KR20090087559A - 휨부재를 이용한 변위 센서 - Google Patents

휨부재를 이용한 변위 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 휨부재를 이용한 변위 센서에 관한 것으로서, 센서가 부착되며, 로드에 의하여 누름 또는 당김의 변위가 발생되면 회전 롤러(3)에 의하여 휨이 발생되고, 이 선형적인 굽힘과 변위와의 상관관계로부터 변위를 측정할 수 있는 센서 부착 휨부재(2)와; 센서 부착 휨부재의 굽힘량을 측정할 수 있는 광섬유 변형률 센서(1)와; 일정한 위치에 고정되어 센서 부착 휨부재(2)에 굽힘을 유도하는 회전 롤러(3)와; 센서 부착 휨부재(2), 로드(4) 그리고 스프링(5)을 고정시키기 위한 휨부재 고정단(6)과; 로드에 발생된 변위만큼 눌려지거나 당겨진 상태에서 변위가 제거되면 원상태로 로드를 복원시키기 위한 스프링(5)과 스프링 고정대(9)와; 회전 롤러(3)와 스프링(5)을 고정시키기 위한 하우징 프레임(7)과; 외부 케이스(8)와 로드(4)로 구성됨을 특징으로 한다.
또한 휨부재 고정단(6) 양쪽에는 외부로부터 가해지는 변위가 센서 부착 휨부재(2)에 그대로 작용되기 위하여, 추가적인 미세한 변위가 없도록 가이드 역할을 수행하는 휨부재 가이드 롤러(10)가 더 설치될 수 있음을 특징으로 한다.
광섬유센서, FBG, 변위, displacement, deflection

Description

휨부재를 이용한 변위 센서{DISPLACEMENT SENSOR APPARATUS USING THIN BENDING CANTILEVER}
본 발명은 휨부재를 이용한 변위 센서에 관한 것으로서, 로드에 의하여 누름 또는 당김의 변위가 발생되면 회전 롤러에 의하여 휨이 발생되고, 이 선형적인 굽힘과 변위와의 상관관계로부터 변위를 측정할 수 있는 센서 부착 휨부재를 이용하는 휨부재를 이용한 변위 센서에 관한 것이다.
교량 등 구조물의 변위는 구조계의 상태를 평가하기 위하여 매우 중요한 측정항목이며, 일반적으로 변위계는 그림 1과 같이 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)와 전기저항식 변형률 게이지(11)가 부착된 리세스를 가지는 캔틸레버 휨부재(21)로 구성된다.
이러한 변위 측정을 위하여 종래에는 전기저항식 변형률 게이지를 많이 사용하였으나, 전기저항식 센서류는 케이블 길이에 따라서 노이즈가 증가되는 단점이 있어, 대형 구조물 측정시 많은 단점을 내포하고 있으며, 장기계측시 자기열 효과에 의하여 센싱부가 부식되는 등 장기적인 내구성에 적지 않은 문제점이 있었다. 또한, 하나의 센서마다 각각 수십에서 수백 미터의 케이블 포설이 필요하기 때문에 많은 인력이 필요할 뿐만 아니라, 획득된 신호의 품질도 양호하지 못한 단점이 있었다.
이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에는 교량과 같은 산업기간 시설물의 장기계측시 FBG(Fiber Bragg Grating) 광섬유센서를 적용하는 사례가 점점 늘어가고 있는 것이 사실이다.
FBG 광섬유센서는 광케이블에 특정파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시켜 인장-압축 또는 온도변화에 따라서 반사되는 파장이 달라지기 때문에, 초기 파장에서 변화된 반사파장의 변화량을 인장-압축 또는 온도로 환산함으로써 센서로서 활용하는 것으로, 하나의 케이블에 파장이 다른 여러개의 센서를 동시에 설치할 수 있어 멀티플레싱이 가능하고, 빛이 소스이기 때문에 케이블 길이가 길어진다 하더라도 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않으며, 수십 km까지 증폭기 없이 신호를 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자기파에 영향이 거의 없으며, 유리재질이기 때문에 습기 등에 의한 부식의 영향이 거의 없어 장기적인 내구성이 매우 뛰어난 센서이다.
FBG 광섬유 변위계도 전기저항식 변위계와 마찬가지로 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)와 광섬유 변형률 센서(1)가 부착된 리세스를 가지는 캔틸레버 휨부재(21)에 의하여 구성이 가능하다. 그러나 FBG 광섬유 변형률 센서는 온도에 대하여 변동이 발생되는데, 이러한 FBG 변위계는 캔틸레버 휨부재(21)의 한쪽 리세스에만 광섬유 변형률 센서(1)를 부착하기 때문에, 온도 보상을 위하여 추가적인 온도계를 설치하여야 하는 단점이 있었다.
또한 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)는 가공시 매우 정밀한 작업이 요구되어 가격이 고가이고, 측정하고자 하는 변위의 범위가 다른 센서를 제작하기 위해서는 또 다시 별도로 고가의 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)를 따로 제작하여야 하는 번거로움이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 본 발명은 휨부재를 이용한 변위 센서를 제공함에 있어, 휨부재 상하에 광섬유센서를 설치함으로써, 별도의 온도계 설치가 필요없이 온도변화에 의한 보상이 가능하고; 측정하고자 하는 변위의 범위가 다른 센서를 제작하기 위해서 별도로 고가의 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)를 따로 제작할 필요없이, 센서 부착 휨부재(2)의 길이와 회전 롤러(3)의 설치 위치 및 높이만 변화 시킴으로써 손쉽게 다양한 측정범위의 센서를 제작할 수 있는 휨부재를 이용한 변위 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
또한 스프링의 방향 변경만으로 누름방식의 변위계(contact type displacement sensor)로도 활용될 수 있고, 당김방식의 변위계(pull type displacement sensor)로도 활용됨이 가능한 휨부재를 이용한 변위 센서를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 휨부재를 이용한 변위 센서에 관한 것으로서, 센서가 부착되며, 로드에 의하여 누름 또는 당김의 변위가 발생되면 회전 롤러(3)에 의하여 휨이 발생되고, 이 선형적인 굽힘과 변위와의 상관관계로부터 변위를 측정할 수 있는 센서 부착 휨부재(2)와; 센서 부착 휨부재의 굽힘량을 측정할 수 있는 광섬유 변형률 센서(1)와; 일정한 위치에 고정되어 센서 부착 휨부재(2)에 굽힘을 유도하는 회전 롤러(3)와; 센서 부착 휨부재(2), 로드(4) 그리고 스프링(5)을 고정시키기 위한 휨부재 고정단(6)과; 로드에 발생된 변위만큼 눌려지거나 당겨진 상태에서 변위가 제거되면 원상태로 로드를 복원시키기 위한 스프링(5)과 스프링 고정대(9)와; 회전 롤러(3)와 스프링(5)을 고정시키기 위한 하우징 프레임(7)과; 외부 케이스(8)와 로드(4)로 구성되는 변위계에 의해서 달성 가능하다.
상술한 바와 같은 휨부재를 이용한 변위 센서를 제공함으로써, 별도의 온도계 설치가 필요없이 온도변화에 의한 보상이 가능하고; 측정하고자 하는 변위의 범위가 다른 센서를 제작하기 위하여 센서 부착 휨부재(2)의 길이와 회전 롤러(3)의 설치 위치 및 높이만 변화 시킴으로써 손쉽게 다양한 측정범위의 센서를 제작할 수 있으며; 또한 스프링의 방향 변경만으로 누름방식의 변위계(contact type displacement sensor)로도 활용될 수 있고, 당김방식의 변위계(pull type displacement sensor)로도 손쉽게 활용이 가능한 특징이 있다.
일반적으로 광섬유센서는 온도와 변형률에 동시에 반응하기 때문에, FBG 광섬유센서를 이용한 변형률 측정시 온도에 대한 보상을 반드시 실시하여야 한다. 이를 위하여 본 발명의 광섬유센서(1)는 센서 부착 휨부재(2) 상하면에 동시에 부착함으로써, 온도변화에 대해서는 동시에 같이 반응하며, 굽힘 발생시에는 절대 물리량은 동일하나 압축 또는 인장으로 부호가 반대인 물리량 변화를 야기시킴으로써, 다음 수식에 의하여 온도에 의한 영향을 제거할 수 있는 자가온도 보상이 가능한 변위 센서를 제공할 수 있다.
Figure 112008010596597-PAT00001
또한 기존의 변위계는 측정하고자 하는 변위의 범위가 다른 센서를 제작하기 위해서 별도로 고가의 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)를 따로 제작하여야 하였다. 그러나 본 발명의 변위센서는 센서 부착 휨부재(2)의 길이만을 짧거나 길게 원하는 길이로 손쉽게 변경하여 부착이 가능하고, 회전 롤러(3)의 설치 위치 및 높이만을 변화시킴으로써 별도의 부품제작이나 변경없이 다양한 측정 범위의 변위센서를 제공할 수 있다.
또한 그림 3에서와 같이 스프링(5)을 하우징 프레임(7) 상단에 고정함으로써 로드(4)의 누름작용에 대하여 스프링(5)이 늘어났다가, 로드의 누름을 제거하면 스프링이 원상 복원되어 누름형식의 변위계(contact type displacement sensor)를 제작할 수 있으며, 스프링(5)을 하우징 프레임(7) 중앙부에 설치하고 누름형식의 변위계(contact type displacement sensor)와는 반대로 로드(4)의 당김작용에 대하여 스프링(5)이 늘어났다가, 로드의 당김을 제거하면 스프링이 원상 복원되어 당김형식의 변위계(pull type displacement sensor)도 손쉽게 제작할 수 있는 특징이 있다.
도 1과 도 2는 종래의 전기저항식 변형률 게이지와 광섬유 변형률 센서를 이용한 변위센서의 예를 나타낸 것이다.
이는 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)와 변형률 센서(1)가 부착된 리세스를 가지는 캔틸레버 휨부재(21)에 의하여 구성이 가능한데, 아래 그림에서 나타낸 바와같이 캔틸레버 휨부재(21)에 설치된 회전 롤러(3)에 의하여 항상 일정한 거리(L)를 확보하는 캔틸레버에, 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)에 의하여 캔틸레버에 작용하는 하중 또는 변위가 선형적으로 변화되어 이를 고정단 인근에 설치된 변형률 센서에 의하여 측정함으로써 가해진 변위를 측정하는 방식이다.
Figure 112008010596597-PAT00002
그러나 상기의 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)와 리세스를 가지는 캔틸레버 휨부재(21)로 구성된 변위 센서는, 경사면을 가지는 단면변화 부재(22) 가공시 매우 정밀한 작업이 요구되어 가격이 고가이고, 측정하고자 하는 변위의 범위가 다른 센서를 제작하기 위해서는 또 다시 별도로 고가의 경사면을 가지는 단면변화 부재(22)를 따로 제작하여야 하는 번거로움이 있다. 또한, FBG 광섬유 변형률 센서는 온도에 대하여 변동이 발생되는데, 이러한 FBG 변위계는 캔틸레버 휨부재(21)의 한쪽 리세스에만 광섬유 변형률 센서(1)를 부착하기 때문에, 온도 보상을 위하여 추가적인 온도계를 설치하여야 하는 단점이 있었다.
이에 반하여 본 발명의 휨부재를 이용한 변위 센서는 도 3과 다음 그림에서 나타낸 바와 같이, 상기 종래의 변위센서의 원리와는 반대로 회전 롤러(3)는 고정되어 있어 하중 또는 변위는 항상 일정하며, 외부에서 가해지는 변위에 의하여 센서 부착 휨부재(2)와 회전 롤러(3)로 접하는 거리가 달라짐에 따라서, 고정단에 발생하는 휨모멘트가 선형적으로 변화하는데, 이를 고정단 인근에 부착한 변형률 센서에 의하여 측정함으로써 변위를 측정할 수 있는 원리이다.
도 3의 휨부재를 이용한 변위 센서는 변형률 센서가 부착되며, 로드에 의하여 누름 또는 당김의 변위가 발생되면 회전 롤러(3)에 의하여 휨이 발생되고, 이 선형적인 굽힘과 변위와의 상관관계로부터 변위를 측정할 수 있는 센서 부착 휨부재(2)와; 센서 부착 휨부재의 굽힘량을 측정할 수 있는 광섬유 변형률 센서(1)와; 일정한 위치에 고정되어 센서 부착 휨부재(2)에 굽힘을 유도하는 회전 롤러(3)와; 센서 부착 휨부재(2), 로드(4) 그리고 스프링(5)을 고정시키기 위한 휨부재 고정단(6)과; 로드에 발생된 변위만큼 눌려지거나 당겨진 상태에서 변위가 제거되면 원상태로 로드를 복원시키기 위한 스프링(5)과 스프링 고정대(9)와; 회전 롤러(3)와 스프링(5)을 고정시키기 위한 하우징 프레임(7)과; 외부 케이스(8)와 로드(4)로 구 성된다.
Figure 112008010596597-PAT00003
일반적으로 광섬유센서는 온도와 변형률에 동시에 반응하기 때문에, FBG 광섬유센서를 이용한 변형률 측정시 온도에 대한 보상을 반드시 실시하여야 하는데, 본 발명의 변위 센서는 휨부재(2) 상하면에 변형률계를 동시에 부착함으로써, 온도변화에 대해서는 동시에 같이 반응하며, 굽힘 발생시에는 절대 물리량은 동일하나 압축 또는 인장으로 부호가 반대인 물리량 변화를 야기 시킴으로써, 온도에 의한 영향을 제거할 수 있는 자가온도 보상이 가능한 변위 센서를 제공함을 특징으로 한다.
또한 다양한 측정범위의 센서제작을 위하여 센서 부착 휨부재(2)의 길이만을 짧거나 길게 원하는 길이로 손쉽게 변경하여 부착이 가능하고, 회전 롤러(3)의 설 치 위치 및 높이만을 변화시킴으로써 별도의 부품제작이나 변경없이 다양한 측정 범위의 변위센서를 제작할 수 있는 특징이 있다.
도 4는 휨부재 가이드 롤러(10)에 대한 설명을 위한 것으로, 휨부재 고정단(6) 양쪽에는 외부로부터 가해지는 변위가 센서 부착 휨부재(2)에 그대로 작용되기 위하여, 추가적인 미세한 변위가 없도록 가이드 역할을 수행하는 휨부재 가이드 롤러(10)가 더 설치될 수 있음을 특징으로 한다.
도 5는 스프링(5)을 하우징 프레임(7) 상단에 고정함으로써 로드(4)의 누름작용에 대하여 스프링(5)이 늘어났다가, 로드의 누름을 제거하면 스프링이 원상 복원되어 누름형식의 변위계(contact type displacement sensor)를 제작할 수 있으며, 스프링(5)을 하우징 프레임(7) 중앙부에 설치하고 누름형식의 변위계(contact type displacement sensor)와는 반대로 로드(4)의 당김작용에 대하여 스프링(5)이 늘어났다가, 로드의 당김을 제거하면 스프링이 원상 복원되어 당김형식의 변위계(pull type displacement sensor)도 손쉽게 제작할 수 있는 특징이 있다.
도 6은 광섬유 변형률 센서를 대신하여 완전 브릿지(full bridge)의 전기저항식 변형률 게이지를 사용할 수 있음을 설명하기 위한 것이다.
도 7은 본 발명의 contact type displacement sensor를 이용하여 교량 등의 구조물 수직처짐에 활용되는 일 실시예를 나타낸 것이며, 도 8은 본 발명의 pull type displacement sensor와 와이어를 이용하여 사면 등의 모니터링에 활용할 수 있는 일 실시예를 나타낸 것이다.
상기에 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 기존 전기저항식 변형률 게이지와 경사면을 가진 부재를 이용한 변위 센서의 예.
도 2는 기존 광섬유 변형률 센서와 경사면을 가진 부재를 이용한 변위 센서의 예.
도 3은 본 발명의 FBG 광섬유 변형률 센서와 캔틸레버 휨부재를 이용한 변위 센서(Contact Type Displacement Sensor).
도 4는 본 발명의 휨부재 가이드 롤러를 구비한 변위 센서(Contact Type Displacement Sensor).
도 5는 본 발명의 로드 당김 방식의 캔틸레버 휨부재를 이용한 변위 센서(Pull Type Displacement Sensor).
도 6은 본 발명의 전기저항식 변형률 게이지와 캔틸레버 휨부재를 이용한 변위 센서.
도 7은 본 발명의 contact type displacement sensor를 이용하여 교량 등의 구조물 수직처짐에 활용되는 일 실시예.
도 8은 본 발명의 pull type displacement sensor와 와이어를 이용하여 사면 등의 모니터링에 활용할 수 있는 일 실시예.
***** 도면상의 주요 기호에 대한 간략한 설명 *****
1 : 광섬유 변형률 센서 2 : 센서 부착 휨부재
3 : 회전 롤러 4 : 로드
5 : 스프링 6 : 휨부재 고정단
7 : 하우징 프레임 8 : 외부 케이스
9 : 스프링 고정대 10 : 휨부재 가이드 롤러
11 : 전기저항식 변형률 게이지 21 : 리세스를 가지는 캔틸레버휨부재
22 : 경사면을 가지는 단면변화 부재 31 : 교량
32 : 사면 33 : 지지대
34 : 연결 와이어 40 : 본 발명의 휨부재를 이용한 변위 센서
40-1 : 접촉식 누름방식의 변위 센서 (Contact Type Displacement Sensor)
40-2 : 당김 방식의 변위 센서 (Pull Type Displacement Sensor)

Claims (6)

  1. 본 발명은 휨부재를 이용한 변위 센서에 관한 것으로서,
    센서가 부착되며, 로드에 의하여 누름 또는 당김의 변위가 발생되면 회전 롤러(3)에 의하여 휨이 발생되고, 이 선형적인 굽힘과 변위와의 상관관계로부터 변위를 측정할 수 있는 센서 부착 휨부재(2)와; 센서 부착 휨부재의 굽힘량을 측정할 수 있는 광섬유 변형률 센서(1)와; 일정한 위치에 고정되어 센서 부착 휨부재(2)에 굽힘을 유도하는 회전 롤러(3)와; 센서 부착 휨부재(2), 로드(4) 그리고 스프링(5)을 고정시키기 위한 휨부재 고정단(6)과; 로드에 발생된 변위만큼 눌려지거나 당겨진 상태에서 변위가 제거되면 원상태로 로드를 복원시키기 위한 스프링(5)과 스프링 고정대(9)와; 회전 롤러(3)와 스프링(5)을 고정시키기 위한 하우징 프레임(7)과; 외부 케이스(8)와 로드(4)로 구성됨을 특징으로 하는 변위 센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 휨부재 고정단(6) 양쪽에는 외부로부터 가해지는 변위가 센서 부착 휨부재(2)에 그대로 작용되기 위하여, 추가적인 미세한 변위가 없도록 가이드 역할을 수행하는 휨부재 가이드 롤러(10)가 더 설치될 수 있음을 특징으로 하는 변위 센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 변형률 센서는 센서 부착 휨부재(2) 상하부에 동시에 부착됨으로써, 추가적인 온도보상 센서 등의 사용이 필요없이 자가온도 보상이 가능함을 특징으로 하는 변위 센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 스프링(5)을 하우징 프레임(7) 상단에 고정함으로써 로드(4)의 누름작용에 대하여 스프링(5)이 늘어났다가, 로드의 누름을 제거하면 스프링이 원상 복원되어 누름형식의 변위계(contact type displacement sensor)를 제작할 수 있으며, 스프링(5)을 하우징 프레임(7) 중앙부에 설치하고 누름형식의 변위계(contact type displacement sensor)와는 반대로 로드(4)의 당김작용에 대하여 스프링(5)이 늘어났다가, 로드의 당김을 제거하면 스프링이 원상 복원되어 당김형식의 변위계(pull type displacement sensor)도 손쉽게 제작 가능함을 특징으로 하는 변위 센서.
  5. 제 1항에 있어서,
    다양한 측정범위의 센서제작을 위하여 센서 부착 휨부재(2)의 길이만을 짧거나 길게 원하는 길이로 손쉽게 변경하여 부착이 가능하고, 회전 롤러(3)의 설치 위 치 및 높이만을 변화시킴으로써 별도의 부품제작이나 변경없이 다양한 측정 범위의 변위센서를 제작할 수 있음을 특징으로 하는 변위 센서.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유 변형률 센서를 대신하여, 완전브릿지(full bridge)의 전기저항식 변형률 게이지로 구성할 수도 있음을 특징으로 하는 변위 센서.
KR1020080012872A 2008-02-13 2008-02-13 휨부재를 이용한 변위 센서 KR20090087559A (ko)

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