KR20210067544A - 지표 변위 계측 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지표 변위 계측 시스템에 관한 것으로서, 변위 측정 위치에 설치되는 변위 측정 폴; 상기 변위 측정 폴에서 소정 거리 이격된 위치에 설치되며 소정 높이에 구형 반사체를 구비하는 기준 폴; 상기 변위 측정 폴의 소정 높이에 설치되며 상기 구형 반사체를 지향하여 레이저 광을 방사하고 상기 구형 반사체로부터 반사되는 광을 인식하여 상기 구형 반사체의 광 반사 접점에 대한 거리를 측정하는 레이저 거리 측정기; 및 상기 레이저 거리 측정기에서 측정된 거리가 미리 설정된 허용 오차 범위를 벗어나는 경우 지표 변위 미세 변동 신호를 발생시키는 제어부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 변위 측정 폴 또는 기준 폴의 지표 변위가 미세하게 변동되는 경우에도 구형 반사체의 광 반사 접점이 어느 방향으로든 이동되어 레이저 거리 측정기에서 측정되는 거리가 미세하게 변동되며, 이를 검출하여 지표 변위의 미세 변동을 인식함으로써 매우 높은 정확도로 지표 변위의 미세 변동을 인식할 수 있고, 지표 변위의 미세 변동이 발생된 경우 원격으로 신호를 전송함으로써 무인으로 지표 변위 데이터를 수집하여 관리하고 자연 재해 등에 대하여 선제적인 안전 관리 대응이 가능한 효과가 있다.

Description

지표 변위 계측 시스템{EARTH SURFACE DISPLACEMENT MEASURMENT SYSTEM}
본 발명은 지표의 변위를 계측하는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지표의 측정 대상 지점에서 미세한 변위가 발생되는 것을 높은 정확도로 검출하고 주기적으로 또는 이벤트 발생 시에 미세 변위 변동 신호를 원격으로 전송할 수 있도록 한 새로운 방식의 지표 변위 계측 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 산악, 해안선, 도로 등에 대한 지표 변위 데이터는 산사태, 지진 등의 전조 현상을 관측하거나 침식이나 퇴적 등의 자연 환경 변화를 예측하는 자료로 활용된다. 또한, 지표 변위 계측 기술은 경사면에 위치한 시설물에 대한 안전 대책 마련과 도로 경계선의 변화를 업데이트하는 도로 관리 등에도 이용되고 있다. 최근 들어, 급경사지의 재해 평가 및 재난 관리에는 반드시 지표 변위 계측 기술이 수반되고 있다.
종래 사람이 직접 측량 대상지에 파견되어 측량기계를 이용하여 지표 변위를 측정하였다면, 최근에는 측량 대상지에 지표 변위를 계측하는 계측장치를 설치하고 이동통신으로 데이터를 수집하는 무인 계측 시스템이 이용되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허등록 제10-0579218호 "지표 변위 계측기"는 계측관 내에 다수개의 광센서를 설치하고 지표 변위를 시간별, 날짜별로 저장하는 장치를 제안하고 있다. 하지만, 동 선행문헌의 기술은 계측자가 정기적으로 방문하여 다운로드하는 불편함이 있다. 또한, 계측관의 볼트, 너트 체결 구조 등이 복잡하여 정밀한 변위 변동을 인식하기 어려운 문제가 있다.
다른 예로, 대한민국 특허등록 제10-2036881호 "지표변위 열화상 계측장비"는 도로의 경사면 등에 열화상 카메라를 설치하고 장소의 변위가 아닌 계측장비 자체의 변위를 감지하는 병식으로 지표 변위를 계측하고 있다. 하지만, 지표 변위가 발생하지 않아도 동물의 왕래나 기온의 변화 등 다른 변인에 의해 오동작되는 문제가 있다.
대한민국 특허등록 제10-0579218호 대한민국 특허등록 제10-2036881호
본 발명은 변위 측정 지점에 위치한 변위 측정 폴에 레이저 거리 측정기를 설치하고 소정 거리 이격된 지점에 위치한 기준 폴에 구형 반사체를 설치하며, 거리 측정기에서 구형 반사체를 향해 발신한 레이저 광의 수신 시간 변동을 검출하여 지표 변위의 미세 변동을 인식할 수 있도록 한 지표 변위 계측 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 지표 변위 계측 시스템은, 변위 측정 위치에 설치되는 변위 측정 폴; 상기 변위 측정 폴에서 소정 거리 이격된 위치에 설치되며 소정 높이에 구형 반사체를 구비하는 기준 폴; 상기 변위 측정 폴의 소정 높이에 설치되며 상기 구형 반사체를 지향하여 레이저 광을 방사하고 상기 구형 반사체로부터 반사되는 광을 인식하여 상기 구형 반사체의 광 반사 접점에 대한 거리를 측정하는 레이저 거리 측정기; 및 상기 레이저 거리 측정기에서 측정된 거리가 미리 설정된 허용 오차 범위를 벗어나는 경우 지표 변위 미세 변동 신호를 발생시키는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 지표 변위 계측 시스템은, 상기 제어부는, 상기 레이저 거리 측정기의 레이저 광 발신부 및 레이저 광 수신부를 동작시키는 레이저 드라이버; 상기 레이저 광 수신부로부터 수신되는 광 신호를 검출하여 디지털 샘플링하는 신호 검출부; 상기 신호 검출부에서 검출되는 신호를 미리 정해진 프리셋(preset) 값과 비교하는 비교부; 및 상기 비교부의 출력 신호로부터 상기 지표 변위 미세 변동 신호를 발생시키는 변위 미세 변동 인식부를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지표 변위 계측 시스템은, 상기 레이저 드라이버의 동작 주기를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지표 변위 계측 시스템은, 상기 지표 변위 미세 변동 신호를 원격으로 송신하는 통신 모듈을 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지표 변위 계측 시스템은, 상기 변위 측정 폴 상부에는 태양광을 수신하여 전기적 에너지로 변환하여 저장하며 상기 레이저 거리 측정기 및 상기 제어부에 저장된 전원을 공급하는 태양광 전지 모듈이 설치된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 지표 변위 계측 시스템은, 상기 제어부는 상기 레이저 거리 측정기의 초기 동작 시에 복수 회의 거리 측정값으로부터 평균값을 연산하여 프리셋(preset) 값을 설정하며, 상기 프리셋 값 설정 이후에 측정되는 현재 거리 측정값이 상기 프리셋 값의 허용 오차 범위에 포함되는지 여부를 판단하며, 상기 현재 거리 측정값이 상기 프리셋 값의 허용 오차 범위를 벗어나는 경우 상기 지표 변위 미세 변동 신호를 생성하여 원격으로 전송한다.
본 발명의 지표 변위 계측 시스템에 따르면, 변위 측정 폴 또는 기준 폴의 지표 변위가 미세하게 변동되는 경우에도 구형 반사체의 광 반사 접점이 어느 방향으로든 이동되어 레이저 거리 측정기에서 측정되는 거리가 미세하게 변동되며, 이를 검출하여 지표 변위의 미세 변동을 인식함으로써 매우 높은 정확도로 지표 변위의 미세 변동을 인식할 수 있고, 지표 변위의 미세 변동이 발생된 경우 원격으로 신호를 전송함으로써 무인으로 지표 변위 데이터를 수집하여 관리하고 자연 재해 등에 대하여 선제적인 안전 관리 대응이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 지표 변위 계측 시스템을 개략적으로 묘사한 도면,
도 2는 본 발명의 지표 변위 계측 시스템을 예시한 블록도,
도 3은 본 발명에서 지표 변위 미세 변동 신호를 생성하는 과정을 예시한 흐름도, 및
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 예시한 평면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.
실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "~부", "~기", "~모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 전기적으로 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
본 발명은 지표 변위의 미세 변동을 매우 높은 정확도로 측정하는 지표 변위 계측 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 레이저 거리 측정기와 구형 반사체를 이격하여 배치시키고 지표 변위 발생 시에 구형 반사체의 광 반사 접점이 이동되고 이에 따라 거리 측정값의 변동이 발생되는 것을 검출하여 지표 변위의 미세 변동을 인식한다. 또한, 본 발명은 지표 변위의 미세 변동을 인식하는 경우 원격으로 신호를 전송함으로써 중앙 관제 센터 또는 데이터 수집 서버 등에서 해당 관측 지점에 대한 재난 관리를 선제적으로 수행할 수 있도록 한다. 이하에서 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 지표 변위 계측 시스템을 개략적으로 묘사한 도면이다. 도 1을 참조하면, 지표 변위를 측정하고자 하는 개소에 변위 측정 폴(100)이 설치된다. 또한, 이 변위 측정 폴(100)에서 소정 거리 이격된 위치에는 기준 폴(200)이 설치된다.
변위 측정 폴(100)의 소정 높이에는 레이저 거리 측정기(110)가 설치되며, 기준 폴(200)의 소정 높이에는 구형 반사체(210)가 설치된다. 레이저 거리 측정기(110)의 레이저 광 발신부(112)는 구형 반사체(210)를 지향하여 레이저 광을 발신하며, 레이저 광 수신부(114)는 구형 반사체(210)의 광 반사 접점으로부터 반사되어 되돌아오는 광을 수신한다. 도시된 예시에서는 도면의 표현 상 광 발신라인과 수신 라인이 이격된 상태로 예시하였지만, 실제로는 구형 반사체(210)의 한 접점에서 광 반사가 이루어질 것이다.
도 1을 참조하면, 변위 측정 폴(10)에는 원격 데이터 수집 유닛(RTU: Remote Terminal Unit, 120), 태양광 전지 모듈(130), 및 안테나(140)가 더 설치될 수 있다.
원격 데이터 수집 유닛(120)은 레이저 거리 측정기(110)에서 검출한 값으로부터 지표 변위 데이터 및 지표 변위 미세 변동 데이터 등을 생성하며, 생성된 데이터를 원격의 중앙 관제 서버 또는 데이터 수집 서버로 전송한다. 원격 데이터 수집 유닛(120)은 도 2에서 예시한 바와 같이, 제어부(300), 타이밍 컨트롤러(330), 통신 모듈(380), 메모리 수단(390) 등을 포함할 수 있다. 각 구성의 구체적인 설명은 도 2를 참조하여 후술한다.
태양광 전지 모듈(130)은 태양광을 수신하여 전기적 에너지로 변환하여 저장한다. 그리고 레이저 거리 측정기(110), 후술하는 제어부(300) 등에 동작 전원을 공급한다.
안테나(140)는 원격 데이터 수집 유닛(120)에서 지표 변위 미세 변동 신호를 무선 신호로 송신하기 위한 수단이다. 예를 들어, 지표 변위 미세 변동 신호는 안테나(140)를 통해 CDMA(Code Division Multiple Acess), LTE(Long Term Evolution), 5G 등의 형태로 원격 전송될 수 있다.
도 2는 본 발명의 지표 변위 계측 시스템을 예시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 제어부(300)는 레이저 드라이버(340), 신호 검출부(350), 비교부(360), 및 변위 미세 변동 인식부(370)로 구성될 수 있다.
레이저 드라이버(340)는 레이저 광 발신부(310) 및 레이저 광 수신부(320)를 동작시키는 수단이다. 예를 들어, 타이밍 컨트롤러(330)에 이해 설정된 주기마다 레이저 드라이버(340)가 동작 전원을 스위칭하여 레이저 광 발신부(310) 및 레이저 광 수신부(320)를 동작시킨다.
신호 검출부(350)는 레이저 광 수신부(320)로부터 수신되는 광 신호를 검출하여 디지털 샘플링한다. 예를 들어, 레이저 광 수신부(320)에서 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환하고 샘플링하여 거리 측정값을 생성한다.
비교부(360)는 미리 정해진 프리셋(preset) 값과 현재 측정된 거리 측정값을 비교하는 수단이다. 변위 미세 변동 인식부(370)는 비교부(360)의 출력 신호로부터 지표 변위 미세 변동 신호를 발생시키며, 통신 모듈(380)을 통해 지표 변위 미세 변동 신호를 원격의 관제 서버 또는 데이터 수집 서버로 전송한다.
메모리 수단(390)은 제어부(300)에서 설정한 프리셋(preset) 값과 신호 검출부(350)에 의해 검출된 거리 측정값을 측정 시간과 함께 저장하는 수단이다.
태양광 전지 모듈(400)은 태양광 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 복수의 태양전지 셀과, 태양전지 셀에서 출력되는 전력을 저장하는 배터리, 및 충전회로 등을 포함하며, 제어부(300), 레이저 광 발신부(310), 레이저 광 수신부(320) 등의 구성에 동작전원을 공급한다.
도 3은 본 발명에서 지표 변위 미세 변동 신호를 생성하는 과정을 예시한 흐름도이다. 도 3을 참조하여 본 발명에서 지표 변위 미세 변동 신호를 생성하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명에 의한 지표 변위 계측 시스템을 변위 측정 지점에 설치한 후, 레이저 거리 측정기(110)에 전원을 투입하여 레이저 거리 측정을 개시한다(ST110). 그리고 측정 횟수가 미리 정해진 소정 횟수(N)에 도달했는지를 판단한다(ST120).
복수 회의 측정이 완료되면, 거리 측정값의 평균값을 연산하여 프리셋(preset) 값을 설정한다(ST130).
그리고 레이저 거리 측정기(110)를 동작시켜 현재 거리 측정값을 구한다(ST140). 현재 거리 측정값이 프리셋 값의 허용 오차 범위를 이탈했는지 여부를 판단한다(ST150).
만약, 현재 거리 측정값이 프리셋 값의 허용 오차를 이탈한 경우, 지표 변위 미세 변동 신호를 생성하여 원격의 서버로 전송한다(ST160).
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 예시한 평면도이다.
도 4를 참조하면, 변위 측정 폴(100)의 둘레에는 복수의 레이저 거리 측정기(110a, 110b, 110c)가 설치될 수 있다. 레이저 거리 측정기(110a, 110b, 110c) 각각은 레이저 광 발신부(112a, 112b, 112c)와, 레이저 광 수신부(114a, 114b, 114c)를 포함하며, 각각의 광 지향 방향에는 소정 거리 이격되어 구형 반사체(210a, 210b, 210c)가 설치될 수 있다. 제1 레이저 거리 측정기(110a), 제2 레이저 거리 측정기(110b), 제3 레이저 거리 측정기(110c)는 서로 다른 높이에 설치될 수도 있다.
이와 같이 변위 측정 폴(100)의 수직축을 기준으로 방사방향에 복수의 레이저 거리 측정기(110a, 110b, 110c)를 설치함으로써, 지표 변위 측정 지점에서 미세 변위 변동이 발생된 방향 및 위치를 예측하는 정확도를 더 높일 수 있다.
위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
100 : 변위 측정 폴 110 : 레이저 거리 측정기
112 : 레이저 광 발신부 114 : 레이저 광 수신부
120 : 원격 데이터 수집 유닛 130 : 태양광 전지 모듈
140 : 안테나 200 : 기준 폴
210 : 구형 반사체 300 : 제어부
310 : 레이저 광 발신부 320 : 레이저 광 수신부
330 : 타이밍 컨트롤러 340 : 레이저 드라이버
350 : 신호 검출부 360 : 비교부
370 : 변위 미세 변동 인식부 380 : 통신 모듈
390 : 메모리 수단 400 : 태양광 전지 모듈

Claims (6)

  1. 지표 변위 계측 시스템에 있어서,
    변위 측정 위치에 설치되는 변위 측정 폴;
    상기 변위 측정 폴에서 소정 거리 이격된 위치에 설치되며 소정 높이에 구형 반사체를 구비하는 기준 폴;
    상기 변위 측정 폴의 소정 높이에 설치되며 상기 구형 반사체를 지향하여 레이저 광을 방사하고 상기 구형 반사체로부터 반사되는 광을 인식하여 상기 구형 반사체의 광 반사 접점에 대한 거리를 측정하는 레이저 거리 측정기; 및
    상기 레이저 거리 측정기에서 측정된 거리가 미리 설정된 허용 오차 범위를 벗어나는 경우 지표 변위 미세 변동 신호를 발생시키는 제어부
    를 포함하는 지표 변위 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레이저 거리 측정기의 레이저 광 발신부 및 레이저 광 수신부를 동작시키는 레이저 드라이버;
    상기 레이저 광 수신부로부터 수신되는 광 신호를 검출하여 디지털 샘플링하는 신호 검출부;
    상기 신호 검출부에서 검출되는 신호를 미리 정해진 프리셋(preset) 값과 비교하는 비교부; 및
    상기 비교부의 출력 신호로부터 상기 지표 변위 미세 변동 신호를 발생시키는 변위 미세 변동 인식부
    를 포함하는 지표 변위 계측 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 레이저 드라이버의 동작 주기를 제어하는 타이밍 컨트롤러를 더 포함하는 지표 변위 계측 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지표 변위 미세 변동 신호를 원격으로 송신하는 통신 모듈을 더 포함하는 지표 변위 계측 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 변위 측정 폴 상부에는 태양광을 수신하여 전기적 에너지로 변환하여 저장하며, 상기 레이저 거리 측정기 및 상기 제어부에 저장된 전원을 공급하는 태양광 전지 모듈이 설치되는 지표 변위 계측 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 레이저 거리 측정기의 초기 동작 시에 복수 회의 거리 측정값으로부터 평균값을 연산하여 프리셋(preset) 값을 설정하며, 상기 프리셋 값 설정 이후에 측정되는 현재 거리 측정값이 상기 프리셋 값의 허용 오차 범위에 포함되는지 여부를 판단하며, 상기 현재 거리 측정값이 상기 프리셋 값의 허용 오차 범위를 벗어나는 경우 상기 지표 변위 미세 변동 신호를 생성하여 원격으로 전송하는 지표 변위 계측 시스템.
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