KR20120139891A

KR20120139891A - 기울기 센서가 설치된 구조물 및 구조물 기울기 원격 측정 시스템

Info

Publication number: KR20120139891A
Application number: KR1020110059426A
Authority: KR
Inventors: 조건희
Original assignee: 조동혁
Priority date: 2011-06-20
Filing date: 2011-06-20
Publication date: 2012-12-28

Abstract

본 발명은 수직형, 수평형, 경사형, 지중형 구조물에 기울기를 액체 수평면의 좌표를 디지털 방식으로 직접 측정하는 센서를 적용함으로써 온도, 시간, 전압 변동과 같은 야외 극한 환경 조건에서도 정확하게 노이즈와 드리프트 없이 원격 계측할 수 있는 효과가 있다. 이러한 개념의 디지털 기울기 센서를 구조물에 적용하여 원격지에서 실시간 계측할 수 있다면 다음과 같은 효과가 기대된다.
첫째, 기존의 가속도 혹은 틸트 센서에서 측정값은 모두 아날로그 값이므로 이를 AD변환 및 온도 보상 회로도 필요하지만 본 발명은 디지털 방식으로 액체와 닿아있는 감지 전극의 좌표를 측정하므로 AD변환 및 온도 보정 할 필요가 없어 회로 구성이 단순해진다.
둘째, 전신주 및 철탑 등과 같은 수직형 구조물에 적용하여 원격지 컴퓨터에서 기울기를 실시간으로 항시 계측하여, 이상 검출시 보수 조치를 취할 수 있어 구조물의 붕괴를 막을 수 있을 것으로 기대된다.
셋째, 교량 및 터널 등과 같은 수평형 구조물에 적용하여 원격지 컴퓨터에서 기울기 및 변형을 실시간으로 항시 계측하여, 이상 검출시 보수 조치를 취할 수 있어 구조물의 붕괴를 막을 수 있을 것으로 기대된다.
넷째. 절토사면 및 급경사지 등과 같은 경사형 구조물에 적용하여 원격지 컴퓨터에서 기울기 및 이동을 실시간으로 항시 계측하여. 이상 검출시 보수 조치를 취할 수 있어 구조물의 붕괴(산사태)를 막을 수 있을 것으로 기대된다.
다섯째, 태풍과 강우 등 자연재해로부터 구조물의 위험 상황을 실시간으로 24시간 확인할 수 있어, 붕괴 이전에 대응 조치를 취할 수 있어 피해 확산을 최소화시킬 수 있다.
여섯째, 스트레인게이지나 광섬유센서의 경우 사용온도(영상 기온) 제한이 있는 계측장비를 사용하므로 원격지에서 24시간 감시가 불가능하여 정기적으로 인원을 파견하여 계측 진단을 해야하는 문제가 있는데, 본 발명은 원격지에서 24시간 무인화가 가능한 효과가 있다.

Description

기울기 센서가 설치된 구조물 및 구조물 기울기 원격 측정 시스템 { The digital inclinometer sensor built in structure and the remote incline measurement system of the structure }

전신주, 송전철탑, 가로등, 교통 신호등과 같이 도로상에는 수직을 유지해야 하는 수직형 구조물과 교량, 터널 등과 같이 수평 형태를 유지해야 하는 수평형 구조물, 절토사면 및 산사태 지역과 같이 특정 각도를 유지해야 하는 경사형 구조물, 상/하수관 및 송유관과 같이 지반 침하로부터 보호해야 하는 지중형 구조물이 있다. 수직형 구조물은 정확히 수직을 유지해야만 태풍 등의 영향으로 풍압이 작용할 때 기울어져 넘어지는 것을 최소화시킬 수 있다. 수직 구조물 하단의 지반의 변동과 수직구조물에 작용하는 풍력 등 다양한 형태의 힘에 의하여 기울어짐이 발생하게 되면, 이로 인해 굽힘 모멘트가 발생하여 기울어짐이 가속화된다. 한국의 경우에도 1,100 만개의 전신주가 전국에 설치되어 있고, 매년 2,100 개 내외의 전신주가 넘어지며, 특히 2003년 태풍(매미)으로 인해 10,263개의 전신주가 파손되거나 기울어졌으며 12개의 송전철탑이 무너져 직접적인 피해는 물론 단전으로 인해 막대한 2차 피해가 발생하고 있다. 전신주나 철탑에 작용하는 하중은 철탑 및 전신주 중량(Wt), 전선중량(Wc), 철탑 및 전신주 풍압(Ht), 전선 풍압(Hc), 수평각도하중(Ha), 평균장력(P), 위련(g)이 있는 것으로 알려져 있다. 16톤에 달하는 전신주(길이 14m)의 경우 5도 기울어지면 굽힘 모멘트가 단순히 전신주 중량만으로 계산해도 978 Kgf?m가 작용하고 있으므로, 여기에 전선 중량 및 강풍으로 풍압이 심하게 작용할 경우 넘어질 우려가 있다. 그러므로, 수직형 구조물의 경우 기울어진 각도를 실시간으로 측정할 수단이 필요하지만, 현재는 적합한 센서가 없는 등 여러 사유로 관리자들이 담당 지역을 운행하면서 관찰하는 방법에 의존하고 있어 실시간으로 위험 상황을 감지할 수 없다. 본 발명은 이와 같은 문제점이 있는 기울기 센서가 설치된 수직형 구조물 및 구조물 기울기 원격 측정 시스템에 대해서이다.

또한, 수평형 구조물의 경우도 스트레인게이지나 광섬유센서(FBG형 광센서)를 이용하여 측정 지점의 변형률을 측정하여 구조물 붕괴 위험을 간접적으로 측정하고 있다. 변형률을 측정하여 교량과 같이 복잡한 구조물의 절대적 변형 상태와 기울어짐을 수치화하여 계산하는 데는 많은 어려움이 있으며, 변형률 센서 및 계측장비들의 특성상 전천후 24시간 항시 계측이 어려워 수평형 구조물에 많은 비용을 들여 센서를 장착한 효과를 보지 못하고 있다. 이에 본 발명은, 수평형 구조물의 경우 초기 시공 당시의 상태(아날로그 수준기 사용하여 시공)에서 절대적인 변형 정도 및 기울어짐을 측정하는 장치와 원격지 계측시스템에 대해서이다.

또한, 도로 주변의 절토사면처럼 경사형 구조물의 경우도 대부분 철망으로 경사지를 보강하고 있지만, 무너질 경우 도로를 파손시켜 장시간 교통 차단, 차량 파손, 인명 피해 우려가 있다. 경사형 구조물의 경우는 다른 구조물과 달리 바위와 토양으로 이루어져 전체 지역에 걸쳐 붕괴 위험을 감지하는 센서의 선택과 효과가 매우 어렵다. 이에 본 발명은, 절토사면과 같은 경사형 구조물의 경우도 초기 시공 당시의 상태에서 절대적인 기울어짐 변화를 측정하는 장치 및 원격으로 확인하는 측정시스템에 대해서이다.

수직형, 수평형, 경사형, 지중형 구조물의 기울기와 변형 상태를 원격지에서 정확하게 실시간으로 계측할 수 있다면, 구조물의 붕괴를 사전에 예방할 수 있어 인적/물적 피해를 최소화할 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 수직형, 수평형, 경사형, 지중형 구조물의 측정 지점들의 변형 상태 및 기울기를 정확하게 외부 환경 변화에 영향받지 않고 안정적으로 측정하는 센서가 필요하다. 현재, 가속도센서나 틸트 센서로 경사각도를 측정하는 경우, 측정값 자체가 아날로그 값이기 때문에 온도 및 시간, 전원 상태에 따른 노이즈와 드리프트가 필연적으로 발생하여 이러한 센서들을 구조물에 설치하여 기온 변화가 심한 외부 환경에서 24시간 계측할 경우 정확한 절대 기울기 값을 판단할 수 없다. 물론, 센서에 온도 보정회로를 추가하여 온도 영향을 최소화할 수 있지만, 이 외에 전원 안정성 등 여러 문제로 시간에 따른 드리프트를 피할 수 없다. 이러한 측면에서 온도 및 시간, 전원 상태에 영향을 받지않는 디지털 값으로 기울기를 바로 센싱할 수 있는 새로운 개념의 센서가 설치된 구조물 개발이 필요하다.

구조물의 수평과 경사도를 측정하기 위해 오래전부터 주기포관에 액체를 기포가 형성되는 정도를 채워 밀봉하고 액체 면이 지구 중심에 대해 직각을 유지하는 중력의 특성을 이용하는 아날로그 수준기가 사용되어왔다. 주기포관의 감도에 따라 1종은 4초(0.02mm/m)의 경사를 감지하며, 2종은 10초(0.05mm/m), 3종은 20초(0.1mm/m)의 정밀도를 가지고 있으며, 기본 원리는 수준기를 기울이면 기포는 경사가 높은쪽으로 이동하므로 기포관의 왼쪽과 오른쪽에 눈금선을 설정하고 기포가 가리키는 눈금선의 위치를 읽어 경사도를 측정하고 있으며, 대부분의 구조물을 시공할 때 기준 평면 및 수직을 맞추기 위해 사용한다. 본 발명인에 의해 전도성 액체를 용기에 채우고 용기 면에 액체가 닿아있음을 측정하는 전극들을 많이 설치하여 액체가 닿아있는 최소 3점의 전극 좌표를 이용하여, 평면방정식을 구하고 법선벡터를 계산하면 방향코사인 공식에 의하여 액체 수평면의 기울어진 각도 α,β,γ를 구하는 발명에 대한 출원(일례로 10-2010-0051494호)이 다수 이루어진 바 있다. 혹은, 2축 이하의 기울기를 측정하는 경우 간단한 삼각함수에 의해 기울어진 각도를 계산하였다. 이러한 원리의 센서는 측정 면 전극들의 디지털 좌표값을 이용하여 기울기를 계산하므로, 기울기를 아날로그 값으로 측정하여 AD 변환하는 기존의 센서들과 달리 온도, 시간, 전압 변동의 영향이 전혀 받지않아 전천후 실시간 계측이 야외 구조물에서도 가능하다는 큰 이점이 있다.

이와 함께 구조물에 설치한 센서들을 원격지에서 실시간으로 계측하기 위해서는, 많은 센서를 데이터 수집장치와 일일이 병렬로 연결하는 대신 신호를 변환하여 1 가닥의 광케이블이나 동축케이블을 사용하여 전송하고, 이를 데이터 수집장치에서 원래 값으로 변환시켜 표준형 USB 이동통신 모뎀 등으로 원격지 컴퓨터로 전송하는 방식이 제안될 수 있다. 200m 이내의 짧은 거리는 동축 케이블을 사용하고 그 이상의 거리를 측정하는 경우 광케이블을 사용한다. 혹은, 전신주나 가로동, 교통시설물의 경우 전력선 통신방식이 사용가능한 경우, 각각의 전신주에 설치되어 있는 전선을 통해 원격지로 센서 측정값을 전송하는 방식도 적용될 수 있다. 혹은, 센서마다 표준형 USB 이동통신모뎀 혹은 양방향 무선호출모뎀을 설치하여 이동통신망으로 계측시스템을 구성할 수 있다. 혹은, 무선랜의 애드호크(ad-hoc) 통신 기능을 이용하여, 최종 데이터 수집 장치까지 각 센서에 와이파이를 릴레이 식으로 연결하여 전송토록 하는 방식도 제안될 수 있다. 그러나, 전력소비 및 운영 측면에서는 전국 통신망이 구축되어 있다면, 양방향 무선호출 방식이 유리할 것으로 판단된다.

현재의 변형률 및 기울기 센서를 이용하여 다양한 야외 구조물의 변형 및 기울어짐을 안정적으로 정확하게 실시간으로 원격 측정할 수 있는 방법은 알려져 있지 않다. 이로 인해 전신주 등과 같은 수직형 구조물의 경우 일일이 육안으로 기울어짐을 확인하여 보수를 하고 있다. 이를 원격지 컴퓨터에서 전신주와 같은 수직형 구조물의 기울어짐 상태를 모두 실시간으로 모니터할 수 있다면, 시설물 유지 및 재난 관리에 획기적인 전환점이 제공될 것으로 전망된다. 특히, 최근 전신주에 통신용 전선 및 케이블 방송 전선 등이 추가되면서 전신주에 걸리는 하중이 점차 증가하고 있어 붕괴 우려가 높아지는 만큼 철저한 관리를 요구하고 있다. 특히, 공사 현장에서 사용하는 타워 크레인의 붕괴 사고는 매우 빈번하게 발생하고 있는 만큼 타워 크레인과 같은 수직형 구조물도 기울기 상태에 대해서 실시간으로 측정 관리할 수 있는 수단을 필요로 한다. 그러므로, 수십 년 사용하는 수직형 구조물의 특성을 만족시킬 수 있는 구조물의 기울어짐을 안정적으로 정확하게 실시간으로 원격 계측할 수 있는 센서와 구조물 및 원격 계측 방법을 제안하고자 한다.

교량 및 터널과 같은 수평형 구조물은 스트레인게이지나 광섬유센서를 이용하여 변형률을 측정하여 구조적 안정성 여부를 판단하고 있지만, 이러한 센서로는 교량 및 터널의 기울기나 변형 상태를 직접 측정할 수 없고 복잡한 수학적 모델화를 통해 계산해야 하는 문제점이 있으며, 구조물의 구성이 매우 복잡하여 짐에 따라 수학적 모델화도 실제 상황과 일치시키는데 어려움이 있다. 즉, 기존의 스트레인게이지나 광섬유센서는 상대적인 변형률을 측정하므로, 미시적인 관측만이 가능하여 다리 전체의 절대적인 변형 및 기울기를 직접 측정할 수 없다. 그러므로, 수십 년 사용하는 교량과 같은 수평형 구조물의 특성을 만족시킬 수 있는 기울어짐을 정확하게 실시간으로 원격 측정할 수 있는 센서와 구조물 및 원격 게측 방법을 제안하고자 한다.

산악지형이 많은 국가의 경우 도로 주변의 절토사면과 같은 경사지가 많이 있는데 해마다 토사 및 암반이 무너지는 사고가 빈번하게 발생하여 많은 피해를 주고 있다. 일본의 경우 70%가 산지이며 산사태가 빈번하게 발생하고 있어, 이를 예측하기 위해 최근 광섬유센서를 이용한 산사태 감지체계를 개발한 것으로 알려져 있다. 이러한 계측 체계는 산사태 위험도를 등급으로 구분한 위험지도 작성에 따라 도로 절개 면이나 자연 비탈면 가운데 산사태 위험 지역으로 지정된 곳에 센서 구실을 하는 광섬유를 깔거나 별도의 센서를 설치한 뒤 광섬유로 연결해 비탈면의 옹벽에 설치한 판독기로 미세한 땅의 변화를 탐지하는 방식이지만, 판독기 가격만 3 억원 내외로 예측 효과를 떠나 보급에 한계가 있다. 한국에서도 이러한 산사태 계측시스템을 2001년 도입해 한국건설기술연구원에서 도로 주변의 절토사면에 대한 실험에 들어갔으나 막대한 비용 문제와 광섬유센서의 특성상 미세한 변화는 알 수 있으나 실제로 산사태 감지 효과가 크지 않다는 이유로 중단하였다. 현재는 철근을 철사로 연결해 비탈에 설치한 후 사면의 변화를 일일이 사람이 측정하는 방식을 사용하고 있다. 산사태가 일어나는 것은 강우, 지진, 지형, 지질, 산림의 영향을 복합적으로 받는다. 그러나, 경사지의 토사나 암반은 선형적인 강건한 구조체가 아니므로 스트레인게이지나 광섬유센서를 설치하는 것으로는 산사태 여부를 정확하게 판단하기 어려우므로 새로운 개념의 센서와 측정 시스템을 필요로 한다. 그러므로, 수십 년 사용하는 경사형 구조물의 특성을 만족시킬 수 있는 각 측정 지점의 기울어짐을 안정적으로 정확하게 실시간으로 계측할 수 있는 센서와 원격 계측 시스템을 필요로 한다. 도로 절토사면의 산사태를 방지하기 위한 대책 공법으로는 활동하중 경감(절취/상부절취/면정리/이완암제거/라운딩), 활동 억제(록앵커/어스앵커/록볼트/소일네일링/말뚝공/버트리스/의지식온벽/계단식옹벽), 낙석제어(낙석방지망/낙석방지울타리/옹벽/개비온), 표면보호(식색공/격자블록/사방공), 수리제어(산마루측구/소단배수로/수직도수로/수평배수공)가 알려져 있다.

본 발명은 이와 같이 구조물의 절대적인 변형 및 기울기를 장기간(10년 이상)에 걸쳐 안정적으로 야외 운용 조건에 영향받지 않는 아날로그 수준기와 같은 형태의 강건한 센서와 센서를 설치한 구조물 및 원격 계측 시스템을 제안하고자 한다. 스마트폰에 사용하는 모션센서로는 지자기센서, 자이로센서, 가속도센서, 정전용량식 틸트센서가 있다. 지자기센서는 방위를 가리키지만 외부의 자기장 변화에 민감하며 정밀도가 떨어지며 70도 이상의 경사지에서는 원리상 정북 방향을 지시하는데 한계가 있으며 물체 면의 경사도를 측정하는 데는 사용할 수 없다. 가속도센서도 원리가 가속도에 해당하는 힘에 대응하는 변위 값을 측정하여 AD 변환하므로, 온도와 시간, 전압특성에 따라 측정값에 노이즈와 드리프트가 발생하는 문제가 있다. 정전용량식 틸트센서는 기울이면 두 극 사이의 액체량이 달라져 정전 용량이 변하는 특성을 이용하여 기울기를 측정하는 전형적인 아날로그형 센서로 온도/시간/전압 특성에 변동이 심하고, 정밀도 및 측정 범위가 제한된다. 또한, 작동 원리상 2축 이상의 기울기를 동시에 측정하지 못한다.

스트레인게이지 및 가속도센서와 틸트센서는 센서의 구조와 원리상 모두 아날로그 수치 값이 출력되고 이를 AD 변환하여 디지털 값으로 바꾸는 회로가 필요하므로 온도, 습도, 전압 변동, 시간과 같은 환경의 영향을 많이 받고 노이즈와 드리프트 성분들이 포함되기 때문에 회로나 프로그램으로 신호 변환과 필터링 및 보정을 해줘야 하는 문제점이 있어, 수십 년간 가혹한 야외 환경에서 사용해야 하는 구조물에 설치하는 센서로는 적합하지 않다.

이를 해결하기 위해 본 발명에서는 기존 센서들과는 다르게 기울기를 디지털 값으로 바로 측정하여 시간과 온도에 따른 측정값 변화가 근본적으로 없도록 구성하고, 이를 구조물에 설치하여 각 측정 지점의 절대 기울기를 직접 측정한다. 즉, 구조물이 기울어졌는지 세밀하게 검사하기 위해 여러 측정 지점에 아날로그 수준기를 이용하여 일일이 측정하는 것이 가장 효과적이므로, 이를 위해 X,Y,Z 축에 대응하는 6개 측정 면에 감지 전극을 설치하고, 액체를 부분적으로 채워 밀봉하면, 기울기에 따라 6개 측정 면의 감지 전극에 액체가 닿는 위치를 검출하면, 3개 축 방향의 기울기를 동시에 측정할 수 있다. 이를 단위 시간의 변화량을 측정하면 속도 성분이 계산되고, 단위 시간의 속도 변화량을 계산하면 가속도 성분이 얻어져 구조물에 가해지는 충격 인식 센서로도 사용할 수 있다. 본 발명은 액체 면이 언제나 중력방향에 대해서 수직을 유지하는 원리를 이용하고, 액체가 담기 용기 안에서 각 측정면(육면체의 경우 6면)에 감지 전극을 설치하여, 액체가 닿아있는 경계선의 감지 전극 위치를 검출한다. 1축과 2축의 기울기만 측정하는 경우 삼각 함수에 의해 기울기를 측정하도록 하는 방식으로 구성되며, 3축의 경우 액체와 닿는 최소 3개의 감지 전극을 검출하여 평면방정식과 법선 벡터, 방향 코사인을 구하여 기울기 αβγ를 구하는 방식을 적용한다. 이는 기존의 측정 방식이 대부분 아날로그 방식임에 비해 측정값 자체가 회전각도를 측정하는 엔코더처럼 디지털 데이터로 측정되므로 AD 변환기 및 온도보상회로가 필요 없어 주변 회로 등도 매우 단순하게 안정적으로 구현할 수 있는 특징이 있다.

이와 같이 구조물 측정 지점에 적합한 센서를 장착하고 이를 직렬방식으로 연결하여 구성하는데, 직렬방식으로는 I2C 버스를 사용할 경우 최대 128개의 센서를 부착할 수 있으며, 와이어 길이는 중간에 리피터(repeater)를 추가할 경우 연장할 수 있다. 혹은, 이더넷 형식의 데이터를 1 가닥 동축 케이블(10 Base2의 경우 전송길이 185m, 10 Base5의 경우 전송 길이 500m)로 변환하는 회로를 이용하여 연결되어 있는 많은 센서 데이터를 직렬로 전송할 수 있다. 혹은, 이더넷 형식의 데이터를 1 가닥 광케이블로 변환하는 회로를 이용하여 센서 데이터를 직렬로 전송할 수 있다. 케이블의 끝 단에는 연결된 모든 센서 데이터를 수집하는 데이터 수집수단을 설치하여 유선이나 혹은 표준 USB형 표준 무선모뎀으로 원격지 컴퓨터에 전송하도록 구성함이 합리적이다.

본 발명은 수직형, 수평형, 경사형, 지중형 구조물에 기울기를 액체 수평면의 좌표를 디지털 방식으로 직접 측정하는 센서를 적용함으로써 온도, 시간, 전압 변동과 같은 야외 극한 환경 조건에서도 정확하게 노이즈와 드리프트 없이 원격 계측할 수 있는 효과가 있다. 이러한 개념의 디지털 기울기 센서를 구조물에 적용하여 원격지에서 실시간 계측할 수 있다면 다음과 같은 효과가 기대된다.

첫째, 기존의 가속도 혹은 틸트 센서에서 측정값은 모두 아날로그 값이므로 이를 AD변환 및 온도 보상 회로도 필요하지만 본 발명은 디지털 방식으로 액체와 닿아있는 감지 전극의 좌표를 측정하므로 AD변환 및 온도 보정 할 필요가 없어 회로 구성이 단순해진다.

둘째, 전신주 및 철탑 등과 같은 수직형 구조물에 적용하여 원격지 컴퓨터에서 기울기를 실시간으로 항시 계측하여, 이상 검출시 보수 조치를 취할 수 있어 구조물의 붕괴를 막을 수 있을 것으로 기대된다.

셋째, 교량 및 터널 등과 같은 수평형 구조물에 적용하여 원격지 컴퓨터에서 기울기 및 변형을 실시간으로 항시 계측하여, 이상 검출시 보수 조치를 취할 수 있어 구조물의 붕괴를 막을 수 있을 것으로 기대된다.

넷째. 절토사면 및 급경사지 등과 같은 경사형 구조물에 적용하여 원격지 컴퓨터에서 기울기 및 이동을 실시간으로 항시 계측하여. 이상 검출시 보수 조치를 취할 수 있어 구조물의 붕괴(산사태)를 막을 수 있을 것으로 기대된다.

다섯째, 태풍과 강우 등 자연재해로부터 구조물의 위험 상황을 실시간으로 24시간 확인할 수 있어, 붕괴 이전에 대응 조치를 취할 수 있어 피해 확산을 최소화시킬 수 있다.

여섯째, 스트레인게이지나 광섬유센서의 경우 사용온도(영상 기온) 제한이 있는 계측장비를 사용하므로 원격지에서 24시간 감시가 불가능하여 정기적으로 인원을 파견하여 계측 진단을 해야하는 문제가 있는데, 본 발명은 원격지에서 24시간 무인화가 가능한 효과가 있다.

제 1 도는 전신주와 같은 수직형 구조물의 하중 설치 구조도다.
제 2 도는 교량과 같은 수평형 구조물에 광섬유센서(FBG)를 설치하여 변형률을 측정하는 구성도이다.
제 3 도는 일본에서 급경사지에 광섬유센서를 설치하여 미소 변형을 감지하여 데이터 로거로 계측하는 시스템 구성도이다.
제 4 도는 경사지에서 지표변위를 측정하기 위해 지표경사계를 설치하여 구성하는 계측시스템 구성도이다.
제 5 도는 경사지에서 지중변위를 측정하기 위해 여러 형태의 경사계를 설치하여 구성하는 계측시스템의 구성도이다.
제 6 도는 본 발명의 구조물에 고정하는 기울기 센서를 직렬 방식의 케이블 선에 브리지 형태로 확장시킬 수 있는 구성도이다.
제 7도와 제 8도에 본 발명의 구조물의 기울기를 측정하는 지점에 고정하는 전도성 액체를 채워 수평면을 측정하는 감지 전극이 설치된 유연기판(FPCB)을 상부기판 및 하부기판과 결합하는 구성도이다.

본 발명은 원심추가 중력 방향을 향하듯이 유동하는 액체 면은 언제나 중력 방향에 대해서 수직 면을 유지한다는 원리를 이용하며, 전도성 액체를 통해 전기가 검출되도록 정해진 간격으로 설치한 감지 전극 수단을 측정 면에 설치한다. 즉, 전원 공급 전극에 전기 신호를 가하면 전도성 액체를 통해 감지 전극에 전기가 흐르므로 전기적으로 연결된 감지 전극들을 검출하여 액체 수평면의 기울기를 계산함을 기본 원리로 한다. 이를 구현하기 위해 유연기판(FPCB) 등에 측정하려는 정밀도에 따라 일정 간격으로 감지 전극을 형성시키고, 각각의 감지 전극에 전기가 흐르는지를 읽어들이는 IC 혹은 ASIC과 회로적으로 연결하여 전기를 전압공급 전극에 공급하면 액체와 닿아있는 감지 전극에는 전기 신호가 검출되므로 그 값을 읽으면 액체와 측정 면이 닿은 좌표를 디지털 값으로 환산할 수 있다. 3축 방향의 기울기를 측정하기 위해서는 전도성 액체가 담겨 있는 사각형 내의 12개 모서리 각각에 감지 전극을 설치하거나, 원통형 내의 측정 면에 감지 전극을 설치하여 최소 3개 점에서 액체와 닿아있는 경계선상의 감지 전극의 위치(좌표)를 측정하여 평면방정식을 구하여 법선 벡터를 계산하면 각 축 방향의 경사도를 알 수 있다. 3개 점을 연결하는 평면방정식을 구하여 법선 벡터를 계산하는 공식은 널리 알려져 있다. 3축이 아니라 2축 이내의 경우는 삼각함수 계산에 의해 기울기를 구할 수 있다. 기존의 전자식 수준기(정전용량식 아날로그 틸트센서 적용)로는 경사각 측정 범위가 제한되어 있는데, 본 발명과 같이 액체의 수평면 방정식을 계산하여 기울기를 직접 측정하는 방식은 상면과 하면에 감지 전극을 설치할 경우 측정 범위를 360도까지 확대할 수 있다. 본 발명인에 의해 특허 제 10-2010-0051494호에 의해 수평면을 감지하는 레벨 센서에 대한 기본 개념이 다수 출원된 바 있다. 이러한 센서는 기존 센서의 아날로그 측정값 방식이 아니라 회전각도를 디지털로 측정하는 엔코더와 같이 기울기를 디지털로 측정하는 방식으로 구성되므로, 구조물이 설치되어 있는 야외 환경에서도 온도와 시간 및 전압 변동에 무관한 측정값을 항시 얻을 수 있다는 장점이 있어 교량, 전신주 등과 같은 구조물들의 변형과 기울기를 24시간 항시 계측 가능하다. 이하 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1 도는 전신주와 같은 수직형 구조물의 하중 설치 구조도로 수직을 유지해야만 굽힘 모멘트를 제거할 수 있는데, 최근 전신주에 변압기와 전선 이외에 케이블방송 및 인터넷통신선이 추가되면서 전신주에 가해지는 하중이 늘어나고 있어 수직을 유지하지 못할 경우 횡 방향으로 굽힘 모멘트가 증가하게 된다. 국내의 경우도 1,100 만개의 전신주가 설치되어 있고 매년 35 만개의 전신주를 신규로 설치 및 보수하고 있고 태풍 등으로 2천 개의 전신주가 붕괴하고 있지만, 야외에 설치되어 있는 전신주의 기울기를 원격지에서 실시간으로 계측할 수 있는 기울기 센서가 없어 육안으로 관측 심하게 기울어진 전신주를 보수 관리하는 상태이다. 제 2 도는 교량과 같은 수평형 구조물에 광섬유센서(FBG)를 설치하여 변형률을 측정하는 계측시스템 구성도이다. 광섬유센서 및 계측장비는 용도에 따라 수억 원에 이르는 고가의 계측시스템으로 운용 온도 범위도 제한되어 있어 항시 계측하는 대신 주기적으로 점검하는 형태로 운영되고 있는 문제점이 있다. 또한, 변형률을 측정하므로 교량 등 구조물의 실제 변형 상태와 기울기를 알아내기 위해서는 이론적인 모델화 기법을 적용해야 한다는 한계가 있다. 제 3 도는 일본에서 급경사지에 광섬유센서를 설치하여 미소 변형을 감지하여 데이터로거로 측정하는 시스템 구성도이다. 국지적인 변동을 계측할 수 있지만 광범위한 절토사면의 변화를 측정하는 데는 한계가 있으며 데이터로거의 가격이 3억 원 내외로 알려져 있다. 제 4 도는 경사지에서 지표변위를 측정하기 위해 지표 경사계를 설치하여 구성하는 계측시스템 구성도이다. 지표의 움직임을 측정하기 위해 기존의 아날로그식 경사도 센서를 적용하는 것으로 알려져 있어 온도 보상 및 시간에 따른 드리프트 발생에 대한 대책이 필요하다. 제 5 도는 경사지에서 지중변위를 측정하기 위해 여러 형태의 경사계를 설치하여 구성하는 계측시스템의 구성도이다. 지중의 움직임을 측정하기 위해 기존의 아날로그식 경사도 센서를 폴 내부에 삽입하여 적용하는 것으로 알려져 있고 온도 보상 및 시간에 따른 드리프트 발생에 대한 대책이 필요하다.

제 6 도는 구조물에 고정하는 본 발명의 기울기 센서를 직렬 방식의 케이블 선으로 브리지 형태로 확장시킬 수 있는 구성도이다. 교량이나 경사지의 경우 많은 측정 지점에 기울기 센서를 설치해야 하는데 이를 브리지 형태로 확장 설치하도록 하여 넓은 범위를 동시에 계측한다. 브리지를 연결하는 최종 단의 센서 노드에서 앞 단의 센서들의 측정값을 모아서 데이터 변환장치에 전달한다. I2C 통신 방식을 이용할 경우 128개의 센서 노드를 지원할 수 있다. 혹은, 센서 노드간의 I2C 통신 데이터를 전달하는 릴레이 기능을 이용하여 전송하면 센서 노드 개수 및 전송거리 제한을 근본적으로 해결할 수 있다. 전신주와 같이 일정 거리 간격으로 설치되는 구조물의 경우 케이블로 전신주 사이의 센서들을 연결할 수 있지만, 무선 방식으로 구축하는 것이 유리할 수 있다. 자체적으로 태양전지와 같은 수단으로 전원을 공급받고 측정 데이터를 앞 단의 전신주의 센서로 무선망으로 정해진 시간에 전송하는 형태로 계속 릴레이 전송하는 형태로 구성하여 최종적으로 데이터변환장치로 전달한다. 100 개의 전신주를 이러한 방식으로 구성하면 6KM(전신주 간격 60M)에 1개의 데이터 변환장치를 설치하여 운용하면 된다. 전원 소모를 줄이기 위해 해당 센서들에는 정해진 시간에 데이터를 전송하도록 동기화를 해두고 평상시에는 슬립 모드로 동작하도록 한다. 각 센서별로 전신주 번호에 해당하는 고유 번호가 기록되어 있어 측정값을 고유 번호와 함께 전송한다. 센서를 전신주에 고정하는 방법은 신규 제작하는 전신주에는 센서를 설치하는 홈을 설정하는 방법이 있지만, 기존 전신주의 경우 원형 밴드를 사용하여 고정하는 방법을 적용할 수 있다.

제 7도와 제 8도에 구조물의 기울기를 측정하는 지점에 고정하는 전도성 액체를 채워 수평면 감지 전극이 설치된 유연기판(FPCB)을 상부기판과 하부기판을 결합하는 구성도이다. 유연기판의 한쪽 면에 감지 전극을 설치하여 상부 및 하부기판과 표면실장 방식(SMT)으로 조립 연결하도록 한다. 한쪽 면에 감지 전극을 모두 설치하므로 유연기판(FPCB)의 패턴 정밀도에 의해 감지 전극의 숫자가 제한된다. 유연기판의 경우 일반적으로 선폭은 50~70um 이고 피치는 100~140um 로 알려져 있으며, 베이스 재질은 PI 필름 혹은 LCP(Liquid Crtstal Polymer)를 사용하고 있다. 동박의 두께 단위로는 '온스'라는 단위를 사용하는데 0.5온스는 0.0175mm, 1온스는 0.035mm의 두께이며 일반적으로 0.5~3 온스 범위를 사용한다. 이와 같이 기본적으로 패키지 내부에서 유동하며 수평면을 유지하는 액체의 기울기를 측정하기 위해서는, 유연기판(1)의 높이 면에 복수 개의 높이 감지 전극(3)을 설치하는 수단; 높이 감지 전극(3)의 일부를 상부 기판(15)과 닿아있는 유연기판의 연결패드(7)와 연결하는 수단; 높이 감지 전극(3)의 일부를 하부 기판(11)과 닿아있는 유연기판의 연결패드(12)와 연결하는 수단; 유연기판의 연결패드(7)를 상부기판의 연결패드(8)와 회로적으로 연결하는 수단; 유연기판의 연결패드(12)를 하부기판의 연결패드(14)와 회로적으로 연결하는 수단; 상부기판(9)의 경사각 감지 및 계산수단(13)과 상부기판의 연결패드(8)를 회로적으로 연결하는 수단; 하부기판(11)의 경사각 감지수단(18)과 하부기판의 연결패드(8)를 회로적으로 연결하는 수단; 유연기판(1) 내에서 유동하여 수평면을 유지하는 전도성 액체를 가득 채우지 않고 부분적으로 채우고 밀봉하는 수단; 전원 공급전극에 전기 신호를 가하여 수평면을 유지하는 전도성 액체를 통해 모든 감지전극(2, 3, 4)들의 전기적 특성(일례로 저항 혹은 정전용량 혹은 인덕턴스) 차이를 상부 경사각 감지 및 계산수단(13)과 하부 경사각 감지수단(18)에서 검출하는 수단; 하부 경사각 감지수단(18)에서 전도성 액체가 닿아있는 혹은 닿아있지 않은 감지 전극의 데이터를 상부 경사각 감지 및 계산수단(13)에 전달하는 수단; 수평면을 유지하는 액체와 닿아있는 혹은 닿아있지 않은 감지 전극들의 위치를 검출하여 경사도를 계산하는 수단으로 구성할 수 있다. 상부 경사각 감지 및 계산수단(13)에서 액체와 닿아있는 경계선상의 감지 전극을 판단하는 수단; 액체와 닿아있는 경계선상의 최소 3개의 감지 전극의 좌표를 이용하여 액체 수평면의 법선 벡터를 계산하는 수단; 각각의 축에 대한 기울기를 계산하는 수단으로 구성하여 기울기를 계산한다. 3점의 좌표 A(x1,y1,z1), B(x2,y2,z2), C(x3,y3,z3)를 지나는 평면 방정식은 ax+by+cz+d=0, a=y1(z2-z3)+y2(z3-z1)+y3(z1-z2), b= z1(x2-x3)+z2(x3-x1)+z3(x1-x2), c=x1(y2-y3)+x2(y3-y1)+x3(y1-y2), d=-(x1(y2x3-y3z2)+x2(y3x1-y1z3)+x3(y1x2-y2z1))으로 구해진다. 여기서 법선벡터는 (a,b,c)로 주어지므로 각 축에 대한 기울기는 방향코사인으로 계산된다. 벡터 v=(a,b,c)가 나타내는 방향의 방향코사인은 cos α, cos β, cos γ이고 α, β, γ는 각각 벡터 v가 x, y, z 축과 이루는 각으로 정의되어 구할 수 있다. 즉, cos α = a / √(a2 + b2 + c2), cos β = b / √(a2 + b2 + c2), cos γ = c / √(a2 + b2 + c2)를 계산하여 각각에 대하여 arccos으로 α, β, γ를 구하면 된다. 혹은, 높이 면에만 감지 전극이 있는 경우에는 유연기판(1)의 최소 3개 높이 면에 감지 전극(3)을 각각 설치하는 수단; 상부 경사각 감지 및 계산수단(13)에서 액체와 닿아있는 경계선 상의 높이 감지 전극을 판단하는 수단; 액체와 닿아있는 경계선상의 최소 3개의 높이 감지 전극의 좌표를 이용하여 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단; 각각의 축에 대한 기울기를 계산하는 수단으로 구성할 수 있다. 유연기판 이외에 일반 기판을 이용하여 감지 전극을 설치하도록 구성할 수 있다. 혹은, 정밀 커넥터처럼 사출 면에 몰딩 방식으로 감지 전극을 설치하도록 구성할 수 있다.

이와 같은 특징의 센서를 전신주 및 철탑과 같은 수직형 구조물에 설치하는데 있어서,구조물의 기울기를 측정하는 지점을 1 개 이상 설정하는 수단; 액체 수평면의 좌표를 측정하여 기울기를 계산하는 센서를 측정 지점에 설치하는 수단; 1개 이상의 센서를 케이블로 연결하는 수단; 케이블 끝 단에 설치하여 센서들의 기울기 데이터를 수집하여 전달하는 수단(데이터 변환장치); 데이터를 유/무선통신 수단으로 원격지 컴퓨터에 전달하여 실시간으로 계측할 수 있음을 특징으로 하는 기울기 센서가 설치된 수직형 구조물 및 기울기 원격 계측시스템이 제공된다. 혹은, 본 발명의 센서를 교량 및 철탑과 같은 수직형 구조물에 설치하는데 있어서, 구조물의 기울기와 변형을 측정하는 지점을 1 개 이상 설정하는 수단; 액체 수평면의 좌표를 측정하여 기울기를 계산하는 센서를 측정 지점에 설치하는 수단; 1개 이상의 센서를 케이블로 연결하는 수단; 케이블 끝 단에 설치하여 센서들의 기울기와 변형 데이터를 수집하여 전달하는 수단(데이터 변환장치); 데이터를 유/무선통신 수단으로 원격지 컴퓨터에 전달하여 실시간으로 계측할 수 있음을 특징으로 하는 기울기 센서가 설치된 수평형 구조물 및 기울기 원격 계측시스템이 제공된다. 혹은, 본 발명의 센서를 절토사면 및 급경사지와 같은 경사형 구조물에 설치하는데 있어서, 구조물의 기울기와 이동을 측정하는 지점을 1 개 이상 설정하는 수단; 액체 수평면의 좌표를 측정하여 기울기를 계산하는 센서를 측정 지점에 설치하는 수단; 1개 이상의 센서를 케이블로 연결하는 수단; 케이블 끝 단에 설치하여 센서들의 기울기와 이동 데이터를 수집하여 전달하는 수단(데이터 변환장치); 데이터를 유/무선통신 수단으로 원격지 컴퓨터에 전달하여 실시간으로 계측할 수 있음을 특징으로 하는 기울기 센서가 설치된 경사형 구조물 및 기울기 원격 계측시스템이 제공된다. 혹은, 지하에 매립되어 있는 시설 구조물 관리에 적용할 수 있다. 지하매립 시설물이 지반 침하 및 지진 등으로 파손되었을 때 정확한 지점을 알 수 없어 유지 관리에 어려움이 있다. 본 발명의 센서를 송/하수관 및 파이프류와 같은 지하매립형 구조물에 설치하는데 있어서, 구조물의 기울기와 이동을 측정하는 지점을 1 개 이상 설정하는 수단; 액체 수평면의 좌표를 측정하여 기울기를 계산하는 센서를 측정 지점에 설치하는 수단; 1개 이상의 센서를 케이블로 연결하는 수단; 케이블 끝 단에 설치하여 센서들의 기울기와 이동 데이터를 수집하여 전달하는 수단(데이터 변환장치); 데이터를 유/무선통신 수단으로 원격지 컴퓨터에 전달하여 실시간으로 계측할 수 있음을 특징으로 하는 기울기 센서가 설치된 지하매립형 구조물 및 기울기 원격 계측시스템이 제공된다.

이때, 구조물에 설치된 센서에서 기울기를 계산하기 위해서, 측정 면과 액체가 닿아있는 경계선상의 감지 전극들을 판단하는 수단; 측정 면과 액체가 닿아있는 경계선상의 최소 3개의 감지 전극의 좌표를 이용하여 액체 수평면의 평면방정식과 법선 벡터를 계산하는 수단; 법선벡터의 방향코사인을 계산하는 수단; 각각의 축에 대한 기울기를 계산하는 수단으로 구성한다. 혹은, 측정 면과 액체가 닿아있는 경계선상의 감지 전극을 판단하는 수단; 측정 면과 액체가 닿아있는 경계선상의 최소 감지전극의 좌표를 이용하여 삼각함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단; 각각의 축에 대한 기울기를 계산하는 수단으로 구성할 수 있다. 이와 함께, 액체와 닿아 있는 경계선의 최소 3점의 감지 전들의 좌표로 법선 벡터를 계산하여 액체 수평면의 기울기를 각 축에 대해 구하는 수단; 각 축의 단위 시간당 기울기 변화로 각속도를 계산하는 수단: 및 각 축의 단위 시간당 각속도 변화로 각가속도를 계산하는 수단으로 구성하면 측정지점의 진동 혹은 지진파를 직접 측정할 수 있다. 이러한 형태의 구조물에 설치하는 센서는 360도 전체 영역의 기울기 보다는 특정 범위의 기울기 각도를 정확하게 측정할 필요가 있다. 이에, 특정한 패턴으로 특정 범위에서는 감지 전극을 많이 설치하여 정밀도를 높이는 형태로 구성할 수 있다. 혹은, 특정 위치에 감지 전극을 설치하여 특정위치의 감지 전극에서 액체가 감지되면, 즉시 경보 하는 용도로 사용할 수 있는 특정 기울기를 바로 감지하도록 구성할 수도 있다. 액체 수평면의 기울기를 측정하는 센서는 지구 중력 방향을 중심으로 하는 회전 변형(Yaw 성분)은 검출할 수 없으므로, 이를 해결하기 위해 기울기 센서와 함께 지자기 센서를 연결하여 센서 설치 지점의 방향 값 변화를 확보하는 수단을 포함하여 구조물의 기울기와 함께 지자기 방향 변화를 함께 측정하도록 구성해야 한다. 전원 장치를 설치하기가 용이한 교량 등 대형 구조물과 달리 전신주나 경사지의 경우 전원 공급 문제를 해결해야 한다. 즉, 센서 회로와 함께 태양전지판을 부착하는 수단; 태양전지판의 전류를 배터리를 충전하는 수단; 배터리를 통해 센서에 전류를 공급하도록 구성한다. 센서들의 데이터를 케이블 끝단의 데이터 변환장치에서 모두 수집하고 이를 원격지로 전달하는데 있어서 구조물의 특성상 유선통신 수단으로 원격지 컴퓨터와 연결할 수 없다. 그러므로, 케이블 끝단에서 데이터를 수집하는 수단; 무선호출수단 혹은 이동전화수단을 통해 데이터를 원격지로 전송토록 구성한다. 교량과 같은 경우는 1천 개 이상의 센서가 설치되므로 센서를 모두 케이블로 데이터 변환장치와 연결하는 것은 어려움이 많다. 그러므로, 센서의 기울기 출력 데이터를 직렬 통신 방식으로 변환하는 수단; 1 가닥의 동축 혹은 광케이블로 전달하는 수단; 케이블 끝 단에서 직렬 통신 방식의 데이터를 원래 센서의 기울기 출력 데이터로 변환하는 수단으로 구성하여 원격지 컴퓨터로 전송하도록 구성된다. 혹은, 센서 1과 센서 2 사이에 직렬통신으로 연결하여 센서 2에서 센서 1 정보를 함께 통신 패킷을 구성하고, 이를 센서 3에 직렬통신으로 전송하면 센서 3에서 센서 1과 센서 2 정보를 함께 통신 패킷을 구성하여 센서 n까지 반복하면, 센서 n에는 센서 1 ~ 센서 n까지의 모든 기울기 정보를 가지고 있으므로 이를 원격지 컴퓨터로 전송하도록 구성할 수 있다. 각 센서의 기울기 데이터를 10 바이트로 구성하면 센서 1천 개를 이러한 패킷 방식으로 데이터를 전달한다면 센서n의 최종 데이터는 10K 바이트로 원격지 컴퓨터에 전송하는데 큰 용량은 아니다. 그러므로, 전신주와 같이 일정 간격으로 떨어져 있는 구조물의 경우 센서와 센서 사이의 데이터 전달을 무선으로 구축할 수 있다. 즉, 전신주 1과 전신주 2 사이에 센서 간을 무선통신으로 연결하여 전신주 2에서 전신주 1의 센서 정보를 함께 통신 패킷을 구성하고, 이를 전신주 3에 무선통신으로 전송하면 전신주 3에서 전신주 1과 전신주 2 정보를 함께 통신 패킷을 구성하여 전신주 n까지 반복하면, 전신주 n에는 전신주 1 ~ 전신주 n까지의 모든 기울기 정보를 가지고 있으므로 이를 원격지 컴퓨터로 전송하도록 구성할 수 있다.

급경사지 재해 예방을 위해 국내의 경우 2007년 제정된 법령에 의해 관리기관은 붕괴위험지역 지반의 침하, 활동, 전도 및 붕괴 등으로 위치변화를 사전에 감지하기 위하여 필요하다고 판단되는 경우 대통령령으로 정하는 바에 따라 지속적인 계측, 자료관리를 직접하거나 계측업 등록을 한 자에게 이를 대행하여야 한다고 규정되어 있는 것처럼, 건축물/사회간접자본 구조물의 안정성 진단은 매우 중요하다. 이러한 구조물의 안정성 진단을 위해 현재까지 알려져 있는 센서로는 아날로그 측정 방식으로 광범위한 온도 및 전압 변화 및 수십 년간의 시간 변화에 따라 측정값의 노이즈와 드리프트가 발생하여 구조물의 정확한 기울기 변화를 계측하는데 한계가 있는데, 본 발명과 같이 액체의 수평면 좌표를 디지털로 측정하는 센서를 구조물에 적용함으로써 이러한 문제점을 근본적으로 해결할 수 있어, 구조물 안정성을 계측하고 판단하여 재해를 사전에 예방하는데 획기적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

1 : 유연기판(FPCB) 2 : 상부 감지전극단
3 : 높이 감지전극 4 : 하부 감지전극
7 : 유연기판의 상부 연결패드 8 : 상부기판의 연결패드
11 : 하부기판 12 : 유영기판의 하부 연결패드
13 : 상부 경사각 감지 및 계산수단 14 : 하부기판의 연결패드
15 : 상부기판 18 : 하부경사각 감지수단

Claims

전신주 및 철탑과 같은 수직형 구조물에 있어서,
구조물의 기울기를 측정하는 지점을 1 개 이상 설정하는 수단;
액체 수평면의 좌표를 측정하여 기울기를 계산하는 센서를 측정 지점에 설치하는 수단;
1개 이상의 센서를 케이블로 연결하는 수단;
케이블 끝 단에 설치하여 센서들의 기울기 데이터를 수집하는 수단;
데이터를 유/무선통신 수단으로 원격지 컴퓨터에 전달하여 실시간으로 계측할 수 있음을 특징으로 하는 기울기 센서가 설치된 수직형 구조물 및 원격 계측 시스템
교량 및 철탑과 같은 수직형 구조물에 있어서,
구조물의 기울기와 변형을 측정하는 지점을 1 개 이상 설정하는 수단;
액체 수평면의 좌표를 측정하여 기울기를 계산하는 센서를 측정 지점에 설치하는 수단;
1개 이상의 센서를 케이블로 연결하는 수단;
케이블 끝 단에 설치하여 센서들의 기울기와 변형 데이터를 수집하는 수단;
데이터를 유/무선통신 수단으로 원격지 컴퓨터에 전달하여 실시간으로 계측할 수 있음을 특징으로 하는 기울기 센서가 설치된 수평형 구조물 및 원격 계측 시스템
절토사면 및 급경사지와 같은 경사형 구조물에 있어서,
구조물의 기울기와 이동을 측정하는 지점을 1 개 이상 설정하는 수단;
액체 수평면의 좌표를 측정하여 기울기를 계산하는 센서를 측정 지점에 설치하는 수단;
1개 이상의 센서를 케이블로 연결하는 수단;
케이블 끝 단에 설치하여 센서들의 기울기와 이동 데이터를 수집하는 수단;
데이터를 유/무선통신 수단으로 원격지 컴퓨터에 전달하여 실시간으로 계측할 수 있음을 특징으로 하는 기울기 센서가 설치된 경사형 구조물 및 원격 계측 시스템
송/하수관 및 파이프류와 같은 지하매립형 구조물에 있어서,
구조물의 기울기와 이동을 측정하는 지점을 1 개 이상 설정하는 수단;
액체 수평면의 좌표를 측정하여 기울기를 계산하는 센서를 측정 지점에 설치하는 수단;
1개 이상의 센서를 케이블로 연결하는 수단;
케이블 끝 단에 설치하여 센서들의 기울기와 이동 데이터를 수집하는 수단;
데이터를 유/무선통신 수단으로 원격지 컴퓨터에 전달하여 실시간으로 계측할 수 있음을 특징으로 하는 기울기 센서가 설치된 지하매립형 구조물 및 원격 계측 시스템
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
측정 면과 액체가 닿아있는 경계선상의 감지 전극을 판단하는 수단;
측정 면과 액체가 닿아있는 경계선상의 최소 3개의 감지 전극의 좌표를 이용하여 액체 수평면의 평면방정식과 법선 벡터를 계산하는 수단;
법선벡터의 방향코사인을 계산하는 수단;
각각의 축에 대한 기울기를 계산하는 수단으로 구성함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 센서의 기울기 계산 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
측정 면과 액체가 닿아있는 경계선상의 감지 전극을 판단하는 수단;
측정 면과 액체가 닿아있는 경계선상의 감지 전극의 좌표를 이용하여 삼각 함수에 의해 각 방향의 기울기를 계산하는 수단;
각각의 축에 대한 기울기를 계산하는 수단으로 구성함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 센서의 기울기 계산 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
액체와 닿아 있는 경계선의 최소 3점의 감지 전극의 좌표로 법선 벡터를 계산하여 액체 수평면의 기울기를 각 축에 대해 구하는 수단;
각 축의 단위 시간당 기울기 변화로 각속도를 계산하는 수단: 및
각 축의 단위 시간당 각속도 변화로 각가속도를 계산하는 수단으로 구성함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 센서의 각속도 및 각가속도 계산 방법 및 진동과 지진파 감지 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
특정한 패턴으로 특정 범위에 감지 전극을 많이 설치하여 정밀도를 높이는 것을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 센서의 특정 범위 정밀도 증대 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
특정 위치에 감지전극을 설치하여 특정위치의 감지 전극에서 액체가 감지되면, 경보하는 특정 기울기를 바로 감지하도록 구성함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 센서의 특정 기울기 감지 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
기울기 센서와 함께 지자기 센서를 연결하는 수단;
센서 설치 지점의 방향 측정값을 확보하는 수단;
구조물의 기울기와 함께 지자기센서 방향 변화를 함께 측정함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 기울기 센서의 지자기 방향 성분 측정 방법
제 1 및 3 항에 있어서,
태양전지판을 부착하는 수단;
태양전지판의 전류로 내장된 배터리를 충전하는 수단;
배터리를 통해 센서에 전류를 공급함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 센서의 전원 공급 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
케이블 끝단에서 데이터를 수집하는 수단;
양방향 무선호출수단 혹은 이동전화수단을 통해 데이터를 원격지로 전송함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 센서 데이터 무선 전송 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
센서의 기울기 출력 데이터를 직렬 통신 방식으로 변환하는 수단;
1 가닥의 동축 혹은 광케이블로 전달하는 수단;
케이블 끝 단에서 직렬 통신 방식의 데이터를 원래 센서의 기울기 출력 데이터로 변환하는 수단으로 구성함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 복수 개 센서 데이터의 직렬 전송 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
센서 1과 센서 2 사이에 직렬통신으로 연결하여 센서 2에서 센서 1 정보를 함께 통신 패킷을 구성하는 수단;
이를 센서 3에 직렬통신으로 전송하여 센서 3에서 센서 1과 센서 2 정보를 함께 통신 패킷을 구성하는 수단;
센서 n까지 릴레이 형태로 직렬통신을 반복하여 센서 n에는 센서 1 ~ 센서 n까지의 모든 기울기 정보를 가지는 수단;
이를 원격지 컴퓨터로 전송하도록 구성하도록 구성함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 복수 개 센서 데이터의 릴레이 형태 직렬 전송 방법
제 1 및 2 및 3 및 4 항에 있어서,
센서 1과 센서 2 사이에 무선통신으로 연결하여 센서 2에서 센서 1 정보를 함께 통신 패킷을 구성하는 수단;
이를 센서 3에 무선통신으로 전송하여 센서 3에서 센서 1과 센서 2 정보를 함께 통신 패킷을 구성하는 수단;
센서 n까지 릴레이 형태로 무선통신을 반복하여 센서 n에는 센서 1 ~ 센서 n까지의 모든 기울기 정보를 가지는 수단;
이를 원격지 컴퓨터로 전송하도록 구성하도록 구성함을 특징으로 하는 구조물에 설치하는 복수 개 센서 데이터의 릴레이 형태 무선통신 전송 방법