KR20170023666A - 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치 - Google Patents

광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치 Download PDF

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Abstract

광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치에 관한 것으로,
미리 설정된 길이를 갖고 연속적으로 연결해서 사용하는 복수의 단위 광섬유 격자 센서모듈을 포함하고, 각 센서모듈은 보호관 내부에 설치되고 길이 변화를 감지하는 광섬유 격자 변형률센서, 상기 보호관의 일측에 나란하게 설치되는 설치부재 및 상기 설치부재 상에 설치되고 각도변위를 측정하는 광섬유 격자 각도변위센서를 포함하여 2차원 또는 3차원의 내공변위 및 천단침하를 상시 계측하는 구성을 마련하여, 측정 대상물에 복수의 광섬유 격자 센서모듈을 연속적으로 설치해서, 단면변형에 의한 좌표점 이동거리와 각도변위를 계측해서 내공변위 및 천 단 침하를 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING CONVERGENCE AND CEILING SUBSIDENCE USING FIBER BRAGG GRATING SENSOR}
본 발명은 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터널 시공 중 및 유지관리 단계에서 내공변위 및 천단침하를 실시간으로 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치에 관한 것이다.
터널의 내공변위 측정에 있어서 터널의 단면상에서 길이 방향의 변화만을 측정하는 경우, 라이닝의 변형 특성상 변형된 후 좌표의 방향성을 알 수가 없기 때문에, 터널의 수축 또는 팽창 여부를 알기 전에는 정밀한 내공변위를 계측하기 어려운 문제점이 있었다.
따라서, 종래의 터널 내공변위 및 천 단 침하 측정방법은 터널의 라이닝을 관통하여 길이변화 측정센서를 매립해서 팽창 또는 수축 여부를 판단하거나, 내공변위를 측정하기 위한 변위센서와 각도센서를 사용하여 길이 변화량과 각도 변화량을 측정한 후, 두 개의 측정결과를 조합하여 내공변위로 환산하는 방식을 사용하였다.
그 중에서 후자인 전기식 센서시스템은 서로 다른 측정 방식으로 길이변화와 각도의 두 가지 값을 측정하기 때문에, 두 가지 센서의 서로 다른 측정 정밀도에 의해서 내공변위의 정확성이 좌우되며, 두 가지 센서 시스템을 사용하기 때문에 데이터 수집 장치가 복잡해지고 그 측정비용이 상대적으로 높게 책정되었다.
그리고 센서의 정확도는 측정 길이가 1m인 경우, 길이변화에 대한 분해능은 1/100mm, 각도는 1/100도를 주로 사용하므로, 미세변형을 측정하기에는 한계가 있었다.
또한, 전자기파의 영향을 많이 받아 계측 신뢰도가 떨어짐에 따라, 지하철 등이 운행 중일 때에는 계측을 하지 못하는 매우 취약한 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 출원인은 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 광섬유 격자센서를 이용한 내공침하 및 천 단 침하 측정 기술을 개시하여 출원해서 등록받은 바 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-0857306호(2008년 9월 5일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-0796161호(2008년 1월 21일 공고)
그러나 특허문헌 1 및 특허문헌 2를 포함하는 종래기술에 따른 내공침하 및 천 단 침하 측정장치는 평면상에 광섬유 격자센서를 설치함에 따라, 2D 및 3D 측정 정밀도에 한계가 있었다.
그리고 종래기술에 따른 내공침하 및 천 단 침하 측정장치는 설치과정에서 설치하고자하는 대상물에 형성되는 간섭물로 인해 유격이 발생하는 경우, 설치가 어렵고, 측정값의 정밀도가 현저하게 저하되는 문제점이 있었다.
또한, 종래기술에 따른 내공침하 및 천 단 침하 측정장치는 변형률센서 상에 각도변위센서를 설치함에 따라, 각도변위센서의 하중에 의해 길이변위의 측정값에 오차가 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터널 시공 중 및 유지보수 시 내공변위 및 천 단 침하를 정밀하게 측정할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 터널 내 설치작업시 유격이 발생하더라도 센서모듈을 고정하는 고정유닛의 설치위치 및 설치각도를 조절해서 설치함으로써, 측정된 데이터의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치는 미리 설정된 길이를 갖고 연속적으로 연결해서 사용하는 복수의 단위 광섬유 격자 센서모듈을 포함하고, 각 센서모듈은 보호관 내부에 설치되고 길이 변화를 감지하는 광섬유 격자 변형률센서, 상기 보호관의 일측에 나란하게 설치되는 설치부재 및 상기 설치부재 상에 설치되고 각도변위를 측정하는 광섬유 격자 각도변위센서를 포함하여 2차원 또는 3차원의 내공변위 및 천단침하를 상시 계측하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 각 센서모듈의 양단에 각각 마련되고 이웃하는 센서모듈을 연결하는 베이스, 상기 보호관과 설치부재의 양단을 각각 상기 베이스에 고정하는 고정부재 및 고정유닛을 더 포함하고, 상기 보호관의 양단에는 각 베이스 사이의 거리 및 베이스의 설치 각도에 따라 상기 광섬유 격자 변형률센서의 설치거리 및 설치각도의 조절이 가능하도록, 상기 보호관을 따라 이동 가능하게 결합구가 마련되며, 상기 결합구는 상기 베이스와 고정부재에 사이에 삽입 고정되는 것을 특징으로 한다.
상기 설치부재는 바 형상의 레일로 마련되고, 상기 설치부재의 양단에는 각 베이스 사이의 거리 및 베이스의 설치 각도에 따라 상기 설치부재의 설치거리 및 설치각도 조절이 가능하도록, 각각 제1 링크와 제2 링크가 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 링크의 일단은 상기 설치부재의 일단에 좌우 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 상기 제1 링크의 타단은 상기 고정유닛과 상하 방향으로 회전 가능하게 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 링크의 일단은 상기 설치부재의 타단에 좌우 방향으로 회전 가능하게 결합되고, 상기 제2 링크의 타단에는 상기 제2 링크를 따라 이동 가능하게 결합구가 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 고정유닛은 상기 베이스에 고정되는 제1 브래킷 및 상기 제1 브래킷의 일측에 결합되고 상기 설치부재에 결합된 제1 링크를 상하 방향으로 회전 가능하게 고정하는 제2 브래킷을 포함하며, 상기 제2 브래킷에는 상기 제1 링크에 형성된 축공에 삽입되는 연결축이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 베이스에는 서로 이웃하는 한 쌍의 센서모듈을 동시에 설치 가능하도록 각각 한 쌍의 고정부재와 고정유닛이 결합되는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치에 의하면, 측정 대상물에 복수의 광섬유 격자 센서모듈을 연속적으로 설치해서, 단면변형에 의한 좌표점 이동거리와 각도변위를 계측해서 내공변위 및 천 단 침하를 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 의하면, 전자기파의 영향이 전혀 없고, 계측 분해능력이 매우 뛰어나 계측 신뢰도가 높은 광섬유 격자 변형률센서 및 각도변위센서를 이용하여 내공변위 및 천 단 침하를 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 상시 안전진단이 가능하고, 하나의 시스템으로 길이변위와 각도변위를 동시에 계측할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 첨 단 침하 측정방법을 제공하고자 한다.
또, 본 발명에 의하면, 보호관 상에 변형률센서를 설치하고, 변형률센서와 나란하게 각도변위센서를 설치하여 기존에 보호관 상에 각도변위센서를 설치하는 경우, 각도변위센서의 하중으로 인한 오차를 발생을 방지함으로써, 측정 정밀도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 터널의 천단 형상에 따른 베이스의 설치 거리 및 각도에 유격이 발생하더라도, 변형률센서 및 설치부재의 설치거리 및 설치각도를 조절해서 유격을 보상함으로써, 각 센서를 안정적으로 설치할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 기존의 전기식 시스템의 단점인 전자기파의 영향을 완전히 극복하여 그동안 불가능했던 운행 중인 지하철의 터널 내공 변위를 상시 계측할 수 있고, 광섬유 격자센서의 우수한 특성으로 인하여 정밀도를 향상시킬 수 있으며, 한 가닥의 광섬유로 최대 40여개의 센서를 직렬 연결할 수 있어 기존의 전기식 시스템보다 훨씬 적은 공간에 설치할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 광섬유 격자 센서의 고유한 반사 파장을 계측함에 따라, 측정방법이 동일하여 하나의 계측시스템으로 상시안전 진단이 가능해지고, 토목구조물의 초기값 대비 누적 변형을 계측할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치의 사시도,
도 2 및 도 3은 각각 도 1에 도시된 단위 광섬유 격자센서모듈의 확대 사시도 및 부분 확대 사시도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치의 측정방법을 단계별로 설명하는 공정도,
도 5는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치가 터널에 장착된 상태의 예시도,
도 6은 터널 내공변위 및 천 단 침하에 따른 벡터 dx, dy 측정 원리를 설명하는 예시도,
도 7은 라이닝 내공변위 및 천 단 침하 절대좌표 방식의 계측원리를 설명하는 예시도,
도 8은 라이닝 내공변위 및 천 단 침하 상대좌표 방식의 계측원리를 설명하는 예시도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치 및 측정방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치의 사시도이고, 도 2 및 도 3은 각각 도 1에 도시된 단위 광섬유 격자센서모듈의 확대 사시도 및 부분 확대 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 길이를 갖고 연속적으로 연결해서 사용하는 복수의 단위 광섬유 격자 센서모듈(이하 '센서모듈'이라 함)(10)을 포함한다.
각 센서모듈(10)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 단면이 사각 형상이나 원 형상의 파이프로 이루어진 보호관(21) 내부에 설치되고 길이 변화를 감지하는 광섬유 격자 변형률센서(이하 '변형률센서'라 함)(20), 보호관(21)의 일측에 나란하게 설치되는 설치부재(30) 및 설치부재(30) 상에 설치되고 각도변위를 측정하는 광섬유 격자 각도변위센서(이하 '각도변위센서'라 함)(40)를 포함한다.
이와 함께, 각 센서모듈(40)은 각 센서모듈(40)의 양단에 각각 마련되고 이웃하는 센서모듈(40)을 연결하는 베이스(50) 및 보호관(21)과 설치부재(30)의 양단을 각각 베이스(50)에 고정하는 고정부재(51)와 고정유닛(52)을 더 포함할 수 있다.
이에 따라, 각 센서모듈(40)은 베이스(50)에 각각 연속적으로 설치되며, 독립적인 좌표를 갖고 터널 등의 내부 단면을 연속적으로 설치될 수 있다.
예를 들어, 각 센서모듈(10)은 약 1m의 길이로 마련될 수 있다.
그리고 변형률센서(20)는 길이 변위 측정을 위해 약 1/10,000,000의 분해능력을 가지고, 각도변위센서(3)는 약 1/1,000도의 분해능력을 가질 수 있다.
변형률센서(20)는 도 2에 도시된 바와 같이, 보호관(21) 내부에 베이스(50)와 베이스(50) 사이에 길이 방향을 따라 가로질러 설치되고, 변형률센서(20)의 양단에는 각각 보호관(21)을 따라 이동 가능하고, 베이스(50)와 고정부재(51) 사이에 삽입 고정되는 결합구(22)가 마련될 수 있다.
결합구(22)는 대략 볼 형상으로 형성되고, 결합구(22)의 중앙부에는 보호관(21)이 삽입되도록 관통공이 형성될 수 있다.
이에 따라, 본 발명은 설치하고자 하는 베이스 사이의 거리 및 베이스가 설치된 각도에 따라, 결합구를 보호관을 따라 이동시켜 위치를 조절한 후, 볼 형상의 결합구를 베이스와 고정부재 사이에 고정함으로써, 변형률센서의 설치위치 및 설치각도를 조절할 수 있다.
설치부재(30)는 대략 바 형상으로 형성된 레일로 마련되고, 설치부재(30)의 양단에는 각각 제1 링크(31)와 제2 링크(32)가 각각 연결될 수 있다.
설치부재(30)의 양단에는 측면에서 보았을 때, 대략 'ㄷ' 형상되도록 삽입홈(33)이 형성될 수 있다.
제1 링크(31)는 일단이 삽입홈(33)에 삽입된 상태에서 고정핀에 의해 설치부재(30)에 고정된다.
여기서, 제1 링크(31)와 설치부재(30)는 고정핀을 중심으로 좌우 방향을 따라 회전할 수 있다.
제1 링크(31)의 타단에는 가로 방향을 따라 축공(34)이 형성되고, 축공(34)에는 베이스(50)에 제1 링크(31)를 고정하는 고정유닛(52)에 형성된 연결축(55)이 삽입된다.
그래서, 제1 링크(31)는 연결축(55)을 중심으로 상하 방향을 따라 회전할 수 있다.
이에 따라, 제1 링크(31)는 설치부재(30)의 일단, 도 2에서 보았을 때 우측단과 결합된 상태에서 고정핀을 중심으로 좌우 방향으로 회전 가능하고, 고정유닛(52)과 결합된 상태에서 연결축(55)을 중심으로 상하 방향으로 회전 가능하다.
제2 링크(32)는 제1 링크(31)의 형상과 유사하게 형성되고, 다만 제2 링크(32)의 외측단, 도 2에서 보았을 때 후측단에는 상기한 결합구(22)와 동일한 형상 및 기능의 결합구(35)가 결합될 수 있다.
즉, 제2 링크(32)는 결합구(35)에 의해 설치각도가 조절되고, 설치부재(33)의 일단, 도 2에서 보았을 때, 후측단과 좌우 방향으로 회전 가능하다.
이와 같이, 본 발명은 설치부재의 양단에 각각 제1 링크와 제2 링크를 마련하고, 제2 링크를 이용해서 설치부재의 일단을 좌우 방향으로 회전 가능하게 고정한 상태에서 제1 링크를 이용해서 설치부재의 타단을 좌우 및 상하 방향으로 회전가능하게 고정할 수 있다.
이에 따라, 설치부재(30)는 측정 대상물의 변위에 따라 각도가 변화될 수 있다.
각도변위센서(40)는 대략 직육면체 형상으로 형성되고, 설치부재(30)를 따라 이동 및 회전 가능하게 설치될 수 있다.
설치부재(30)의 외측에는 슬라이딩 이동 가능하게 결합부재(41)가 결합되고, 각도변위센서(40)는 고정볼트에 의해 결합부재(41)에 회전 가능하게 결합된다.
즉, 본원발명은 설치부재를 따라 이동 가능하게 각도변위센서를 설치함에 따라, 측정대상물의 형상에 따른 간섭을 제거할 수 있다.
이러한 각도변위센서(40)의 일측면에는 각도변위센서(40)의 설치각도에 따른 파장의 변화를 용이하게 확인할 수 있도록, 회전 방향에 따른 파장의 증감 방향(+,-)이 표시될 수 있다.
그리고 각도변위센서(40)의 일측에는 내부에 설치된 광섬유 격자센서에 하중을 인가하는 추를 고정하는 고정부재가 마련될 수 있다.
상기 고정부재는 각도변위센서(40)의 설치과정에서 상기 추의 유동으로 인한 광섬유 격자센서의 손상이나 고장을 방지하도록 고정하는 고정볼트로 마련될 수 있다.
그래서 각도변위센서(40)의 일측면에는 상기 고정부재의 회전 방향에 따른 추의 고정, 해제 방향(stop, play)이 표시될 수 있다.
베이스(50)는 대략 직육면체 형상의 블록으로 마련되고, 고정부재(51)는 정면에서 보았을 때 단면이 대략 '┏┓'형상으로 형성될 수 있다.
베이스(50)의 상면과 고정부재(51)의 하부에는 고정부재(51)가 베이스(50)에 결합된 상태에서 변형률센서(20)에 마련된 결합구(35)를 고정하는 고정홈이 형성될 수 있다.
상기 고정홈은 대략 결합구(22)의 형상에 대응되는 형상으로 형성되고, 결합구(22)를 변형시켜 안정적으로 고정할 수 있도록 결합구(22)의 직경보다 약간 작은 직경으로 형성될 수 있다.
한편, 베이스(50)에는 서로 이웃하는 한 쌍의 센서모듈(10)을 설치할 수 있도록 각각 한 쌍의 고정부재(51)와 고정유닛(52)이 결합될 수 있다.
고정유닛(52)은 베이스(50)에 고정되는 제1 브래킷(53) 및 제1 브래킷(53)의 일측에 결합되고 설치부재(30)에 결합된 제1 링크(31)을 상하 방향으로 회전 가능하게 고정하는 제2 브래킷(54)을 포함할 수 있다.
제1 브래킷(53)은 양측에 각각 서로 이웃하는 센서모듈(10)의 각 제1 링크(31)와 제2 링크(32)를 고정하는 기능을 한다.
이를 위해, 제1 브래킷(53)의 일측, 도 2에서 보았을 때 좌측에는 제1 링크(53)가 결합되고, 우측에는 제2 링크(54)가 결합되도록, 제1 브래킷(53)양단은 각각 제1 링크(53) 및 제2 링크(54)의 선단 형상에 대응되도록 형성될 수 있다.
제2 브래킷(54)은 전면에서 보았을 때 우측이 개방되어 단면이 대략 'ㄷ'형상으로 형성되고, 제2 브래킷(54)의 중앙부에는 연결축(55)이 형성될 수 있다.
이에 따라, 제1 링크(53)는 제2 브래킷(54)의 연결축(55)을 중심으로 상하 방향으로 회전할 수 있다.
다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치의 측정방법을 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치의 측정방법을 단계별로 설명하는 공정도이다.
그리고 도 5는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치가 터널에 장착된 상태의 예시도이고, 도 6은 터널 내공변위 및 천 단 침하에 따른 벡터 dx, dy 측정 원리를 설명하는 예시도이다.
먼저, 측정대상물인 터널의 천단을 따라 센서모듈을 길이방향으로 연장되게 연결하여 라이닝 길이에 맞게 설계, 설치한다.
즉, 도 4의 S10단계에서 터널의 천단을 따라 각 센서모듈(10)의 길이에 대응되도록 일정 간격마다 베이스를 설치하고, 한 쌍의 베이스(10) 사이에 변형률센서(20)와 설치부재(30) 및 각도변위센서(40)를 설치한다.
이때, 변형률센서(20)는 터널의 천단 형상에 따라 베이스(50)의 설치 유격이 발생하는 경우, 결합구(22)의 위치를 이동시켜 설치 유격과 무관하게 안정적으로 설치될 수 있다.
그리고 설치부재(30)는 제2 링크(32)가 결합된 일단부를 먼저 고정하고, 제1 링크(31)가 결합된 타단부를 순차적으로 고정해서 설치될 수 있다.
그래서 설치부재(30)는 제2 링크(32)와 결합되는 고정핀을 중심으로 좌우 방향으로 회전 가능하고, 제1 링크(31)와 결합되는 고정핀 및 고정유닛(52)의 연결축(55)을 중심으로 각각 좌우 방향 및 상하 방향으로 회전 가능함에 따라, 각 베이스(50) 사이의 설치 거리 및 설치 각도의 유격을 보상해서 안정적으로 설치될 수 있다.
이에 따라, 각도변위센서(40)는 설치부재(30) 상에 이동 가능하게 설치되어 터널 천 단의 형상에 따른 간섭을 최소화할 수 있는 위치에 설치되고, 터널의 내공변위 및 천 단 침하에 따른 각도변위를 정밀하게 측정할 수 있다.
예를 들어, FBG 센서모듈(1)은 대략 1m의 길이로 마련됨에 따라, 도 5에 도시된 바와 같이 a 포인트가 관측점이며, b 포인트가 계측점이 된다.
즉, 도 5 및 도 6에서 B가 계측점일 때는 A가 관측점이며, B가 관측점일 때는 C가 계측점이 되는바, 라이닝에 변형이 발생하여 B~D 포인트가 이동을 하면 새로운 좌표 B'~D'로 구성되며, A 좌표는 불변이다.
센서모듈(1)에서 라이닝 변형을 계측하는 기본 원리는 내공변위를 구하는 방법에 따라 '절대좌표방식'과 '상대좌표방식'이 있다.
도 7은 라이닝 내공변위 및 천 단 침하 절대좌표 방식의 계측원리를 설명하는 예시도이고, 도 8은 라이닝 내공변위 및 천 단 침하 상대좌표 방식의 계측원리를 설명하는 예시도이다.
절대좌표방식의 계측법에서 내공변위는 도 7에 도시된 바와 같이, 변형 후의 중점좌표와 변형 전의 중점좌표의 이동거리이다.
그러므로 변형에 따른 변형 전 계측점의 좌표를 반드시 알아야 한다.
반면, 상대좌표방식은 도 8과 같이 변형에 의해 발생된 길이변형과 각도변형을 이용하여 좌표와 상관없이 한시각 변화에 대하여 삼각함수 관계에 의한 곡률변화(Δf) 값을 내공변위로 놓는다.
한편, 절대좌표방식은 한 단면의 연속된 센서모듈(10)에서 중간에 해당하는 센서모듈(10)에 고장이 발생할 경우, 새로운 좌표가 미생성되거나, 센서모듈(10)의 오동작으로 인한 오차 값의 전달로 생기는 문제점이 방생할 수 있다.
반면, 상대좌표방식은 상기한 경우에 각 센서모듈(10)이 독립적으로 계측함에 따라, 정상 센서모듈(10)에 대하여 내공변위를 모두 구할 수 있으나, 수식적 값 축약에 의하여 각도변형이 미세할 경우에 그 정확성을 가진다.
이하, 절대좌표방식에 의한 계측법을 보다 상세히 설명하면, 터널의 단면변형 측정을 위한 센서모듈(10)은 터널 단면의 천단을 따라 도 7과 같이 S1~S4까지 센서모듈(10)이 설치되었을 때, 단면 변형이 일어나는 경우 좌표점의 이동은 B'~D' 좌표로 나타나며, 선행 센서모듈(10)의 좌표이동에 영향을 받는다.
S1구간에 설치된 센서모듈(10)의 경우를 살펴보면, 선행 센서모듈(10)이 없으므로, B에서 B'로의 이동을 dx(b), dy(b) 성분만으로 나타낼 수 있다.
각 설치 좌표점(A~D)은 센서모듈(10)의 설치점 설계에 의하여 이미 알고 있으며, 변형 좌표점 B'(Xb',Yb')는 아래의 수학식 1에 기재된 바와 같이, θb와 Lb에 의한 삼각 함수에 의하여 구할 수 있다.
Figure pat00001
여기서 θ'b = θb+Δθb, L'b=Lb+ΔLb이다.
따라서 dx, dy는 수학식 2에 따라 B(Xb,Yb)와 B'(Xb', Yb')를 이용하여 구할 수 있다.
Figure pat00002
결과적으로 B점에서의 터널의 단면변화는 수학식 2에 따라 Δθb와 ΔLb를 구하여 얻을 수 있다.
S2 구간에 설치된 센서모듈(10)의 순수한 변형은 C에서 C'로의 이동이며, C' 좌표는 C'좌표에 S1의 B에서 B'점으로의 이동 성분인 dx(b), dy(b)를 더한 값이다.
Figure pat00003
그래서 수학식 3과 같이 C'점을 구할 수 있으며, 나머지 D', E' 좌표 역시 같은 방식으로 구하게 된다.
그리고 센서모듈(10)을 사용하여 라이닝 변형을 상대좌표방식에 의한 계측법은 다음과 같다.
도 8에서 곡률변화 Δf와 h', h 는 다음 수학식 4와 같으며, 이를 내공변위로 하여 축력 및 휨 모멘트를 구하게 된다. 즉, 각 Δθ와 ΔL을 구하면 각 센서모듈(10)에서 각 좌표와 독립적인 내공변위 값을 구하게 된다.
Figure pat00004
절대좌표방식 및 상대좌표방식의 계측원리에서 결과적으로 각 센서모듈(10)에서 Δθ와 ΔL을 구하면 된다.
Δθ는 도 1의 센서모듈(10)의 A부와 B부, A'부와 B부의 양단은 각각 A, A'부에 내삽되고 일단은 볼트 등의 체결부재를 사용하여 A부와 일체로 고정되며, 타단은 A'부에 삽입된 상태로 길이방향으로만 서로 슬라이딩할 수 있는 접속구조로, 단면변형에 의한 좌표점의 이동 거리가 변형률센서(20)에 의하여 ΔL값을 정밀하게 구하게 된다(S12).
또한, 단면변형에 의한 전후운동은 각도변위센서(40)에 의하여 Δθ값을 구하게 된다(S14).
상기에 설명한 2차원 내공변위 측정방법 외에 필요에 따라서는, 유사한 방법으로 3차원 내공변위를 계측할 수 있다.
즉, 2차원 내공변위 측정을 위한 1축 각도변위센서를 2축 각도변위센서로 교체하면 3차원 내공변위를 계측할 수 있다.
2축 각도변위센서의 경우, 1축 FBG 각도변위센서 두 개를 서로 90도의 사이각을 두고 일체로 고정시키면, 2축 각도변위센서가 된다.
이에 따라, 기존 2차원 내공변위 계측을 위해 설치된 상태에서 하나의 1축 각도변위센서를 추가로 설치하면 3차원 내공변위 계측이 가능해진다.
상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 터널 등의 측정 대상물에 복수의 광섬유 격자 센서모듈을 연속적으로 설치해서, 단면변형에 의한 좌표점 이동거리와 각도변위를 계측해서 내공변위 및 천 단 침하를 정밀하게 측정할 수 있다.
본 발명은 측정 대상물에 복수의 광섬유 격자 센서모듈을 연속적으로 설치해서, 단면변형에 의한 좌표점 이동거리와 각도변위를 계측해서 내공변위 및 천 단 침하를 정밀하게 측정하는 기술에 적용된다.
10: 광섬유 격자 센서모듈
20: 변형률센서 21: 보호관
22: 결합구 30: 설치부재
31,32: 제1,제2 링크 33: 삽입홈
34: 축공 35: 결합구
40: 각도변위센서 41: 결합부재
50: 베이스 51: 고정부재
52: 고정유닛 53,54: 제1,제2 브래킷
55: 연결축

Claims (7)

  1. 미리 설정된 길이를 갖고 연속적으로 연결해서 사용하는 복수의 단위 광섬유 격자 센서모듈을 포함하고,
    각 센서모듈은 보호관 내부에 설치되고 길이 변화를 감지하는 광섬유 격자 변형률센서,
    상기 보호관의 일측에 나란하게 설치되는 설치부재 및
    상기 설치부재 상에 설치되고 각도변위를 측정하는 광섬유 격자 각도변위센서를 포함하여
    2차원 또는 3차원의 내공변위 및 천단침하를 상시 계측하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    각 센서모듈의 양단에 각각 마련되고 이웃하는 센서모듈을 연결하는 베이스,
    상기 보호관과 설치부재의 양단을 각각 상기 베이스에 고정하는 고정부재 및 고정유닛을 더 포함하고,
    상기 보호관의 양단에는 각 베이스 사이의 거리 및 베이스의 설치 각도에 따라 상기 광섬유 격자 변형률센서의 설치거리 및 설치각도의 조절이 가능하도록, 상기 보호관을 따라 이동 가능하게 결합구가 마련되며,
    상기 결합구는 상기 베이스와 고정부재에 사이에 삽입 고정되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 설치부재는 바 형상의 레일로 마련되고,
    상기 설치부재의 양단에는 각 베이스 사이의 거리 및 베이스의 설치 각도에 따라 상기 설치부재의 설치거리 및 설치각도 조절이 가능하도록, 각각 제1 링크와 제2 링크가 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 링크의 일단은 상기 설치부재의 일단에 좌우 방향으로 회전 가능하게 결합되고,
    상기 제1 링크의 타단은 상기 고정유닛과 상하 방향으로 회전 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 링크의 일단은 상기 설치부재의 타단에 좌우 방향으로 회전 가능하게 결합되고,
    상기 제2 링크의 타단에는 상기 제2 링크를 따라 이동 가능하게 결합구가 마련되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 고정유닛은 상기 베이스에 고정되는 제1 브래킷 및
    상기 제1 브래킷의 일측에 결합되고 상기 설치부재에 결합된 제1 링크를 상하 방향으로 회전 가능하게 고정하는 제2 브래킷을 포함하며,
    상기 제2 브래킷에는 상기 제1 링크에 형성된 축공에 삽입되는 연결축이 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 베이스에는 서로 이웃하는 한 쌍의 센서모듈을 동시에 설치 가능하도록 각각 한 쌍의 고정부재와 고정유닛이 결합되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 내공변위 및 천 단 침하 측정장치.
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