KR20110108484A - 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법 및 시스템 - Google Patents

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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 구조물의 변형률을 측정하여 구조물의 비틀림을 측정하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물의 비틀림 변형-변형률 관계를 획득하고, 구조물의 적어도 하나의 지점에 변형률 측정 센서를 부착하여, 부착된 센서로부터 취득된 변형률 신호를 이용하여, 구조물의 비틀림 정도를 측정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 변형률 측정 센서를 이용하여 구조물의 연속된 정적 및 동적 비틀림을 측정할 수 있으므로 비틀림 변형이 중요한 구조물의 건정성을 경제적으로 모니터링할 수 있다는 점에 효과가 있다.

Description

변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법 및 시스템{Measurement Method and System for the Torsion of the structure using Strain Sensors}
본 발명은 구조물의 변형률을 측정하여 구조물의 비틀림을 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물의 비틀림 변형-변형률 관계를 획득하고, 구조물의 적어도 하나의 지점에 변형률 측정 센서를 부착하여, 부착된 센서로부터 취득된 변형률 신호를 이용하여, 구조물의 비틀림 정도를 측정하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
사회가 고도화됨에 따라 교량, 선박, 항공기 등의 구조물의 안전성을 적절히 판단하고, 효율적인 유지 및 보수를 위하여, 구조물 상태 계측 시스템의 요구가 날로 증대되고 있다.
현재는 주로 전기적인 신호를 이용한 변형률, 속도, 가속도 센서를 이용한 계측이 수행되나, 전기 신호를 이용한 센서의 경우 주위 전자기 잡음에 의한 계측 정밀도에 한계가 있고, 센서 설치 및 유지가 힘든 단점이 있다.
이에 최근에는 광섬유 센서를 사용하여, 구조물의 변형률, 온도 등을 계측하고자 연구가 진행되고 있기도 한 실정이다.
한편 자동차나 선박, 헬리콥터 등의 동력 전달 샤프트나 심해 유전 개발을 위한 드릴쉽의 드릴과 같은 파이프 구조가 많이 사용되고 있다. 이런 파이프 구조는 큰 토크를 견디는 부위이며 시스템 전체의 안전과 성능 유지를 위해 운영 기간 동안 구조물의 건정성이 확보되어야 하는 핵심 부위이다.
또한, 빠른 회전을 하기 때문에 복잡한 형태의 동적 비틀림이 발생하고 이로 인한 전체 시스템의 과도한 진동 및 파괴를 야기할 수 있다. 현재까지 파이프 구조의 비틀림을 측정하기 위해서는 축에 부착된 토크 센서 혹은 비틀림 센서를 이용하여 직접적으로 측정하거나 외부의 광학 센서를 이용하여 축방향의 비틀림을 측정하고 있다.
부연하면 구조물의 비틀림을 측정하기 위하여 토크 센서나 비틀림 센서 혹은 스트레인 게이지나 광섬유센서 등을 사용하여 구조물의 특정 부위에 대한 비틀림을 측정할 수 있었다. 최근에는 구조물에 스트레인 게이지 혹은 광섬유 센서를 부착하여 비틀림 각과 작용하는 토크를 측정하기도 한다.
그런데, 이러한 종래 방식으로는 대형 구조물 전체에 대한 분포된 비틀림을 측정하기 위해서는 많은 수의 센서가 필요하다는 단점이 있다. 또한, 구조물의 동적인 비틀림을 측정하기도 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 구조물의 특정 부위에 변형률 측정 센서를 부착 혹은 삽입하여, 이 측정 센서를 이용하여 구조물 전체의 연속된 정적 및 동적 비틀림 변형을 측정할 수 있는 측정 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
위에서 제안된 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예는 구조물의 비틀림 측정 방법을 제공한다. 이 구조물의 비틀림 측정 방법은, 유한 요소 모델(Finite element model), 해석 모델(Analytic model) 혹은 실험을 통하여 구조물 자체의 고유 주파수에 대응하는 고유 모드인 비틀림 변형 모드를 구하는 단계; 상기 고유 주파수와 비틀림의 변형 모드를 조합하여 상기 비틀림 변형 모드에 대응하는 비틀림 변형률 모드를 구하는 단계; 및 상기 비틀림 변형 모드 및 상기 대응하는 비틀림 변형률 모드를 이용하여 비틀림 변형-변형률 관계식을 구하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 비틀림 변형-변형률 관계식은,
Figure pat00001
이며,
여기서, M은 비틀림 변형을 측정할 측정점의 개수, N은 변형률 측정 센서가 부착된 지점의 개수, n은 취사 선택된 비틀림 변형 모드의 개수이고, T는 비틀림 변형-변형률 관계, [Φ]는 취사 선택된 비틀림 변형 모드 행렬, [Ψ]는 취사 선택된 비틀림 변형률 모드 행렬을 의미한다.
이때, 상기 비틀림 변형 모드의 개수는 상기 변형률 센서의 개수보다 작거나 같은 개수인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 구조물의 특정 부위에 설치된 적어도 하나 이상의 변형률 측정 센서로부터 상기 구조물의 기계적 변화량을 측정한 적어도 하나의 측정 신호를 수신하는 단계; 상기 적어도 하나의 측정 신호를 변형률값으로 변환하는 단계; 상기 변형률값을 통계적 처리 또는 상기 변형률값의 특정 주파수를 필터링함으로써 최종 변형률을 구하는 단계; 상기 비틀림 변형-변형률 관계식에 상기 최종 변형률을 곱하여 상기 구조물의 비틀림 변형값을 산출하는 단계를 포함하는 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법을 제공한다.
여기서, 상기 구조물의 비틀림 변형값은 다음식
Figure pat00002
과 같다.
여기서, 상기 통계적 처리는 상기 변형률값의 평균 혹은 최빈값을 구함으로써 상기 구조물에 대한 상기 최종 변형률을 구할 수 있다.
상기 필터링은 상기 변형률값의 주파수 분석(FFT: Fast Fourie Transformation)을 통하여 특정 주파수의 신호를 필터링하는 과정을 통해 상기 최종 변형률을 구할 수 있다.
물론, 상기 필터링은 로우-패스 필터링 또는 모드 필터링이 될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 상기 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법은 상기 구조물에 온도 센서가 설치되고, 상기 온도 센서로부터 상기 구조물에 대한 온도를 감지하여 상기 구조물의 기계적 변화량에 대한 보정을 수행하여 상기 변형률값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예는 구조물의 특정 부위에 설치되는 적어도 하나 이상의 변형률 측정 센서; 상기 변형률 측정 센서로부터 상기 구조물의 기계적 변화량을 측정한 적어도 하나의 측정 신호를 수신하여 변형률값으로 변환하는 변환 수단; 및 상기 변형률값을 통계적 처리 또는 상기 변형률값의 특정 주파수를 필터링함으로써 최종 변형률을 구하고 비틀림 변형-변형률 관계식에 상기 최종 변형률을 곱하여 상기 구조물의 비틀림 변형값을 산출하는 계산 수단을 포함하는 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 시스템을 제공할 수 있다.
여기서, 상기 변형률 측정 센서는, 스트레인 게이지 또는 광섬유 센서일 수 있다.
여기서, 상기 변환 수단은 스트레인 인디케이터 또는 광 스펙트럼 분석기일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예로서 상기 비틀림 측정 시스템은 상기 구조물에 대한 온도를 감지하여 상기 구조물의 기계적 변화량에 대한 보정을 수행하기 위한 보정 정보를 생성하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 변형률 측정 센서를 이용하여 구조물의 연속된 정적 및 동적 비틀림을 측정할 수 있으므로 비틀림 변형이 중요한 구조물의 건정성을 경제적으로 모니터링할 수 있다는 점에 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 특정 부위에 스트레인 게이지를 부착시켜 이 스트레인 게이지로부터 측정된 변형률 신호를 이용하여 구조물의 비틀림 변형을 측정하는 시스템의 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비틀림 변형-변형률 관계식을 획득하는 과정을 보여주는 순서도.
도 3은 도 1의 시스템을 이용하여 구조물의 비틀림 변형값을 구하는 과정을 나타낸 순서도.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 구조물의 특정 부위에 광섬유 센서를 부착시켜 이 광섬유 센서로부터 측정된 변형률 신호를 이용하여 구조물의 비틀림 변형을 측정하는 시스템의 개념도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구조물의 특정 부위에 스트레인 게이지를 부착시켜 이 스트레인 게이지로부터 측정된 변형률 신호를 이용하여 구조물의 비틀림 변형을 측정하는 시스템의 개념도이다.
이 시스템은 구조물(110)의 특정 위치에 설치되는 스트레인 게이지(120), 이 스트레인 게이지(120)와 전기 와이어(121)로 연결되어 스트레인 게이지(120)로부터 측정 신호를 수신하는 스트레인 인디케이터(122), 및 스트레인 인디케이터(122)와 연결되어 구조물(110)의 비틀림 변형값을 계산하는 신호 처리 컴퓨터(130) 등을 포함한다. 이들 구성요소를 설명하면 다음과 같다.
스트레인 게이지(120)는 구조물(110)의 변형율을 측정하는 변형율 측정 센서로서, 변형율에 따라 구조물(110)의 기계적 변화량이 발생하게 되는데, 이러한 기계적 변화량에 따라 도체의 저항이 달라지는 원리를 이용하여 구조물(110)의 변형율을 측정하는 디바이스이다.
즉, 도 1에서 구조물(110)을 축방향(111) 기준으로 특정 방향(112)으로 하중을 가해 비틀면 기계적 변화량이 발생하게 되며, 이러한 기계적 변화에 따라 구조물(110)의 저항이 변화하게 되는데, 이러한 저항의 변화를 감지하는 것이 스트레인 게이지(120)이다. 따라서, 저항의 변화량을 알면 구조물(112)의 변형률을 알 수 있게 된다.
스트레인 게이지(120)는 변형량에 따라(미소한 변형량이나 그보다 더 큰 스케일의 변형량 등) 종류가 다양하다. 또한, 구조물(110)에 부착하는 방식에 따라 두 개 또는 세 개의 스트레인 게이지를 사용한다. 여러 개를 사용할 경우, 60도, 90도, 120도 등 서로 일정한 각도를 가지고 부착시켜서 스트레인을 측정할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 3개의 스트레인 게이지(120)를 구조물(110)에 부착하는 것을 예시하고 있다.
스트레인 인디케이터(122)는 스트레인 게이지(120)가 감지한 구조물(110)의 변화량을 전기 와이어(121)를 통하여 수신받아, 이 변화량을 변형률로 계산하고, 이를 디지털값으로 변환하여 신호 처리 컴퓨터(130)에 전송하는 역할을 한다.
신호 처리 컴퓨터(130)는 구조물(110)의 비틀림값을 계산하는 계산 수단으로서, 스트레인 인디케이터(122)로부터 변형률값을 수신받아 이 수신된 변형률값으로부터 노이즈를 제거하고, 구조물(110)의 최종 변형률값을 계산하여 이 최종 변형률값에 해석 모델 또는 실험을 통해 미리 계산된 구조물(110)의 비틀림 변형-변형률 관계식를 곱하여 비틀림 변형값을 구하는 역할을 한다.
물론, 비틀림 변형-변형률 관계식을 구하는 과정은 도 2의 순서도에 도시되어 있으며, 이 비틀림 변형-변형률 관계식 및 스트레인 게이지(120)에 의해 측정된 변형률을 곱함으로써 구조물(110)의 비틀림 변형값을 구하는 과정은 도 3의 순서도에 도시되어 있다.
그러면, 먼저 비틀림 변형-변형률 관계식을 구하는 과정을 먼저 설명하기로 한다. 이를 보여주는 도면이 도 2에 도시된다.
도 2를 참조하면, 구조물(110)의 유한 요소 모델, 해석 모델 혹은 실험을 통해 구조물(110)의 비틀림 변형 모드를 구한다(단계 S200).
여기서, 유한 요소 모델, 해석 모델 등은 이미 많이 알려져 있는 방식으로서, 이중 유한 요소 모델을 설명하면, 유한 요소 모델은 구조물 (또는 열, 유체, 전기장 등)을 일정한 양식에 의해 유한 요소라고 불리는 작은 부분으로 나누고 각각의 유한요소에 물리적인 법칙을 적용시킨 다음, 이들을 인접한 다른 요소와 함께 nodal point를 통해서 결합하여 최종적으로 전체 시스템에 대한 지배 방정식을 만든 다음 이를 풀이해서 유용한 물리적 정보를 얻는 방법을 말한다.
따라서, 이러한 유한 요소 모델 또는 해석 모델과 같은 해석 프로그램으로 고유 주파수(달리 말하면 진동수) 해석을 하면 그 결과가 고유 주파수와 이 고유 주파수에 해당하는 진동 모드(변형하는 형상)가 생성된다.
보통 진동은 구조물(예를 들면, 110)이 변형하면서 구조물에 축적되는 변형 에너지와 구조물이 변형하는 속도에 의해 구조물에 축적되는 운동 에너지가 주기적으로 변환되는 과정이다.
즉, 이론적으로는, 구조물이 최대 변위를 가질 때 속도는 0이 되고, 속도가 최대가 될 때 구조물의 변형은 0이 된다. 그러나, 실제적으로는 구조물(110)이 진동할 때 변형하는 모습은 실제로는 복잡한 형상이다. 이 형상을 분석하여 보면 특정한 고유 주파수(초당 변형을 반복하는 횟수)에 대해 대응되는 변형의 형태(진동 모드)가 있다.
따라서, 변형은 구조물의 고유 주파수가 여럿이고 이에 대응되는 변형 형태가 여럿이어서 이들의 조합이 된다.
그러므로, 비틀림의 변형 모드를 구하는 것은 구조물 자체의 특성인 이 고유 주파수와 대응되는 고유 모드(진동 모드)를 구한다는 의미이다.
따라서, 이들 고유 주파수와 비틀림의 변형 모드를 조합하면 이 비틀림 변형 모드에 대응하는 비틀림 변형률 모드를 구할 수 있다(단계 S210).
이 비틀림 변형 및 비틀림 변형률 모드를 이용하면 비틀림 변형-변형률 관계식을 다음식과 같이 산출될 수 있다(단계 S220).
Figure pat00003
여기서, M은 비틀림 변형을 측정할 측정점의 개수, N은 변형률 측정 센서(예를 들면, 스트레인 게이지)가 부착된 지점의 개수, n은 취사선택된 비틀림 변형 모드의 개수이다.
이때, n은 항상 N보다 같거나 작아야한다. T는 비틀림 변형-변형률 관계, [Φ]는 취사 선택된 비틀림 변형 모드 행렬, [Ψ]는 취사 선택된 비틀림 변형률 모드 행렬을 의미한다.
부연하면, 비틀림 변형 모드 및 비틀림 변형률 모드 중 사용 예정인 변형률 측정 센서(예를 들면, 스트레인 게이지) 개수보다 작거나 같은 수의 모드를 취사 선택할 수 있다.
그러면, 이제 도 2에 의해 산출된 비틀림 변형-변형률 관계식을 이용하여 구조물의 비틀림 변형값을 구하는 과정을 설명하기로 한다. 이를 보여주는 순서도가 도 3에 도시되는데, 즉 도 3은 도 1의 시스템 개념도를 이용하여 구조물의 비틀림 변형값을 구하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 3을 참조하면, 도 1의 구조물(110)의 특정 부위에 변형율 측정 센서인 스트레인 게이지(120)를 부착 혹은 내부 삽입을 한다(단계 S300). 물론, 스트레인 게이지(120)는 구조물(110)의 센싱을 통해 생성된 전기 신호를 전기 와이어(121)를 통하여, 스트레인 인디케이터(122)에 연결된다. 도 1에서는 3개의 스트레인 게이지(120)를 특정 간격과 각도로 구조물(110)의 표면에 설치한 상태를 보여주고 있다.
이때, 전기 와이어(121)와 스트레인 인디케이터(122)는 하중에 의해 도 1처럼 회전하는 구조물(110)에도 적용할 수 있게, 슬립-링(Slip-ring)으로 연결될 수 있다. 또한, 전기 와이어(121)가 길어지면 신호가 약해지므로 필요에 따라서는 신호 증폭기(Amplifier)를 추가적으로 사용할 수도 있다.
변형률 측정 센서인 스트레인 게이지(120)가 설치되는 상태에서, 외력을 가해 도 1에 도시된 구조물(110)을 반시계의 비틀림 방향(112)으로 회전시키면, 구조물(110)에 기계적 변화량(예를 들면, 늘어나거나 줄어듬)이 발생하게 된다. 따라서, 스트레인 게이지(120)는 이를 측정하여 이 측정된 신호를 스트레인 인디케이터(122)에 전송하게 된다(단계 S310).
스트레인 인디케이터(112)는 이 측정된 신호를 스트레인 게이지(120)로부터 수신하여 변형률값으로 변환하고 이 변형률값을 신호 처리 컴퓨터(130)에 전송한다(단계 S130). 물론, 이때 변형률값은 수개 이상이 될 수 있으므로 노이즈가 있는 상태이다.
따라서, 신호 처리 컴퓨터(130)는 이 변형률값을 통계적 처리를 통해 변형률값의 평균 혹은 최빈값 등을 구함으로써 구조물(110)에 대한 최종 변형률{ε}을 구한다(단계 S330). 물론, 스트레인 인디케이터(122)로부터 수신된 변형률의 주파수 분석(FFT: Fast Fourie Transformation)을 통하여 특정 주파수의 신호를 필터링하는 과정을 통해 최종 변형률을 구하는 것도 가능하다. 이때, 필터링으로는, 로우-패스 필터링, 모드 필터링 등이 사용될 수 있다.
최종 변형률이 구해지면, 신호 처리 컴퓨터(130)는 수학식 1의 비틀림 변형-변형률 관계식에 변형률 측정 센서인 스트레인 게이지(120)로부터 획득된 측정 신호를 통계적 처리 또는 필터링 과정을 통해 생성된 최종 변형률{ε}을 곱하여, 구조물(110)의 비틀림 변형값{ye}을 구한다. 이를 수식으로 나타내면 다음식과 같다.
Figure pat00004
여기서, M은 비틀림 변형을 측정할 측정점의 개수, N은 변형률 측정 센서(예를 들면, 스트레인 게이지)가 부착된 지점의 개수, n은 취사 선택된 비틀림 변형 모드의 개수이다. T는 비틀림 변형-변형률 관계, [Φ]는 취사 선택된 비틀림 변형 모드 행렬, [Ψ]는 취사 선택된 비틀림 변형률 모드 행렬을 의미한다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 3개의 스트레인 게이지(120)를 사용한다면, N=3이 되고, 최대 3개의 모드(n=3)를 선택할 수 있으며, 이의 결과로 M개의 지점에서, 구조물(110)에 대한 비틀림 변형값을 예측할 수 있다.
물론, 4개의 스트레인 게이지(120)를 사용한다면, N=4가 되고, 최대 4개의 모드 (n=4)를 선택할 수 있으며, 이의 결과로 M개의 지점에서, 구조물에 대한 비틀림 변형값을 예측할 수 있다.
즉, 위 수학식 1 및 수학식 2를 이용하면 제한된 개수의 스트레인 게이지(도 1의 120)를 만으로도 구조물(도 1의 110)의 연속된 비틀림을 손쉽게 측정할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 구조물의 특정 부위에 변형률 측정 센서인 광섬유 센서를 부착시켜 이 광섬유 센서로부터 측정된 변형률 신호를 이용하여 구조물의 비틀림 변형을 측정하는 시스템의 개념도이다.
이 시스템은 구조물(110)의 특정 위치에 설치되는 광섬유 센서(120-1), 이 광섬유 센서(120-1)와 광섬유(121-1)로 연결되어 광섬유 센서(120-1)로부터 측정 신호를 수신하는 광스펙트럼 분석기(126), 광섬유 센서(120-1)와 광스펙트럼 분석기(126) 사이에서 광 신호를 전달하는 광커플러(123), 이 광스펙트럼 분석기(126)와 연결되어 구조물(110)의 비틀림 변형값을 계산하는 신호 처리 컴퓨터(130), 광신호의 역류를 방지하는 광신호 역류 방지 차폐기(124), 광원을 광섬유(121-1)를 통하여 광섬유 센서(120-1)에 공급하는 광대역 광원(125) 등을 포함한다.
부연하면, 도 4에 도시된 시스템은 도 1에 도시된 시스템과 달리 광신호를 사용한다. 따라서, 광신호를 처리하기 위한 구성요소가 요구되는데, 이들 구성요소를 설명하면 다음과 같다.
광섬유 센서(120-1)는 주변의 온도 변화를 감지하거나 구조물의 변형 정도를 측정하는 변형률 측정 센서로서, 구조물(110) 표면의 특정 부위에 부착되거나 구조물 내부에 삽입되어 구조물(110)의 비틀림 방향(112)에 따라 구조물(110)의 변형률을 광신호로 측정하는 역할을 한다. 이 광섬유 센서(120-1)는 광민감성 광섬유, 단일모드(single mode) 광섬유, 다중 모드(muliple mode) 광섬유, 광통신용 광섬유, 수소 함침된 광섬유 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
또한, 광섬유 센서(120-1)는 광신호가 통과하는 광섬유 코어(core) 및 광섬유 코어(core) 내부에서 광신호가 잘 통과할 수 있도록 광섬유 코어(core)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 광섬유 클래딩(cladding)을 포함하는데, 광섬유 코어(core) 및 광섬유 클래딩(cladding)을 보호하기 위한 광섬유 재킷(jacket)을 추가로 포함할 수 있다.
광섬유 센서(120-1)는 광신호를 이용하기 때문에 장거리에서도 측정이 가능하며, 광섬유의 재질이 석영이므로 부식되지 않아 장기 계측에 적합하며, 전자기적 간섭을 받지 않고, 센서의 크기가 작고 가벼운 장점이 있다. 이 외에도 공기 중에서 광신호의 전달이 가능하므로 회전 구조물의 구조 안전성 모니터링에 사용할 수 있는 장점이 있다.
광커플러(123)는 광섬유로 전파되는 광 신호를 2개 이상의 광섬유에 분배/분파하거나 반대로 2개 이상의 광섬유를 통해 전파되어온 광을 하나의 광섬유에 결합하는 기능을 갖는 광 수동 소자를 말한다. 도 4에 도시된 광커플러(123)는 예시적으로 1×2 광커플러가 된다.
물론, 광섬유 센서(120-1)를 사용하기 위해서는 광섬유 센서(120-1)에 광원을 공급하는 광대역 광원(125)과, 광신호의 역류를 방지는 하는 광신호 역류 방지 차폐기(124)가 더 구성된다.
이때, 광섬유(121-1)와 1×2 광커플러(123) 사이는 회전 구조물에도 적용할 수 있게, 광 회전 조인트(Optical rotary joint)로 연결될 수 있다.
광 스펙트럼 분석기(126)는 광섬유 센서(120-1)가 감지한 구조물(110)의 기계적 변화량을 광섬유(121-1) 및 광커플러(123)를 통하여 수신받아, 이 기계적 변화량을 변형률로 계산하고, 이를 디지털값으로 변환하여 신호 처리 컴퓨터(130)에 전송하는 역할을 한다.
본 발명의 또 다른 실시예로서는, 더욱 정확한 변형률 측정을 위하여 온도 변화를 보정하기 위한 온도 측정 센서(미도시)를 별도로 사용할 수도 있다. 예를 들면, 구조물(도 1의 110)의 특정 부위에 온도 측정 센서를 부착하여 온도를 측정함으로써, 온도에 따른 구조물의 기계적 변화량(예를 들면, 늘어나거나 줄어든 부피, 길이 등)을 보정하는 것도 가능하다. 왜냐하면, 온도가 상승하면 구조물(110)의 부피 및 길이가 팽창하므로 기계적 변화량도 차이가 나기 때문이다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 상세한 설명, 특허청구범위 및 도면 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
110 : 구조물
111 : 구조물의 축 방향
112 : 구조물의 비틀림 방향
120 : 스트레인 게이지
120-1 : 광섬유 센서
121 : 전기 와이어
121-1 : 광섬유
122 : 스트레인 인디케이터
123 : 광커플러
124 : 광신호 역류 방지 차폐기
125 : 광대역 광원
126 : 광 스펙트럼 분석기
130 : 신호 처리 컴퓨터

Claims (12)

  1. 유한 요소 모델(Finite element model), 해석 모델(Analytic model) 혹은 실험을 통하여 구조물 자체의 고유 주파수에 대응하는 고유 모드인 비틀림 변형 모드를 구하는 단계;
    상기 고유 주파수와 비틀림의 변형 모드를 조합하여 상기 비틀림 변형 모드에 대응하는 비틀림 변형률 모드를 구하는 단계; 및
    상기 비틀림 변형 모드 및 상기 대응하는 비틀림 변형률 모드를 이용하여 비틀림 변형-변형률 관계식을 구하는 단계
    를 포함하는 구조물의 비틀림 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 비틀림 변형-변형률 관계식은,
    Figure pat00005

    (여기서, M은 비틀림 변형을 측정할 측정점의 개수, N은 변형률 측정 센서가 부착된 지점의 개수, n은 취사 선택된 비틀림 변형 모드의 개수이고, T는 비틀림 변형-변형률 관계, [Φ]는 취사 선택된 비틀림 변형 모드 행렬, [Ψ]는 취사 선택된 비틀림 변형률 모드 행렬을 의미한다)인 구조물의 비틀림 측정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 비틀림 변형 모드의 개수는 상기 변형률 센서의 개수보다 작거나 같은 개수인 구조물의 비틀림 측정 방법.
  4. 구조물의 특정 부위에 설치된 적어도 하나 이상의 변형률 측정 센서로부터 상기 구조물의 기계적 변화량을 측정한 적어도 하나의 측정 신호를 수신하는 단계;
    상기 적어도 하나의 측정 신호를 변형률값으로 변환하는 단계;
    상기 변형률값을 통계적 처리 또는 상기 변형률값의 특정 주파수를 필터링함으로써 최종 변형률을 구하는 단계; 및
    제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 방법에 따른 상기 비틀림 변형-변형률 관계식에 상기 최종 변형률을 곱하여 상기 구조물의 비틀림 변형값을 산출하는 단계
    를 포함하는 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 구조물의 비틀림 변형값은 다음식
    Figure pat00006

    (여기서, M은 비틀림 변형을 측정할 측정점의 개수, N은 변형률 측정 센서가 부착된 지점의 개수, n은 취사 선택된 비틀림 변형 모드의 개수이고, T는 비틀림 변형-변형률 관계, [Φ]는 취사 선택된 비틀림 변형 모드 행렬, [Ψ]는 취사 선택된 비틀림 변형률 모드 행렬을 의미한다)에 의해 구해지는 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 변형률 측정 센서는 스트레인 게이지 또는 광섬유 센서인 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 구조물에 온도 센서가 설치되고, 상기 온도 센서로부터 상기 구조물에 대한 온도를 감지하여 상기 구조물의 기계적 변화량에 대한 보정을 수행하여 상기 변형률값을 산출하는 단계를 더 포함하는 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 통계적 처리는 상기 변형률값의 평균 혹은 최빈값을 구함으로써 상기 구조물에 대한 상기 최종 변형률을 구하고,
    상기 필터링은 상기 변형률값의 주파수 분석(FFT: Fast Fourie Transformation)을 통하여 특정 주파수의 신호를 필터링하는 과정을 통해 상기 최종 변형률을 구하되, 상기 필터링은 로우-패스 필터링 또는 모드 필터링이 되는 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 방법.
  9. 구조물의 특정 부위에 설치되는 적어도 하나 이상의 변형률 측정 센서;
    상기 변형률 측정 센서로부터 상기 구조물의 기계적 변화량을 측정한 적어도 하나의 측정 신호를 수신하여 변형률값으로 변환하는 변환 수단; 및
    상기 변형률값을 통계적 처리 또는 상기 변형률값의 특정 주파수를 필터링함으로써 최종 변형률을 구하고 비틀림 변형-변형률 관계식에 상기 최종 변형률을 곱하여 상기 구조물의 비틀림 변형값을 산출하는 계산 수단
    을 포함하는 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 비틀림 변형-변형률 관계식은,
    Figure pat00007


    상기 구조물의 비틀림 변형값은
    Figure pat00008

    (여기서, M은 비틀림 변형을 측정할 측정점의 개수, N은 변형률 측정 센서가 부착된 지점의 개수, n은 취사 선택된 비틀림 변형 모드의 개수이고, T는 비틀림 변형-변형률 관계, [Φ]는 취사 선택된 비틀림 변형 모드 행렬, [Ψ]는 취사 선택된 비틀림 변형률 모드 행렬을 의미한다)인 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 시스템.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 변형률 측정 센서는, 스트레인 게이지 또는 광섬유 센서이고,
    상기 변환 수단은 스트레인 인디케이터 또는 광 스펙트럼 분석기인 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 시스템.
  12. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 구조물에 대한 온도를 감지하여 상기 구조물의 기계적 변화량에 대한 보정을 수행하기 위한 보정 정보를 생성하는 온도 센서를 더 포함하는 변형률 측정 센서를 이용한 구조물의 비틀림 측정 시스템.
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