KR100339978B1 - 광변형센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광변형센서에 관한 것으로서, 그 목적은 별도의 나선형 스트렌딩 장비와 금속 코팅설비가 불필요하고, 시설물에 비교적 큰 변형이 발생될 경우에도 정확하게 변형정도를 측정할 수 있도록 하는 것이다.
본 발명은 일측단에 광원이 연결되고, 타측단에는 손실측정기가 연결되어 건물, 터널, 교량, 댐 등 시설물의 변형 정도를 측정하는 광변형센서에 있어서, 상기 시설물에 소정 간격 이격되도록 고정 설치된 한 쌍의 고정부재와, 상기 한 쌍의 고정부재에 소정의 장력을 받도록 고정 설치된 나선형 코일스프링과, 상기 코일스프링의 내부에 삽입되어 상기 시설물이 변형됨에 따라 코일스프링으로부터 소정의 가압력을 받는 광섬유로 이루어진 특징을 갖는다.
이상의 본 발명을 적용하게 되면, 상기 광변형센서는 폴리머재질로 된 광섬유를 코일스프링의 내주면에 삽입하여 설치하게 되므로, 광섬유의 외표면에 금속 코팅층을 형성하기 위한 별도의 코팅 설비가 불필요하며, 상기 광섬유를 나선형으로 꼬아서 배치하기 위한 별도의 스트랜딩장비가 불필요하고, 광섬유심선의 둘레면에는 비교적 탄성신율한계가 높은 폴리머 재질의 피복층이 형성되므로 상기 시설물에 비교적 큰 변형이 발생될 경우에도 정확한 변형 정도를 측정할 수 있다.

Description

광변형센서{Optical sensor for measuring deformation of institution}
본 발명은 코일스프링을 갖는 광변형센서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 건물, 터널, 교량, 댐 등의 시설물에 설치되어 시설물이 변형되는 정도를 측정하는 광변형센서에 관한 것이다.
일반적으로 광변형센서는 지하철이나 저장터널 등의 지하시설물이나, 교량, 건물, 도로의 터널 등에 설치되어 시공단계나 완공 후 시설물 관리시에 지속적으로 시설물의 변형 정도를 측정하여 효과적으로 안전관리 할 수 있도록 하기 위한 계측장비이다.
도 1은 종래의 광변형센서를 도시한 사시도이고, 도 2는 종래의 광변형센서를 구성하는 광섬유의 가압상태를 도시한 단면도이다.
이를 참조하면, 상기 광변형센서는 시설물의 변형 정도를 측정하고자 하는 위치에 일정 간격 이격되도록 고정 설치된 한 쌍의 고정부재(10)와, 상기 한 쌍의 고정부재(10)에 소정의 인장력을 받도록 나선형으로 꼬여져 설치된 3가닥의 광섬유(60)와, 상기 광섬유(60)의 일측단에 연결되어 설치된 광원(40)과, 상기 광섬유(60)의 타측단에 연결되어 설치된 손실측정기(50)로 이루어진다.
이때, 상기 3가닥의 광섬유(60)는 중심의 광섬유 외주면에 두 가닥의 광섬유를 나선형으로 꼬아서 일정한 인장력이 발생되도록 고정부재(10)에 고정 설치하게된다.
이때, 상기 광섬유(60)는 도 2에서와 같이 중심에 굴절률이 높은 코어층(61)이 형성되고, 상기 코어층(61) 둘레면에는 코어층(61)에 비해 굴절률이 작은 클래드층(63)이 마련되며, 상기 클래드층(63) 외표면에는 소정 두께의 금속 코팅층(65)이 형성된다.
따라서, 상기 시설물에 크랙(crack)이나 부분적인 파단이 발생될 경우 상기 시설물에 설치된 고정부재(10)가 서로 이격되는 방향으로 벌어지게 되므로, 이러한 한 쌍의 고정부재(10)에 설치된 광섬유(60)상에는 시설물의 변형량에 대응되는 인장력이 발생된다.
이때, 상기 광섬유(60)는 3가닥이 나선형으로 꼬여져 서로 밀착되도록 설치되므로, 이러한 3가닥의 광섬유(60)가 서로 연접된 부분에는 상기 인장력에 대응되는 소정의 측압이 발생되고, 이러한 측압은 금속코팅층(65)을 통해 그대로 내부의 클래드층(63)과 코어층(61)에 전달되어 클래드층(63)과 코어층(61)을 찌그러진 모양으로 변형시켜 광원(40)으로부터 전송되는 광신호를 대응되는 양으로 누설되도록 하므로써, 원거리에 위치된 손실측정기(50)에 의해 시설물의 변형 정도를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
그러나, 상술한 광변형센서의 광섬유(60)상에는 인장력에 비례하여 발생되는 측압이 그대로 내부의 코어(61)와 클래드층(63)에 전달되어야 하므로, 상기 광섬유(60)가 기존 폴리머 재질의 피복층에 의해 코팅된 경우에는 상기 측압이 피복층에 의해 흡수되어 내부로 전달되지 않기 때문에 이러한 측압이 피복층에 의해흡수되지 않고 그대로 내부의 클래드층(63)과 코어층(61)에 전달되도록 소정 두께의 금속 코팅층(65)으로 피복되어야 한다.
따라서, 상기 광섬유(60)의 금속 코팅층(65)을 형성하기 위해서는 기존의 광섬유 제조설비를 그대로 사용할 수 없으며, 별도의 금속 코팅설비를 구비하여야 하므로, 제조설비가 증가되고, 제조비용이 증가되는 단점이 있다.
또한, 상기 광변형센서를 통해 시설물의 정확한 변형정도를 측정하기 위해서는 양측 고정부재 사이에 위치된 3가닥의 광섬유(60)가 어느 부분에서나 일정한 피치를 갖도록 설치 및 유지되어야 하는 데, 상기 광변형센서는 세 가닥의 광섬유(60)가 서로 나선형으로 꼬여져 설치된 상태이므로, 설치시 또는 장시간 사용시 광섬유(60)의 피치가 위치에 따라 다르게 될 수 있는 단점이 있다.
상기 광변형센서는 광섬유(60) 외주면에 금속 코팅층(65)이 형성되므로써, 시설물에 비교적 큰 변형이 발생될 경우 금속 코팅층(65)의 탄성신율한계가 비교적 작아 그 측정 범위가 금속 코팅층(65)의 탄성신율한계에 제한되는 문제점이 있다.
본 발명의 주된 목적은 양측 고정부재 사이의 광섬유를 나선형으로 꼬아서 배치하기 위한 별도의 스트렌딩 불필요한 광변형센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 비교적 탄성신율한계가 큰 재질의 피복층 형성하여 시설물에 비교적 큰 변형이 발생될 경우에도 정확하게 변형정도를 측정할 수 있는 광변형센서를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 광변형센서를 도시한 사시도,
도 2는 종래의 광변형센서를 구성하는 광섬유의 가압상태를 도시한 단면도,
도 3a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도,
도 3b는 본 발명 제 1실시예의 변형예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도,
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 광섬유의 가압상태를 도시한 단면도,
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도,
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***
10 : 고정부재 20 : 광섬유
21 : 코어층 23 : 클래드층
25 : 피복층 27 : 금속 코팅층
30 : 코일스프링 40 : 광원
50 : 손실측정기
본 발명의 제 1실시예는 일측단에 광원이 연결되고, 타측단에는 손실측정기가 연결되어 건물, 터널, 교량, 댐 등 시설물의 변형 정도를 측정하는 광변형센서에 있어서, 상기 시설물에 소정 간격 이격되도록 고정 설치된 한 쌍의 고정부재와, 상기 한 쌍의 고정부재에 소정의 장력을 받도록 고정 설치된 나선형 코일스프링과, 상기 코일스프링의 내부에 삽입되어 상기 시설물이 변형됨에 따라 코일스프링으로부터 소정의 가압력을 받는 광섬유로 이루어진 특징을 갖는다.
본 발명의 제 2실시예는 광섬유의 일측단에 광원이 연결되고, 타측단에는 손실측정기가 연결되어 건물, 터널, 교량, 댐 등 시설물의 변형 정도를 측정하는 광섬유 센서에 있어서, 상기 시설물에 소정 간격 이격되도록 고정 설치된 한 쌍의 고정부재와, 상기 한 쌍의 고정부재에 소정의 장력을 받도록 고정 설치된 나선형 코일스프링과, 상기 코일스프링에 코일스프링과 동일한 피치로 꼬여지도록 설치되어 상기 시설물이 변형됨에 따라 코일스프링으로부터 소정의 가압력을 받는 광섬유로 이루어진 특징을 갖는다.
본 발명의 제 2실시예에서 상기 광섬유는 클래드층 외표면에 금속 코팅층이 형성된 특징을 갖는다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도이고, 도 3b는 본 발명 제 1실시예의 변형예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도이다.
이를 참조하면, 상기 광변형센서는 시설물의 변형정도를 측정하고자 하는 소정 위치에 일정 간격 이격되도록 고정 설치된 한 쌍의 고정부재(10)와, 상기 한 쌍의 고정부재(10)에 소정의 인장력을 받도록 고정 설치된 코일스프링(30)과, 상기 코일스프링(30)의 내주면에 삽입되어 코일스프링(30)으로부터 소정의 가압력을 받는 광섬유(20)와, 상기 광섬유(20)의 일측단에 연결되어 설치된 광원(40)과, 상기 광섬유(20)의 타측단에 연결되어 설치된 손실측정기(50)로 이루어진다.
이때, 상기 코일스프링(30)은 일정 피치를 갖는 나선형 스프링으로서, 양단이 상기 고정부재(10)에 일정한 인장력을 받도록 고정 설치된다.
상기 광섬유(20)는 그 중심부에 굴절률이 높은 코어층(21)과, 상기 코어층(21) 외주면에는 코어층(21)보다 굴절률이 낮은 클래드층(23)이 형성된 광섬유심선이 마련되며, 상기 광섬유심선의 외주면에는 비교적 탄성신율한계가 큰 폴리머재질의 피복층(27)이 형성되어 상기 코일스프링(30)의 내주면에 소정의 측압을 받도록 삽입되어 설치된다.
또한, 본 발명 제 1실시예에서는 상기 코일스프링(30) 내주면에 한 가닥의 광섬유(20)가 삽입되어 코일스프링(30)으로부터 측압 및 벤딩력을 받도록 설치되고, 변형예에서는 상기 코일스프링(30)의 내주면에 다수 가닥의 광섬유(20)가 삽입되어 코일스프링(30)으로부터 측압 및 벤딩력을 받도록 설치된다.
이상의 구성에 의한 본 발명의 제 1실시예에 따른 작용예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3a는 본 발명의 제 1실시예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도이고, 도 3b는 본 발명 제 1실시예의 변형예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도이며, 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 광섬유의 가압상태를 도시한 단면도이다.
이를 참조하면, 상기 시설물에 크랙(crack) 또는 부분 파단이 발생될 경우 상기 고정부재(10)는 서로 이격되는 방향으로 벌어지게 되므로, 이러한 고정부재(10)에 고정되어 설치된 코일스프링(30)은 이에 대응되는 인장력을 받게된다.
따라서, 상기 코일스프링(30)은 길이방향으로 늘어남과 동시에 직경이 중심방향으로 줄어들면서 내부에 삽입된 광섬유(20)가 코일스프링(30)의 내주면에 의해 소정의 측압을 받게 된다.
이와 같이 측압을 받는 광섬유(20)는 측압의 방향으로 소정 각도 벤딩되면서, 그 내부의 코어층(21)과 클래드층(23)이 찌그러진 모양으로 변형된다.
이때, 상기 광섬유(20)의 일측단에 연결된 광원(40)으로부터 전송되는 소정의 광신호는 광섬유(20)에 작용되는 측압에 따른 코어층(21)과 클래드층(23)의 변형정도에 비례하는 광손실과 벤딩 각도에 따른 광손실이 동시에 발생되어 상기 광섬유(20)의 타측단에 연결된 광손실측정기(50)에 의해 손실량이 감지되어 시설물의 변형정도를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
따라서, 상기 광변형센서에서는 광섬유(20)의 외표면에 폴리머재질의 피복층(25)이 형성되어 코일스프링(30)으로부터 작용되는 측압이 피복층(25)에 의해 일부 흡수되더라도, 벤딩 각도에 따른 광손실이 동시에 발생되므로, 시설물의변형정도를 정확하게 측정할 수 있다.
이때, 상기 광손실 측정기는 소정 길이 연장된 광섬유(20)에 연결되어 상기 시설물로부터 상당거리 이격된 원거리에서 시설물의 정확한 변형량을 측정할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 제 2실시예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도이다.
이를 참조하면, 상기 광변형센서는 시설물의 변형정도를 측정하고자 하는 소정 위치에 일정 간격 이격되도록 고정 설치된 한 쌍의 고정부재(10)와, 상기 한 쌍의 고정부재(10)에 소정의 인장력을 받도록 고정 설치된 코일스프링(30)과, 상기 코일스프링(30)에 코일스프링(30)과 동일한 피치로 꼬여지도록 설치된 광섬유(20)와, 상기 광섬유(20)의 일측단에 연결되어 설치된 광원(40)과, 상기 광섬유(20)의 타측단에 연결되어 설치된 손실측정기(50)로 이루어진다.
이때, 상기 코일스프링(30)은 일정 피치를 갖는 나선형 스프링으로서, 양단이 상기 고정부재(10)에 일정한 인장력을 받도록 고정 설치된다.
상기 광섬유(20)는 그 중심부에 굴절률이 높은 코어층(21)과, 상기 코어층(21) 외주면에는 코어층(21)보다 굴절률이 낮은 클래드층(23)이 형성된 광섬유심선이 마련되며, 상기 코일스프링(30)에 코일스프링(30)과 동일한 피치로 꼬여지도록 설치되어 상기 시설물이 변형됨에 따라 코일스프링(30)으로부터 소정의 측압을 받도록 구성된다.
이상의 구성에 의한 본 발명의 제 2실시예에 따른 작용예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 코일스프링을 갖는 광변형센서의 사시도이다.
이를 참조하면, 상기 시설물에 크랙(crack) 또는 부분 파단이 발생될 경우 상기 고정부재(10)는 서로 이격되는 방향으로 벌어지게 되므로, 이러한 고정부재(10)에 고정되어 설치된 코일스프링(30)은 이에 대응되는 인장력을 받게된다.
따라서, 상기 코일스프링(30)은 길이방향으로 늘어남과 동시에 직경이 중심방향으로 줄어들면서 내부에 삽입된 광섬유(20)가 코일스프링(30)의 내주면에 의해 소정의 측압을 받게 된다.
이와 같이 작용되는 측압은 상기 광섬유(20)의 내부의 코어층(21)과 클래드층(23)을 찌그러진 모양으로 변형시키게 된다.
따라서, 상기 광섬유(20)의 일측단에 연결된 광원(40)으로부터 전송되는 소정의 광신호는 광섬유(20)에 작용되는 측압에 따른 코어층(21)과 클래드층(23)의 변형정도에 비례하는 광신호 누설이 발생되어 상기 광섬유(20)의 타측단에 연결된 광손실측정기(50)에 의해 손실량이 감지되어 시설물의 변형정도를 정확하게 측정할수 있게 된다.
이때, 상기 광손실 측정기는 소정 길이 연장된 광섬유에 연결되어 상기 시설물로부터 상당거리 이격된 원거리에서 시설물의 정확한 변형량을 측정할 수 있게 된다.
이상의 본 발명을 적용하게 되면, 상기 제 1실시예에 따른 광변형센서는 폴리머재질로 된 광섬유를 코일스프링의 내주면에 삽입하여 설치하게 되므로, 광섬유의 외표면에 금속 코팅층을 형성하기 위한 별도의 코팅 설비가 불필요하며, 또한 상기 광섬유를 나선형으로 꼬아서 배치하기 위한 별도의 스트랜딩장비가 불필요하기 때문에 제조 설비가 단순화된다.
상기 제 1실시예에 따른 광변형센서는 광섬유심선의 둘레면에 비교적 탄성신율한계가 높은 폴리머 재질의 피복층이 형성되어 상기 시설물에 비교적 큰 변형이 발생될 경우에도 상기 광섬유가 탄성신율한계를 넘지 않게 되므로, 정확한 변형 정도를 측정할 수 있게 된다.
또한, 상기 제 2실시예에 따른 광변형센서는 양측 고정부재 사이의 광섬유가 동일 피치를 갖는 코일스프링에 감겨져 설치되므로, 장시간 사용하더라도 코일스프링에 의해 동일 피치를 그대로 유지하게 되므로, 시설물의 정확한 변형정도를 측정할 수 있다.

Claims (3)

  1. 시설물에 소정 간격 이격되어 고정 설치된 한쌍의 고정 부재와, 상기한 고정 부재 사이에 설치됨과 아울러 일측단에 광원이 연결되고 타측에 손실 측정기가 연결된 광섬유를 포함하는 광변형 센서에 있어서,
    상기한 한쌍의 고정 부재 사이에 연결되어 소정 장력을 받도록 설치됨과 아울러 상기한 광섬유가 내부를 관통하도록 설치되어 시설물의 변형 정도에 따라 광섬유에 측압 및 벤딩압력을 인가하는 코일 스프링을 포함함을 특징으로 하는 광변형 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기한 광섬유와 코일 스프링이 서로 나선상으로 꼬이도록 결합하여 광섬유에 측압 및 벤딩력을 인가하는 것을 특징으로 하는 광변형 센서.
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