KR101022398B1 - 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자, 이를 이용한 탐지장치 및 탐지방법 - Google Patents

구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자, 이를 이용한 탐지장치 및 탐지방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자, 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조물에 작용하는 인장력 또는 압축력이 최대인 경우에만 이송자가 움직이도록 구성하고, 브래그 격자에 반사된 반사광을 분석함으로써 구조물의 최대변위에 따른 이력을 유지하도록 구성된 탐촉자와 이를 이용한 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 하부면이 구조물에 부착되는 케이스부; 일단이 케이스부의 일측벽면에 고정되고, 타단이 자유단인 외팔보부; 케이스부의 내부에 구비되어 케이스부의 내부에서 일 방향으로 이동하고, 외팔보부의 자유단이 접하는 내부 경사면이 형성되어 있는 이송자; 일단이 구조물에 부착되고, 타단이 이송자와 연결되어 이송자를 일 방향으로 이동시키는 이송막대부; 및 외팔보부에 부착되고, 내부에 2개의 브래그 격자부가 형성되어 있으며, 입사광과 브래그 격자부에 반사된 반사광이 이동하는 통로인 광섬유부;를 포함함으로써, 구조물에 최대변형력이 작용하는 경우에 이동한 이송자의 위치가 케이스부 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자와 이를 이용한 탐지장치 및 탐지방법을 제공한다.
구조물, 최대변위, 압축력, 인장력, 브래그 격자, 온도보상

Description

구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자, 이를 이용한 탐지장치 및 탐지방법{Probe for detecting maximun displacement, detecting device and method using therewith}
본 발명은 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자, 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구조물에 작용하는 인장력 또는 압축력이 최대인 경우에만 이송자가 움직이도록 구성하고, 브래그 격자에 반사된 반사광을 분석함으로써 구조물의 최대변위에 따른 이력을 유지하도록 구성된 탐촉자와 이를 이용한 탐지장치 및 탐지방법에 관한 것이다.
최근 건설기술이 발달함에 따라 더욱 높은 정확성과 신뢰성을 바탕으로 구조물의 상태를 파악하고 이를 기초로 구조물의 변형 등을 예측할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
구조물의 상태를 파악하기 위한 기술로서, 파장변조형 광섬유 센서인 브래그 격자를 사용하는 센서는 외부에서 작용하는 물리량의 변화에 따라 브래그 격자의 간격이 변화하고, 간격이 변화된 브래그 격자에 의하여 브래그 파장이 변하는 원리에 기초한다. 이러한 브래그 격자는 외부의 물리량에 의하여도 반응하지만 온도 변 화에도 반응하는 특징이 있으므로 온도변화에 따른 보상이 필요하다.
브래그 격자를 이용하는 센서의 온도를 보상하는 방법이 다수 있으나 센서의 직경을 다르게 하는 등의 가공공정이 추가되어 제작비용이 상승되는 문제가 있었다.
또한, 광섬유 센서는 높은 분해능, 전자기파 노이즈의 저항성, 절대값의 측정, 다중화 등의 장점으로 교량, 터널 그리고 건물 등의 구조물의 손상이나 오랜 사용에 따라 노후화에 따른 최대하중 등을 초기에 감지할 수 있는 센서로 유망하다.
이러한, 광섬유 센서를 이용하여 구조물의 변위를 확인하는 센서는 다수 존재하였으나, 이는 구조물의 변형에 따라 시시각각 움직이도록 구성되어 있다. 따라서, 최대변위를 탐지하기 위해서는 일정시간 동안 실시간으로 데이터를 획득하고, 획득된 데이터에서 최대변위에 해당하는 값을 추출하는 등의 수고가 존재하였다. 즉, 구조물의 최대변위를 확인하기 위해서는 장시간 모니터링이 요구되는 등의 노력과 시간이 많이 요구되는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구조물의 최대변위가 작용하는 경우, 그 최대변위의 이력을 구조적으로 유지하는 탐촉자와 이를 이용한 탐지장치 및 탐지방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 외팔보부의 상부면과 하부면에 위치하는 브래그 격자부에 반사된 반사광을 기초로 신호처리함으로써, 온도보상이 필요없는 탐촉자와 이를 이용한 탐지장치 및 탐지방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 하부면이 구조물에 부착되는 케이스부;
일단이 케이스부의 일측벽면에 고정되고, 타단이 자유단인 외팔보부;
케이스부의 내부에 구비되어 케이스부의 내부에서 일 방향으로 이동하고, 외팔보부의 자유단이 접하는 내부 경사면이 형성되어 있는 이송자;
일단이 구조물에 부착되고, 타단이 이송자와 연결되어 이송자를 일 방향으로 이동시키는 이송막대부; 및
외팔보부에 부착되고, 내부에 2개의 브래그 격자부가 형성되어 있으며, 입사광과 브래그 격자부에 반사된 반사광이 이동하는 통로인 광섬유부;를 포함함으로써,
구조물에 최대변형력이 작용하는 경우에 이동한 이송자의 위치가 케이스부 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자에 의 하여 달성가능하다.
그리고, 이송자에는 이송자의 역방향으로의 이동을 방지하는 역이송제한부;가 더 포함됨이 바람직하다.
이 경우, 역이송제한부는 케이스부와 상기 이송자 사이에 구비되어, 이송자의 역방향으로의 이동을 방지할 수 있다.
그리고, 역이송제한부는 케이스부와 이송자의 접촉면에 형성된 미세홈으로서 표면마찰계수를 갖도록 구성할 수 있다.
또한, 광섬유부는, 2개의 브래그 격자부 중 어느 하나가 외팔보부의 상부면에 위치하고, 브래그 격자부중 나머지 하나가 외팔보부의 하부면에 위치하도록 부착된다.
그리고, 이송자의 내부 경사면 중 외팔보부의 자유단이 접하는 면에는 가이드 라인이 형성될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 앞서 언급된 실시예에 따른 탐촉자가 구비되고,
탐촉자의 광섬유부에 입사광을 인가하는 광원부;
탐촉자에서 출력되는 반사광에 기초하여 구조물의 최대변위를 탐지하는 탐지부; 및
광원부와 탐촉자를 연결하여 입사광이 상기 탐촉자에 입력되도록 하고, 탐지부와 탐촉자를 연결하여 반사광이 상기 탐지부로 출력되도록 하는 광섬유 연계기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐지장치에 의하 여도 달성가능하다.
그리고, 광원부는 광대역광원을 사용함이 바람직하다.
또한, 반사광은 탐촉자에 구비되는 2개의 브래그 격자부 각각에 의하여 반사된 광으로서, 서로 다른 중심파장을 갖는 2개의 반사광이다.
그리고, 탐지부는 2개의 반사광의 파장의 차이에 기초하여 구조물의 최대변위를 탐지한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 탐촉자의 케이스부와 이송막대의 일단을 구조물에 부착하는 단계;
광원부가 광섬유부로 광대역의 입사광을 입력하는 단계;
광섬유부 내부의 브래그 격자부에 의하여 반사된 초기 반사광이 출력되는 단계;
구조물에 최대변형력이 작용하여, 광섬유부 내부의 브래그 격자부의 간격이 변하는 단계;
간격이 변화된 브래그 격자부에 반사된 반사광이 출력되는 단계; 및
탐지부가 초기 반사광과 간격변화된 브래그 격자부에 의한 반사광에 기초하여, 최대변형력에 의한 구조물의 최대변위를 탐지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지방법에 의하여도 달성가능하다.
그리고, 브래그 격자부의 간격변화 단계는, 구조물에 최대변형력이 작용하는 단계; 구조물에 작용하는 최대변형력에 의하여, 이송막대부가 이송자를 일 방향으로 이동시키는 단계; 이송자의 이동으로 이송자에 형성된 내부 경사면에 접촉한 외 팔보부가 변형되는 단계; 및 외팔보부의 변형으로 외팔보부의 상부면과 하부면에 각각 위치하는 브래그 격자부의 간격이 변하는 단계;를 포함한다.
또한, 구조물에 작용하는 최대변형력이 해제된 경우, 이송막대부는 구조물에 최대변형력이 작용하기 전의 위치로 이동하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 구조물의 최대변위 탐지단계는, 초기반사광의 차이와 간격변화된 브래그 격자부에 의한 반사광의 차이에 기초하는 다음의 [수학식]에 의하여, 최대변위의 변화를 탐지한다.
[수학식]
Figure 112008080855299-pat00001
(단, dL은 구조물의 최대변위 변화량, C는 브래그 파장의 차이와 변위변화사이의 환산계수, ΔλB 는 최대변형력이 작용하는 경우 두 반사광 사이의 파장 차이, ΔλB0 는 초기 반사광 사이의 파장 차이)
따라서, 상기와 같은 본 발명의 일실시예에 의하면, 구조물에 작용한 최대변형력에 따른 최대변위 변화에 따른 이력을 물리적 구조로 저장 또는 유지시키는 탐촉자를 사용함으로써 구조물의 최대변위를 용이하게 탐지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 구조물의 최대변위를 탐지하는데 드는 비용과 시간을 최소화할 수 있다.
그리고, 브래그 격자부를 2개 구비함으로써 별도의 온도보상이 필요없어 온 도를 보상하면서 발생하는 불확도 등을 최소화하므로 구조물의 최대변위를 더욱 정확하게 탐지할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
<탐촉자>
도 1은 본 발명에 따른 구조물의 최대변위를 탐지하기 위한 탐촉자의 구성단면도이다. 본 발명에 따른 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자(100)는 케이스부(110), 케이스부(110)의 내부에 구비되는 이송자(130), 이송막대부(120), 외팔보부(112), 2개의 브래그 격자부(142)를 구비하는 광섬유부(140) 등을 포함한다.
케이스부(110)는 하부면이 구조물(1)에 부착되고, 케이스부(110)의 내부에 구비되는 외팔보부(112), 이송자(130) 등을 외부의 오염물질이나 구조물(1)에 작용하는 최대변형력 이외의 힘으로부터 보호하는 역할을 한다. 케이스부(110)는 구조물(1)에 부착되는 형상이라면, 도 1에 도시된 바와 같이 하부면이 평평한 면으로 구성되거나, 구조물(1)에 부착되는 다수개의 지지대(미도시)등이 형성되는 등 그 형상은 불문한다.
케이스부(110)의 일면에는 외팔보부(112)가 구비되어 있다. 외팔보부(112)의일단은 케이스부(110)에 고정된 고정단이고, 타단은 이하에서 설명할 이송자(130) 의 내부 경사면(134)에 일단이 접해있는 상태로 자유단이다. 외팔보부(112)의 자유단은 이송자(130)의 내부 경사면(134)을 따라 상부 또는 하부로 이동하면서 변형(예, 휘어짐)된다. 따라서 외팔보부(112)는 이러한 변형을 견딜 수 있을 정도의 탄성을 지닌 소재로 제작됨이 바람직하다.
이송자(130)는 케이스부(110)의 내부에 구비되어, 이송막대부(120)에 의하여 일 방향으로만 이동한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이송자(130)의 내부에는 경사면이 형성되어 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 이송자(130)의 내부 경사면(134)에는 외팔보부(112)의 자유단이 접해 있다. 외팔보부(112)의 자유단은 내부 경사면(134)을 따라 이동하므로, 내부 경사면(134)에는 가이드 라인이 형성되어 있음이 좋다. 가이드 라인은 내부 경사면(134)에 홈(미도시)을 파서 형성하거나, 일직선의 돌출선(미도시)을 형성함으로써 구성할 수 있다. 이러한 이송자(130)는 이송막대부(120)에 의하여 일 방향으로 움직인다. 이송막대부(120)에 의한 이송자(130)의 움직임은 이하, 구조물(1)에 최대변형력으로 압축력 또는 인장력이 작용하는 경우에 대한 설명부분에서 자세히 살펴본다.
이송막대부(120)는 일단이 구조물(1)에 고정되고 타단은 이송자(130)와 연결되어 있다. 이송막대부(120)의 일단이 구조물(1)에 고정되어 있으므로, 구조물(1)에 작용한 최대변형력은 이송막대부(120)에 전달되어, 이송막대부(120)는 이송자(130)를 일 방향으로 이동시킨다. 이송막대부(120)가 이송자(130)를 일 방향으로 이동시킨 후에 구조물(1)에 작용하던 최대변형력이 해제되면 이송막대부(120)는 구조물(1)에 최대변형력이 작용하기 전의 위치로 돌아온다. 즉, 이송막대부(120)는 일 방향으로 이동하는 이송자(130)와는 달리 양 방향으로 자유롭게 이동가능하다.
광섬유부(140)는 내부에 2개의 브래그 격자부(142)가 형성되어 있다. 브래그 격자부(142)는 다수개의 브래그 격자가 소정의 간격으로 구비된 형상으로, 크게 2개 형성되어 있다. 이러한 광섬유부(140)는 외팔보부(112)에 부착되는데, 2개의 브래그 격자부(142)중 어느 하나는 외팔보부(112)의 상부면에 위치하고, 나머지 하나의 브래그 격자부(142)가 외팔보부(112)의 하부면에 위치하도록 부착된다.
브래그 격자부(142)는 주변의 온도나 인장정도에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특징이 있다. 즉, 브래그 격자부(142)에 인가되는 입사광은 격자 주변의 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지는 경우에 반사되는 빛의 파장이 달라진다. 그러나, 본 발명에서는 2개의 브래그 격자부(142)를 사용하여 각각의 브래그 격자부(142)에 반사되는 2개의 반사광을 분석하므로 주변의 온도는 무시해도 된다. 이에 대한 자세한 설명은 이하 해당부분에서 설명하기로 한다.
이러한 광섬유부(140)의 코어부분의 직경은 약 1cm 정도가 되도록 하고, 브래그 격자부(142)는 약 500nm 정도의 미세한 굴절율의 차이가 주기적으로 야기되도록 브래그 격자를 다수개 구성한다. 굴절율의 주기적인 간격(Δ)이 외부에서 작용하는 힘(즉, 외팔보부(112)가 변형되는 힘)이 변화하면 브래그 파장(λB)도 [수학식 1]과 같이 변화된다. 이때, n은 굴절률이다.
Figure 112008080855299-pat00002
즉, 최대변형력이 구조물(1)에 작용하면, 이송막대부(120)에 의한 이송자(130)의 이동으로 이송자(130)의 내부 경사면(134)과 외팔보부(112)의 접촉위치가 변한다. 접촉위치가 변화되면서 외팔보부(112)가 약간 변형되므로 외팔보부(112)의 상부면과 하부면 각각에 위치하는 브래그 격자부(142)의 간격도 변화된다. 따라서, 반사광의 파장은 최대변형력이 작용하기 전의 값과 달라진다.
반사광에 대하여 보다 자세히 설명하면 다음과 같다. 광섬유부(140)로 입사된 입사광 중 외팔보부(112)의 상부면에 위치하는 브래그 격자부(142)의 브래그 조건을 만족하는 광이 반사되어 출력된다. 그리고, 상부면의 브래그 격자부(142)를 통과한 광중 하부면에 위치하는 브래그 격자부(142)의 브래그 조건을 만족하는 광이 반사되어 출력된다. 이러한 방식으로 2개의 반사광이 광섬유부(140)로부터 출력된다.
이 때, 상부면의 브래그 격자부(142)와 하부면의 브래그 격자부(142)의 격자간격이 다르기 때문에, 각각의 브래그 격자부(142)에서 반사되는 반사광의 중심파장도 다르다. 또한, 하부면의 브래그 격자부(142)에 반사된 반사광은 상부면의 브래그 격자부(142)의 격자조건에 부합하지 않기 때문에 상부면의 브래그 격자부(142)에 아무런 영향을 받지 않고 상부면의 브래그 격자부(142)를 통과하여 출력된다.
이처럼, 광섬유부(140)는 입사광과 브래그 격자부(142)에 의하여 반사된 반사광이 이동하는 통로가 된다. 앞서 살펴본 바와 같이, 입사광중 브래그 조건을 만족하는 파장의 빛만 브래그 격자부(142)에 반사되므로, 브래그 조건을 만족하지 못 하는 입사광의 일부는 브래그 격자부(142)를 통과하는 통과광이 된다. 이러한 통과광은 반사광의 이동방향과 역의 방향으로 진행하여 외부로 출력된다. 이러한 통과광은 구조물(1)의 최대변위를 탐지하는데 있어 어떠한 영향을 미쳐서도 아니되므로, 통과광이 출력되는 광섬유부(140)의 단부는 도 1에 확대되어 도시된 바와 같이, 표면을 거칠게하여 난반사되도록 함이 바람직하다.
역이송제한부(150)는 케이스부(110) 내부에서 일 방향으로만 이동하는 이송자(130)의 역방향으로의 이동을 방지하는 역할을 한다. 역이송제한부(150)는 도 1에 도시된 바와 같이, 이송자(130)와 케이스부(110) 사이에 구비될 수 있으며, 이러한 역이송제한부(150)는 판 스프링, 코일 스프링 등으로 구성가능하다.
또한, 역이송제한부(150)는 도 2에 도시된 바와 같이, 이송자(130)와 케이스부(110)의 접촉면에 형성된 미세홈(150a, 150b)일 수 있다. 미세홈(150a, 150b)은 도 2에 도시된 바와 같이 사선 형상으로 제작하여 이송자(130)가 일 방향으로 이동하면 역방향으로 이동이 어렵게 구성할 수 있다. 또한 접촉면에 형성된 미세홈(150a, 150b)은 소정의 표면 마찰계수를 갖으므로 마찰력에 의하여 이송자(130)는 역 방향으로 이동되지 않는다. 미세홈(150a, 150b)으로 형성된 역이송제한부(150)는 케이스부(110)와 이송자(130)의 접촉면중 적어도 일면에 형성됨이 바람직하다.
이하에서는, 이러한 탐촉자(100)가 구조물(1)에 부착·설치되고 구조물(1)에 최대변형력으로서 압축력 또는 인장력이 작용하는 경우별로 탐촉자(100)의 구조적 상태를 설명한다.
(구조물에 최대변형력-압축력이 작용하는 경우)
도 3a는 구조물에 압축력이 작용하기 전의 탐촉자의 단면도이고, 도 3b는 구조물에 압축력이 작용한 후의 탐촉자의 단면도이며, 도 3c는 구조물에 작용하던 압축력이 해제된 경우의 탐촉자의 단면도이다.
본 발명에 따른 탐촉자(100)가 구조물(1)에 설치된 후 처음으로 압축력이 작용한 경우에 대하여 먼저 설명한다. 처음으로 작용한 압축력은 탐촉자(100)가 설치된 이후, 최대압축력에 해당하므로 탐촉자(100)의 구조가 변한다. 즉, 구조물(1)에 작용한 압축력에 의하여 이송막대부(120)는 도 3b에 도시된 바와 같이 오른쪽으로 작용하는 힘을 받아 이동한다.
오른쪽으로 이동하는 이송막대부(120)의 일단은 이송자(130)를 밀 수 있게 돌출되어 있다. 따라서, 이송막대부(120)의 돌출된 부분은 이송자(130)와 접해 있으므로 이송자(130)를 밀고, 이송막대부(120)에 의하여 힘을 받은 이송자(130)는 케이스부(110) 내부에서 오른쪽 방향(x축 방향)으로 이동한다.
이송자(130)가 오른쪽 방향(x축 방향)으로 이동하면, 이송자(130)의 내부 경사면(134)에 접해있는 외팔보부(112)는 이송자(130)의 내부 경사면(134)을 따라 상부로 이동하고, 내부 경사면(134)에 접하는 위치가 변하면서 외팔보부(112)는 변형된다. 외팔보부(112)의 변형으로 외팔보부(112)의 상부면에 형성된 브래그 격자부(142)의 격자 간격은 좁아지고, 외팔보부(112)의 하부면에 형성된 브래그 격자부(142)의 격자 간격은 넓어진다. 간격이 변화된 각각의 브래그 격자부(142)에 반사된 반사광은 압축력이 작용하기 전의 반사광과는 다른 중심파장을 갖는다.
이러한 상태에서 구조물(1)에 작용하던 압축력이 해제되면, 구조물(1)은 본래의 상태로 복원될 것이므로, 구조물(1)에 일단이 고정된 이송막대부(120)는 도 3c에 도시된 바와 같이, 압축력이 작용하기 전의 위치로 복원된다. 즉, 이송막대부(120)는 왼쪽 방향(-x축 방향)으로 이동한다. 이송막대부(120)가 왼쪽방향으로 이동하더라도, 이송막대부(120)의 돌출부분은 이송자(130)와 고정연결된 상태가 아니므로, 이송자(130)가 왼쪽 방향으로 이동하는 일은 없다. 즉, 케이스부(110)와의 상대적 관계에서 이송자(130)는 케이스부(110) 내에서의 위치를 유지하므로, 이송자(130)의 내부 경사면(134)과 외팔보부(112)의 자유단의 접촉 위치도 그대로 유지된다.
그 후, 처음에 작용한 압축력보다 더 큰 압축력이 작용하는 경우를 설명한다. 처음에 작용한 압축력보다 더 큰 압축력은 본 발명에 따른 탐촉자(100)가 설치된 이력 중에서 최대압축력에 해당한다. 즉, 이송막대부(120)에 작용하는 압축력의 크기가 더 크기때문에 이송막대부(120)는 처음에 압축력이 작용한 경우보다 더 많은 변위를 이동하게 된다. 더 많이 이동한 이송막대부(120)에 의하여 이송자(130)는 또 다시 오른쪽 방향(x축 방향)으로 밀리는 힘을 받고, 이송자(130)는 오른쪽 방향으로 더 이동하게 된다. 따라서, 이송자(130)의 내부 경사면(134)과 외팔보부(112)의 자유단의 접촉위치도 변하고, 그에 따른 반사광이 출력된다. 이때의 반사광의 중심파장은 처음 압축력이 작용한 경우에 반사되는 반사광의 중심파장과 다른다.
그러나, 처음에 작용한 압축력보다 더 작은 압축력이 작용하면 앞서 설명한 처음에 작용한 압축력이 해제된 경우와 마찬가지로 동작하게 된다.
이러한 방식에 의하여 본 발명에 따른 탐촉자(100)는 최대변형력, 즉 최대압축력에 따른 이력을 구조적으로 저장 또는 유지하게 되는 것이다.
(구조물에 최대변형력-인장력이 작용하는 경우)
도 4a는 구조물에 인장력이 작용하기 전의 탐촉자의 단면도이고, 도 4b는 구조물에 인장력이 작용한 후의 탐촉자의 단면도이며, 도 4c는 구조물에 작용하던 인장력이 해제된 경우의 탐촉자의 단면도이다.
본 발명에 따른 탐촉자(100)가 구조물(1)에 설치된 후 처음으로 인장력이 작용한 경우에 대하여 먼저 설명한다. 탐촉자(100)가 설치된 이후에 처음으로 작용한 인장력은 최대인장력에 해당하므로 탐촉자(100)의 구조가 변한다. 즉, 도 4b에 도시된 바와 같이, 왼쪽으로 작용하는 인장력을 받은 이송막대부(120)는 왼쪽으로 이동한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 이송자(130)와 연결된 이송막대부(120)의 일단은 이송자(130)를 당길 수 있게 구성되어 있다. 이송막대부(120)의 일단은 걸림턱(122)이 형성되어 있고, 이송막대부(120)와 연결되는 이송자(130)에는 걸림부(132)가 형성되어 있다. 따라서, 이송막대부(120)가 왼쪽으로 이동함에 따라 이송막대부(120)에 형성된 걸림턱(122)은 걸림부(132)에 걸려, 이송자(130)를 왼쪽으로 이동시킨다.
이송자(130)가 왼쪽 방향으로 이동하면서, 이송자(130)의 내부 경사면(134)에 접하고 있는 외팔보부(112)의 자유단은 경사면을 따라 이동(즉, 경사면을 따라 내려감)하고, 외팔보부(112)는 변형된다. 외팔보부(112)의 변형으로 외팔보부(112)의 상부면에 형성된 브래그 격자부(142)의 격자 간격은 넓어지고, 외팔보부(112)의 하부면에 형성된 브래그 격자부(142)의 격자 간격은 좁아진다. 이처럼 간격이 변화된 브래그 격자부(142) 각각에 반사된 반사광은 인장력이 작용하기 전의 반사광과는 다른 중심 파장을 갖는다.
이러한 상태에서 구조물(1)에 작용하던 인장력이 해제되면, 구조물(1)은 본래의 상태로 복원될 것이므로, 구조물(1)에 일단이 고정된 이송막대부(120)는 도 4c에 도시된 바와 같이, 인장력이 작용하기 전의 위치로 복원된다. 즉, 이송막대부(120)는 오른쪽 방향(x축 방향)으로 이동한다. 이송막대부(120)가 오른쪽 방향으로 이동하더라도, 이송막대부(120)의 걸림턱(122)이 형성된 일단이 이송자(130)와 고정연결된 상태가 아니므로, 이송막대부(120)가 오른쪽으로 이동한다고 해서 이송자(130)가 오른쪽으로 이동하는 일은 없다. 즉, 케이스부(110)와의 상대적 관계에서 이송자(130)는 케이스부(110) 내에서의 위치를 유지하므로, 이송자(130)의 내부 경사면(134)과 외팔보부(112)의 자유단의 접촉 위치도 그대로 유지된다.
그 후, 처음에 작용한 인장력보다 더 큰 인장력이 작용하는 경우를 설명한다. 처음에 작용한 인장력보다 더 큰 인장력은 본 발명에 따른 탐촉자(100)가 설치된 이력 중에서 최대인장력에 해당한다. 즉, 이송막대부(120)에 작용하는 인장력의 크기가 더 크기때문에 이송막대부(120)는 처음에 인장력이 작용한 경우보다 더 많은 변위를 이동하게 된다. 더 많이 이동한 이송막대부(120)에 의하여 이송자(130)는 또다시 왼쪽 방향(-x축 방향)으로 당기는 힘을 받아 이송자(130)는 왼쪽 방향으 로 더 이동하게 된다. 따라서, 이송자(130)의 내부 경사면(134)과 외팔보부(112)의 자유단의 접촉위치도 변하고, 그에 따른 반사광이 출력된다. 이 때의 반사광의 중심파장은 처음으로 인장력이 작용한 경우에 반사된 반사광의 중심파장과 다르다.
그러나, 처음에 작용한 인장력보다 더 작은 인장력이 작용하는 경우에는, 앞서 설명한 처음에 작용한 인장력이 해제된 경우와 마찬가지로 동작하게 된다.
이러한 방식에 의하여 본 발명에 따른 탐촉자(100)는 최대변형력, 즉 최대인장력에 따른 이력을 구조으로 저장 또는 유지하게 되는 것이다.
<탐지장치>
도 5는 본 발명에 따른 탑촉자를 이용하는 탐지장치의 개략적인 구성 블록도이다. 본 발명에 따른 탐지장치는 앞서 설명한 바와 같은 탐촉자(100)와 광원부(300), 광수신부(400), 광섬유 연계기(200), 신호 처리부 등을 포함한다. 탐촉자(100)에 관하여는 앞서 설명한바와 동일하므로, 이하에서는 나머지 구성을 중심으로 설명한다.
광원부(300)는 탐촉자(100)의 광섬유부(140)로 입사광을 인가하는 부재로서, 광원부(300)로는 광대역 광원을 사용함이 바람직하다. 즉, 광대역 광원에서 출력되는 광의 세기는 도 6에 도시된 바와 같다. 도 6의 그래프에서 x축은 파장을 나타내고, y축은 광대역 광원에서 출력되는 광의 세기를 나타낸다.
광수신부(400)는 탐촉자(100)에 의한 반사광이 탐지부(500)로 입력되기 전에 더 부가될 수 있다. 이러한 광수신부(400)로는 포토 다이오드를 사용하여, 반사광 을 소정의 전기신호로 출력할 수 있다.
광섬유 연계기(200)는 광원부(300)와 탐지부(500) 사이, 보다 바람직하게는 광원부(300)와 광수신부(400) 사이에 구비되어, 광원부(300)에서 출력되는 입사광을 탐촉자(100)로 입력시키고, 탐촉자(100)에서 출력되는 반사광을 탐지부(500)로 입력시킨다. 본 발명에서는 광섬유 연계기(200)로 2×1 광섬유 연계기를 사용한다.
탐지부(500)는 광수신부(400)에서 수신된 반사광의 신호에 기초하여, 구조물(1)의 최대변위를 탐지한다. 탐촉자(100)는 앞서 설명한 바와 같이, 외팔보부(112)의 상부면과 하부면에 각각 브래그 격자부(142)가 구비되도록 형성되어 있다. 따라서, 수신된 반사광은 외팔보부(112)의 상부면에 구비된 브래그 격자부(142)에 의하여 반사된 반사광(이하, "상부반사광"이라 함)과 외팔보부(112)의 하부면에 구비된 브래그 격자부(142)에 의하여 반사된 반사광(이하, "하부반사광"이라 함)의 두가지이다.
반사광에 기초한 탐지부(500)의 최대변위 탐지는 다음과 같다. 상부반사광과 하부반사광의 파장에 따른 광의 세기는 도 7에 도시된 바와 같다. 즉, 구조물(1)에 최대압축력이 작용한 경우, 상부반사광의 중심파장(λB1)은 브래그 격자의 간격이 짧아지므로 입사광의 파장에 비하여 짧아지고, 하부반사광의 중심파장(λB2)은 브래그 격자의 간격이 넓어지므로 입사광의 파장에 비하여 길어진다.
탐지부(500)는 이러한 상부반사광과 하부반사광의 파장 차이에 기초하여, 구조물(1)의 최대변위를 탐지한다. 구조물(1)의 최대변위에 해당하는 최대변위변 화(dL)는 다음의 [수학식 2]와 같다. 이 때, C는 브래그 파장의 차이와 변위변화 사이의 환산계수이고, λB10는 상부반사광의 초기 파장이고, λB20는 하부반사광의 초기 파장이다. 상부반사광과 하부반사광의 초기파장의 차이(ΔλB0=λB20-λB10)를 차감하는 이유는 초기변위값을 0으로 맞추기 위함이다.
Figure 112008080855299-pat00003
이러한 방식으로, 탐지부(500)는 상부반사광과 하부반사광의 차이에 기초하는 [수학식 2]에 기초하여, 구조물(1)의 최대변위의 변화를 탐지하게 된다.
일반적으로, 브래그 격자의 경우 온도변화에도 민감하게 반응하여, 온도가 변하는 경우에도 반사광의 파장이 변한다. 그러나, 본 발명에 따른 탐촉자(100)는 외팔보부(112)의 상부면과 하부면에 각각 형성된 브래그 격자부(142)가 동일한 온도에 노출되어 있도록 구성되고, [수학식 2]와 같이 상부반사광과 하부반사광의 파장 차이에 기초하여 최대변위를 탐지하므로 별도의 온도보상이 필요하지 않는 장점이 있다.
구조물(1)에 인장력이 작용하는 경우에는, 도 7의 그래프에서 상부반사광과하부반사광의 위치만 바뀔 뿐, 탐지부(500)의 탐지방식은 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
미설명 부호 '160'은 이송제한판으로서, 이송자(130)가 지나치게 이동함으로써, 광섬유부(140)와 외팔보부(120)의 부착상태를 훼손하는 것을 방지하는 역할을 한다.
<탐지방법>
도 8은 본 발명에 따른 탐촉자(100)를 이용하는 구조물의 최대변위 탐지방법에 따른 흐름도이다. 먼저, 도 3a와 도 4c에 도시된 바와 같이, 탐촉자(100)를 구조물(1)에 설치한다(S100). 팀촉자의 케이스부(110)의 하부면과 이송막대부(120)의 일단이 구조물(1)에 부착된다.
그 후, 광원부(300)를 이용하여 탐촉자(100)의 광섬유부(140)에 입사광을 입력한다(S200). 광원부(300)에서 출력된 입사광는 2×1광섬유 연계기를 통과하고, 광섬유부(140)로 입력된다. 이 때, 입사광은 광대역의 입사광이 바람직하다.
입사광은 외팔보부(112)에 부착되는 광섬유부(140) 내부를 이동하면서, 광섬유부(140)의 내부에 형성된 2개의 브래그 격자부(142)에 반사되어, 상부반사광과 하부반사광이 출력된다(S300). 이하에서는, 이 때의 반사광을 "초기 반사광"이라 한다.
그 다음으로 탐촉자(100)가 설치된 구조물(1)에 최대변형력이 작용하면(S410), 앞서 설명한 바와 같이 외팔보부(112)의 상부면에 위치하는 브래그 격자부(142)와 하부면에 위치하는 브래그 격자부(142)의 간격이 변한다. 즉, 최대변형력에 의하여, 이송막대부(120)가 이송자(130)를 일 방향으로 이동시키고(S420), 이송자(130)의 이동에 의하여, 이송자(130)의 내부 경사면(134)과 외팔보부(112) 자유단의 접촉위치가 바뀌므로, 외팔보부(112)가 변형된다(S430). 외팔보부(112)의 변형으로 외팔보부(112)의 상부면과 하부면에 각각 위치하는 브래그 격자부(142)의 간격이 변한다(S440).
간격이 변화된 브래그 격자부(142)에 반사된 반사광이 출력되고(S500), 광수신부(400)를 거쳐 반사광에 대한 신호가 탐지부(500)로 인가된다. 탐지부(500)에서는 초기반사광 출력단계(S300)에서 획득된 초기 반사광의 파장의 차이와 간격이 변화되면서 출력된 반사광의 파장의 차이에 기초하여, 구조물(1)의 최대변위를 탐지한다(S600). 탐지부(500)의 최대변형 탐지는 앞서 설명한 [수학식 2]에 기초한다.
그 다음으로, 구조물(1)에 작용하는 최대변형력이 해제되면(S710), 앞서 도 3c와 도 4c를 참고하여 설명한 바와 같이, 이송막대부(120)는 구조물(1)에 최대변형력이 작용하기 전의 위치로 이동한다(S720).
(실시예)
도 9는 본 발명에 따른 탐촉자(100)를 이용하여 상기의 방법에 의하여 구조물(1)의 최대변위를 탐지한 결과를 나타내는 그래프이다. 그래프의 x축은 시간을 나타내고 y축은 변위를 나타낸다. 그리고, 그래프 상에서 (가)는 본 발명에 따른 탐촉자(100)를 사용하는 경우이고, (나)는 일반적인 광섬유 센서를 사용한 경우이다. 본 발명에 따른 탐촉자(100)를 사용하는 경우, 시간이 변함에 따라 구조물에 작용한 최대변형력에 따른 최대변위의 변화만을 탐지할 수 있지만, 일반적인 광섬유 센서를 사용하는 경우 시시각각 변하는 변위에 관한 데이터를 모두 획득한 후, 그중에서 최대변위를 추출해야만 하는 번거로움이 있다.
<변형예>
본 발명의 또다른 실시예로서, 광수신부(400)와 탐지부(500) 사이에는 반사광에 해당하는 신호를 소정의 크기로 증폭시키는 증폭부(미도시)가 더 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 탐촉자(100)가 수평방향(x축 방향)으로 설치된 상태에 대하여 설명하였으나 중력방향에 수직하거난 비스듬하게 설치되는 경우에 있어서도 적용가능함은 물론이다.
또한, 본 발명은 최대변위와 관련된 최대하중, 구조물(1)의 균열의 진전 정도 등의 다양한 변수들을 탐지하는데 기초로 활용될 수 있음은 물론이다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명에 따른 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자의 단면도,
도 2는 도 1의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도,
도 3a는 본 발명에 따른 탐촉자에 최대압축력이 작용하기 전의 탐촉자의 상태도,
도 3b는 도 3a의 탐촉자에 최대압축력이 작용한 후의 탐촉자의 상태도,
도 3c는 도 3b의 탐촉자에 최대압축력이 해제된 후의 탐촉자의 상태도,
도 4a는 본 발명에 따른 탐촉자에 최대인장력이 작용하기 전의 탐촉자의 상태도,
도 4b는 도 3a의 탐촉자에 최대인장력이 작용한 후의 탐촉자의 상태도,
도 4c는 도 3b의 탐촉자에 최대인장력이 해제된 후의 탐촉자의 상태도,
도 5는 본 발명에 따른 탐지장치의 개략적인 구성도,
도 6은 본 발명에 따른 탐지장치의 광원부에 입력되는 입력광의 파장에 대한 세기를 나타낸 그래프,
도 7은 외팔보부의 상부면과 하부면 각각에 형성된 브래그 격자부에 반사된 반사광의 파장에 따른 세기를 나타낸 그래프,
도 8은 본 발명에 따른 탐촉자를 이용하는 구조물의 최대하중 탐지방법에 따른 흐롬도,
도 9는 시간에 따른 변위를 나타내는 그래프로서, 본 발명에 따른 탐촉자를 사용한 경우와 광섬유 센서를 사용한 경우를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 구조물
100: 탐촉자
110: 케이스부
112: 외팔보부
120: 이송막대부
122: 걸림턱
130: 이송자
132: 걸림부
134: 내부 경사면
140: 광섬유부
142: 브래그 격자부
150: 역이송제한부
150a, 150b: 미세홈
160: 이송제한부
200: 광섬유 연계기
300: 광원부
400: 광수신부
500: 탐지부

Claims (14)

  1. 하부면이 구조물에 부착되는 케이스부;
    일단이 상기 케이스부의 일측벽면에 고정되고, 타단이 자유단인 외팔보부;
    상기 케이스부의 내부에 구비되어 상기 케이스부의 내부에서 일 방향으로 이동하고, 상기 외팔보부의 자유단이 접하는 내부 경사면이 형성되어 있는 이송자;
    일단이 상기 구조물에 부착되고, 타단이 상기 이송자와 연결되어 상기 이송자를 상기 일 방향으로 이동시키는 이송막대부; 및
    상기 외팔보부에 부착되고, 내부에 2개의 브래그 격자부가 형성되어 있으며, 입사광과 상기 브래그 격자부에 반사된 반사광이 이동하는 통로인 광섬유부;를 포함함으로써,
    상기 구조물에 최대변형력이 작용하는 경우에 이동한 상기 이송자의 위치가 상기 케이스부 내에서 유지되는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송자에는,
    상기 케이스부와 상기 이송자 사이에 스프링으로 구비되거나, 상기 케이스부와 상기 이송자의 접촉면에 형성된 표면마찰계수를 갖는 미세홈으로 구비되어 상기 이송자의 역방향으로의 이동을 방지하는 역이송제한부;가 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유부는,
    상기 2개의 브래그 격자부 중 어느 하나가 상기 외팔보부의 상부면에 위치하고, 상기 브래그 격자부중 나머지 하나가 상기 외팔보부의 하부면에 위치하도록 부착되는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송자의 내부 경사면 중 상기 외팔보부의 자유단이 접하는 면에는 가이드 라인이 형성된 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐촉자.
  7. 제 1 항, 제2항, 제5항 또는 제 6항 중 어느 한 항에 의한 탐촉자가 구비되고,
    상기 탐촉자의 광섬유부에 입사광을 인가하는 광원부;
    상기 탐촉자에서 출력되는 반사광에 기초하여 상기 구조물의 최대변위를 탐지하는 탐지부; 및
    상기 광원부와 상기 탐촉자를 연결하여 상기 입사광이 상기 탐촉자에 입력되도록 하고, 상기 탐지부와 상기 탐촉자를 연결하여 상기 반사광이 상기 탐지부로 출력되도록 하는 광섬유 연계기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐지장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광원부는 광대역광원인 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐지장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사광은 상기 탐촉자에 구비되는 2개의 브래그 격자부 각각에 의하여 반사된 광으로서, 서로 다른 중심파장을 갖는 2개의 반사광인 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐지장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 탐지부는 상기 2개의 반사광의 파장의 차이에 기초하여 상기 구조물의 최대변위를 탐지하는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지를 위한 탐지장치.
  11. 탐촉자의 케이스부와 이송막대부의 일단을 구조물에 부착하는 단계;
    광원부가 광섬유부로 광대역의 입사광을 입력하는 단계;
    상기 광섬유부 내부의 브래그 격자부에 의하여 반사된 초기 반사광이 출력되는 단계;
    상기 구조물에 최대변형력이 작용하여, 상기 광섬유부 내부의 브래그 격자부의 간격이 변하는 단계;
    상기 간격이 변화된 브래그 격자부에 반사된 반사광이 출력되는 단계; 및
    탐지부가 상기 초기 반사광과 간격변화된 상기 브래그 격자부에 의한 반사광에 기초하여, 상기 최대변형력에 의한 상기 구조물의 최대변위를 탐지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 브래그 격자부의 간격변화 단계는,
    상기 구조물에 최대변형력이 작용하는 단계;
    상기 구조물에 작용하는 최대변형력에 의하여, 상기 이송막대부가 이송자를 일 방향으로 이동시키는 단계;
    상기 이송자의 이동으로 상기 이송자에 형성된 내부 경사면에 접촉한 외팔보 부가 변형되는 단계; 및
    상기 외팔보부의 변형으로 상기 외팔보부의 상부면과 하부면에 각각 위치하는 브래그 격자부의 간격이 변하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 구조물에 작용하는 최대변형력이 해제된 경우, 상기 이송막대부는 상기 구조물에 최대변형력이 작용하기 전의 위치로 이동하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 구조물의 최대변위 탐지단계는,
    상기 초기반사광의 차이와 상기 간격변화된 상기 브래그 격자부에 의한 반사광의 차이에 기초하는 다음의 [수학식]에 의하여, 최대변위의 변화를 탐지하는 것을 특징으로 하는 구조물의 최대변위 탐지방법.
    [수학식]
    Figure 112008080855299-pat00004
    (단, dL은 구조물의 최대변위 변화량, C는 브래그 파장의 차이와 변위변화사이의 환산계수, ΔλB 는 최대변형력이 작용하는 경우 두 반사광 사이의 파장 차 이, ΔλB0 는 초기 반사광 사이의 파장 차이)
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JPH0285719A (ja) * 1988-05-11 1990-03-27 Simmonds Precision Prod Inc 光学検出器
JPH09145725A (ja) * 1995-11-22 1997-06-06 Natl Res Inst For Metals 微小体付着力測定装置及び微小体付着力測定方法

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