KR100937112B1 - 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치 - Google Patents

자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치는, 격납구조물의 수평 또는 수직 변위와 상기 격납구조물의 수평 또는 수직 변형율을 측정하는 광섬유격자센서; 상기 광섬유격자센서와 격납구조물 벽체를 연결하는 부착판; 및 상기 부착판이 고정되는 격납구조물 벽체;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 광섬유격자센서는, 길이방향의 양측단에 상기 부착판과 힌지를 사용하여 서로 연결되며, 상기 격납구조물의 롤링(Rolling)값, 피칭(Pitching)값, 요윙(Yawing)값을 측정하는 자이로센서;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
광섬유격자센서, 자이로센서, 격납구조물

Description

자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치{Apparatus for Measuring 3D Movement using Fiber Brag Grating Sensor and Gyrosensor}
본 발명은 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 부착판 탈락 및 인바 와이어(Invar Wire)의 결선을 방지하고 격납구조물의 변위 측정시 정확도를 보다 향상시킨 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치에 관한 것이다.
원자력발전소의 격납구조물 구조건전성평가를 행하기 위해 종래에는 전기식 센서를 이용하여 상기 평가를 행하고 있는 바, 구체적으로, 상기 격납구조물 벽체의 측정부 양쪽에 부착판을 설치하고, 상기 부착판 사이에 균일한 탄성을 갖는 인바 와이어(Invar Wire)를 사용하여 인장하도록 형성한 후, 상기 측정부에는 전기식 센서를 연결하여 변위를 측정하고 있다.
종래기술에 따른 전기식 센서를 사용하여 구조물의 구조건전성평가를 행하는 실시예가 도 1에 도시되어 있는 바, 상기 도면을 참고하여 이를 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 상기 전기식 센서의 거동 정밀 측정 장치는 격납구조물 벽체(10), 전기식 센서(20), 부착판(30), 인바 와이어(Invar Wire)(40)를 포함하여 형성된다.
상기 구성요소 중, 격납구조물 벽체(10)는 부착판(30)을 고정시키며 원자력 발전소의 방사성 물질이 유출되지 않도록 보호하는 기능을 갖는다.
상기 전기식 센서(20)는 격납구조물 벽체(10)에 부착하는 2개의 부착판(30) 사이에 위치하고 있으며, 또한, 상기 전기식 센서(20)는 부착판(30)과 인바 와이어(40)로 연결되어 있다. 일반적으로 상기 전기식 센서(20)는 터널, 긴 다리의 계측에 사용되고 있다. 하지만 현재 사용되고 있는 상기 전기식 센서(20)는 금속부식, 전자기파에 의한 노이즈, 전력손실, 전선의 길이, 무거운 무게의 문제점을 지니고 있다.
상기 부착판(30)은 격납구조물 벽체(10)와 인바 와이어(30)를 서로 연결하도록 형성된다. 일반적으로, 상기 부착판(30)은 격납구조물 벽체(10)와 접촉하는 면에 압력의 수축을 이용하여 부착되어진다.
상기 인바 와이어(40)는 인바로 구성된 철선을 지칭한다. 구체적으로, 상기 인바는 온도가 변해도 거의 치수가 변하지 않는 특징을 가지고 있으며 철 63.5%와 니켈 36.5%를 첨가하여 형성된 열팽창계수가 작은 합금을 지칭한다. 주로 이러한 인바는 정밀기계 또는 광학기계의 부품, 시계의 부품과 같이 온도 변화에 의해서 치수가 변화면 오차의 원인이 되는 기계에 주로 사용된다.
그러나, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 상기 전기식 센서의 거동 정밀 측정 장치는 부착판의 탈락이나 상기 인바 와이어의 결선 등의 문제가 종종 발생하여 시공이 어렵고, 전자기파에 의한 계측 오류가 발생하는 등의 문제점이 있다.
또한, 상기 구조건전성평가에서 격납구조물 내로 압력을 불어 넣는 경우, 상기 격납구조물의 벽체가 3차원 거동으로 팽창하게 되는 데, 이때 상기 부착면의 각도 변화에 따라 실제 측정하고자 하는 변위에 오차가 발생하는 등의 문제점도 발생한다.
따라서, 본 출원의 발명자는 간단한 구성장치의 추가사용을 통해 이러한 기술적 문제점을 해결할 수 있는 방안을 강구하게 되었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 자이로센서를 이용한 3차원 거동 정밀 측정장치는 전기식 센서의 전자기파로 인한 계측 오류 발생을 방지하여 격납구조물의 변위 측정시 보다 정확한 측정을 가능하도록 한다.
또한, 격납구조물의 벽체가 3차원 거동으로 팽창하는 경우 부착면의 각도 변화에 따른 변위 측정의 정확도 향상을 제공하도록 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치는, 격납구조물의 수평 또는 수직 변위와 상기 격납구조물의 수평 또는 수직 변형율을 측정하는 광섬유격자센서; 상기 광섬유격자센서와 격납구조물 벽체를 연결하는 부착판; 및 상기 부착판이 고정되는 격납구조물 벽체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광섬유격자센서는, 길이방향의 양측단에 상기 부착판과 힌지를 사용하여 서로 연결되는 것을 특징으로 한다.
상기 3차원 거동 정밀 측정 장치는, 상기 격납구조물의 롤링(Rolling)값, 피칭(Pitching)값, 요윙(Yawing)값을 측정하는 자이로센서;를 더 포함하며, 상기 자이로센서는, 상기 부착판의 상단에 마련되는 것을 특징으로 한다.
상기 3차원 거동 정밀 측정 장치는, 상기 광섬유격자센서의 측정값과 상기 자이로센서의 측정값을 표시부로 전송하는 무선모듈;을 더 포함하며, 상기 무선모듈은, 상기 부착판의 상단에 마련되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치를 이용하면 종래 전기식센서를 사용하는 경우 발생하였던 부착판 탈락 및 인바 와이어(Invar Wire)의 결선을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치를 이용하면 종래 전기식 센서의 전자기파로 인한 계측 오류 발생을 방지하여 격납구조물의 변위 측정시 정확도를 향상시킬 수 있다는 기술적 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치를 이용하면 격납구조물의 벽체가 3차원 거동으로 팽창할 경우 부착면의 각도 변화에 따른 변위 측정의 정확도가 향상된다는 기술적 장점이 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치의 개략적인 구성 개략도를 도시하고 있는 바, 도면을 참고하여 본 발명에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치를 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치는 격납구조물 벽체(10), 광섬유격자센서(100), 부착판(200), 자이로센서(300), 무선모듈(400)을 포함한다. 격납구조물 벽체(10)는 상술한 바와 같이, 부착판(200)을 고정시키며 원자력 발전소의 방사성 물질이 유출되지 않도록 보호하는 기능을 갖는다.
상기 광섬유격자센서(100)는 격납구조물의 수평 또는 수직 변위와 상기 격납구조물의 수평 또는 수직 변형율을 측정한다. 또한, 길이방향의 양측단에 부착판(200)과 힌지를 통하여 서로 연결되어 있다.
상기 광섬유격자센서(100)는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 상기 광섬유 내에서 빛의 전파 원리는 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리에 있으며, 광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파되게 된다. 이러한 광섬유의 주성분은 실리카 유리로 이루어져 있으며, 그 구조는 굴절율이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 중심인 코어 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩 부분으로 구성되어 있다.
일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결 함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 상기 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 또한 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유격자센서에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림을 감지할 수 있다.
상기 부착판(200)은 상기 격납구조물 벽체(10)와 고정되는 반대 측면에 상기 광섬유격자센서(100)를 연결하는 힌지가 위치한다.
상기 자이로센서(300)는 부착판(200)의 상단에 마련되며 격납구조물의 롤링(Rolling)값, 피칭(Pitching)값, 요윙(Yawing)값을 측정한다. 상기 롤링값은 X축의 각도 변화량이고, 상기 피칭값은 Y축의 각도 변화량이며, 상기 요윙값은 Z축의 각도 변화량이다. 상기 자이로센서(300)는 인가되는 가속도에 의해 관성체에 작용하는 관성력을 검출하는 것이 기본원리이며 회전체의 역학적인 운동을 관찰한다.
상기 무선모듈(400)은 부착판(200)의 상단에 부착되며, 광섬유격자센서(100)와 자이로센서(300)의 측정값을 표시부로 전송하는 기능을 갖는다. 예컨대, 전송 기법으로는 적외선 통신이나 블루투스를 이용한 무선통신을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 상기 표시부에는 무선모듈(400)에서 전송하는 상기 측정값을 전송받는 무선 수신장치를 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 상술한 바와 같은 기능을 갖는 자이로센서를 이용한 3차원 거동 정밀 측정 장치를 사용하는 경우에는 보다 정밀한 계측을 행하는 것이 가능하며, 또한 종래 전기식 센서를 사용하여 구조건전성평가를 행하는 경우에 비해, 시공이 간편하고 계측오류의 발생을 방지하는 것이 가능하다는 기술적 장점이 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 종래기술에 따른 전기식 센서의 거동 정밀 측정 장치의 개략적인 구성 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치의 개략적인 구성 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 격납구조물 벽체 20 : 전기식 센서
30 : 부착판 40 : 인바 와이어(Inver Wire)
100 : 광섬유격자센서 200 : 부착판
300 : 자이로센서 400 : 무선모듈

Claims (6)

  1. 격납구조물의 수평 또는 수직 변위와 상기 격납구조물의 수평 또는 수직 변형율을 측정하는 광섬유격자센서(100);
    상기 광섬유격자센서(100)와 격납구조물 벽체(10)를 연결하는 부착판(200); 및
    상기 부착판(200)이 고정되는 격납구조물 벽체(10);를 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광섬유격자센서(100)는,
    길이방향의 양측단에 상기 부착판(200)과 힌지를 사용하여 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 3차원 거동 정밀 측정 장치는,
    상기 격납구조물의 롤링(Rolling)값, 피칭(Pitching)값, 요윙(Yawing)값을 측정하는 자이로센서(300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자이로센서(300)는,
    상기 부착판(200)의 상단에 마련되는 것을 특징으로 하는 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 3차원 거동 정밀 측정 장치는,
    상기 광섬유격자센서(100)의 측정값과 상기 자이로센서(300)의 측정값을 표시부로 전송하는 무선모듈(400);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 무선모듈(400)은,
    상기 부착판(200)의 상단에 마련되는 것을 특징으로 하는 자이로센서를 이용한 광섬유센서의 3차원 거동 정밀 측정 장치.
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