방 산란광을 기 설정된 샘플링 주기로 감지하고 이를 A/D 변환하여 출력하는 신호검출부; 및A signal detector which detects the backscattered light received by the light source unit at a preset sampling period and outputs the result by A / D conversion; And 상기 신호검출부의 출력 신호로부터 상기 광섬유의 브릴루앙 주파수 변화를 추출하고, 추출된 브릴루앙 주파수 변화로부터 광섬유의 길이에 분포한 변형률 및 온도를 계산하여 구조물의 변형 및 온도 변화를 측정하는 신호처리부를 구비함을 특징으로 하는 시설 구조물의 안전 감시 시스템.A signal processing unit for extracting the Brillouin frequency change of the optical fiber from the output signal of the signal detection unit, and calculating the strain and temperature distributed over the length of the optical fiber from the extracted Brillouin frequency change to measure the deformation and temperature change of the structure Safety monitoring system of the facility structure, characterized in that. 제 3항에 있어서, 상기 시트형 광섬유 센서는The method of claim 3, wherein the sheet-like optical fiber sensor 산란형 광섬유 센서; Scattering optical fiber sensor; 상기 산란형 광섬유 센서를 보호하며, 부착될 구조물의 열화된 단면을 보강하는 탄소섬유시트; 및A carbon fiber sheet protecting the scattering optical fiber sensor and reinforcing a deteriorated cross section of a structure to be attached; And 상기 탄소섬유시트 표면에 상기 산란형 광섬유 센서를 부착하기 위한 접착제로 이루어짐을 특징으로 하는 시설 구조물의 안전 감시 시스템.Safety monitoring system of the facility structure, characterized in that made of an adhesive for attaching the scattering optical fiber sensor on the surface of the carbon fiber sheet. 제 3항에 있어서, 상기 시트형 광섬유 센서는The method of claim 3, wherein the sheet-like optical fiber sensor 산란형 광섬유 센서;Scattering optical fiber sensor; 상기 산란형 광섬유 센서를 보호하며, 부착될 구조물의 열화된 단면을 보강하는 탄소섬유시트; A carbon fiber sheet protecting the scattering optical fiber sensor and reinforcing a deteriorated cross section of a structure to be attached; 상기 탄소섬유시트 중앙에 형성되어 상기 산란형 광섬유 센서가 삽입되는 홈; 및A groove formed at the center of the carbon fiber sheet, into which the scattering optical fiber sensor is inserted; And 상기 탄소섬유시트와 홈에 삽입된 산란형 광섬유 센서 간을 부착하기 위한 접착제를 이루어짐을 특징으로 하는 시설 구조물의 안전 감시 시스템.And a glue for attaching the carbon fiber sheet and the scattering optical fiber sensor inserted into the groove. 제 3항에 있어서, 상기 시트형 광섬유 센서 끝단에 부착되어 센서의 끝단을 보호하며 그 내부에 공간이 형성되어 여유 광섬유가 보관되는 융착보호박스를 더 구비함을 특징으로 하는 시설 구조물의 안전 감시 시스템.The safety monitoring system of a facility structure according to claim 3, further comprising a fusion protection box attached to an end of the sheet-like optical fiber sensor to protect the end of the sensor and having a space formed therein to store a spare optical fiber. 제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 시트형 광섬유 센서는 단면 복강용 에폭시 레진이나 습윤면 접착 에폭시 레진을 사용하여 구조물에 부착되며, 부착된 센서 위에 UV 자외선 차단, 중성화 및 염해방지제를 사용하여 코팅됨을 특징으로 하는 시설 구조물의 안전 감시 시스템.The method according to claim 4 or 5, wherein the sheet-type optical fiber sensor is attached to the structure using a single-sided double-stranded epoxy resin or a wet surface adhesive epoxy resin, and coated on the attached sensor by using UV UV protection, neutralization and salt inhibitor. Safety monitoring system of the facility structure, characterized in that. 제 1항에 있어서, 상기 중앙관제시스템은The method of claim 1, wherein the central control system 제공되는 구조물의 변형률 및 온도 변화를 모니터링하도록 화면 현시하기 위한 모니터링부;A monitoring unit for displaying the screen to monitor the strain and temperature change of the provided structure; 이상 증후 발견시 해당 구조물의 담당자를 호출하여 즉각 조치를 취하도록 하기 위한 담당자 호출부;A caller to call the person in charge of the structure to take immediate action when the abnormal symptoms are found; 상기 BOTDA 시스템으로부터 전송되는 신호를 인가받아 구조물들의 안전을 통합 관리하며, 상기 모니터링부에 실시간으로 제공하여 이상 증후시 조취를 취하도록 제어하기 위한 관리서버; 및 A management server for receiving the signal transmitted from the BOTDA system to integrally manage the safety of the structures and to provide the monitoring unit in real time to take an action in case of abnormal symptoms; And 관리자 조작부를 구비함을 특징으로 하는 시설 구조물의 안전 감시 시스템.Safety monitoring system of the facility structure characterized in that it comprises a manager operating unit.
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