KR101979291B1 - 진공부와 fbg 센서를 이용한 안전진단용 압력측정장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공 캡(4)을 폐쇄하도록 다이아프램(3)이 설치되어, 진공 캡(4)에는 다이아프램(3)과 접하는 진공부(E)가 형성되고, FBG 센서가 다이아프램(3)의 외면에 밀착된 상태로 일체로 부착 결합되며, 하부 캡(1)이 압력 측정 대상에 설치된 상태에서 압력이 발생하면, 하부 캡(1)의 압력유입공(11)을 통해서 유입된 압력이 진공부(E)와 접하고 있는 다이아프램(3)에 작용하여, 다이아프램(3)이 변형되고 그에 따라 FBG 센서(5)가 변형되며, 발생된 FBG 센서(5)의 변형률을 측정함으로써 압력을 산출하여 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 압력측정장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 압력을 측정하기 위한 장치로서, 구체적으로는 압력에 의해 다이아프램(격막)이 변형됨에 따라 다이아프램과 일체화된 FBG 센서(Fiber Bragg Grating 센서/ 광섬유 변형률 센서)에 발생하는 변형률에 기초하여 압력을 측정하되, 다이아프램이 진공부와 접하도록 구성됨으로써 다이아프램의 변형이 압력 변화를 정확하게 반영할 수 있도록 하여 압력 측정의 신뢰도와 정확도를 높일 수 있고, 간소화된 구조를 가지고 있어서 제작비용을 절감할 수 있으며 유지보수가 간편한 "진공부와 FBG 센서를 이용한 안전진단용 압력측정장치"에 관한 것이다.
광섬유 튜브에 격자(grating)를 형성하고 광섬유 튜브에 유발된 변형에 의해 격자에서 발생하는 굴절 변화를 측정하여 변형률을 측정하는 FBG 센서(Fiber Bragg Grating 센서/ 광섬유 변형률 센서)를 구조물의 변형률 계측에 사용하는 방안이 대한민국 등록특허 제10-1083360호, 등록특허 제10-1383799호 등에 의해 제시되었다. 이러한 FBG 센서의 활용 영역을 확장하여 압력을 측정하기 위한 압력측정장치(압력센서)에도 FBG 센서를 사용하려는 시도가 대한민국 등록특허 제10-1031253호 등에 의해 이루어지고 있다.
그러나 종래 기술에 다른 압력측정장치의 경우, 압력을 일방향의 힘으로 변환시키는 등의 복잡한 기계구성 요소가 사용되었고, 그에 따라 구성이 복잡하여 제작비용이 많이 소요되었고, 유지 관리도 어려웠으며 정확한 압력측정이 가능하지 않다는 한계가 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, FBG 센서를 이용하여 압력을 측정할 수 있도록 압력측정장치를 구성하되, 압력 측정값에 대한 신뢰도와 정확도를 높일 수 있고, 장치의 구성에 필요한 부품의 수를 줄여서 간소화된 구조를 가지도록 함으로써 제작비용을 절감하고 유지보수를 간편하게 수행할 수 있게 하는 압력측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 측벽과 상판을 가지며 하면은 개방되어 있는 진공 캡을 구비하고 있고, 진공 캡에는 개방되어 있는 하면을 폐쇄하도록 다이아프램이 설치되어 있으며, 진공 캡에는 다이아프램과 접하면서 진공 상태의 공간으로 이루어진 진공부가 형성되고, FBG 센서가 다이아프램의 외면에 밀착된 상태로 일체로 부착 결합되어, 진공 캡과 다이아프램과 FBG 센서는 하나의 조립체를 구성하며; 하부 캡에는 압력유입공이 형성되어 있어서, 하부 캡이 압력 측정 대상에 설치된 상태에서 압력이 발생하면, 압력유입공을 통해서 유입된 압력이 진공부와 접하고 있는 다이아프램에 작용하여, 다이아프램이 변형되고 그에 따라 FBG 센서가 변형되며, 발생된 FBG 센서의 변형률을 측정함으로써 압력을 산출하여 측정하게 되는 것을 특징으로 하는 압력측정장치가 제공된다.
본 발명에 의하면, 본 발명에 따른 압력측정장치는 진공부가 존재하는 구성을 가지고 있으므로, 다이아프램의 변형이 압력 변화를 정확하게 반영할 수 있게 되며, 따라서 압력 측정값에 대한 신뢰도와 정확도를 높일 수 있게 되는 장점이 있다.
특히, 본 발명에 따른 압력측정장치는 간소화된 구조를 가지고 있어서, 장치를 이루는 부품의 개수가 적으며, 따라서 측정 정확도를 낮추는 원인에 해당하는 부품 간의 마찰 등으로 인한 저항력 등과 같은 불필요한 힘의 작용을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 제작비용이 절감되고 유지보수가 간편하게 되는 장점을 가진다.
또한 본 발명에 따른 압력측정장치에서는 FBG 센서의 격자센싱부가 다이아프램의 박판 외면에 직접 부착되어 일체화되어 있고, 굽힘응력만을 이용하여 압력을 측정하게 되므로, 압력 측정값에 대한 신뢰도가 높다는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명에 따른 압력측정장치를 바라보는 방향을 달리하여 보여주는 개략적인 조립 사시도이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 1에 도시된 본 발명에 따른 압력측정장치의 구조를 바라보는 방향을 달리하여 보여주는 개략적인 분해 사시도이다.
도 5는 도 1의 화살표 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도이다.
도 6은 도 1의 화살표 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도이다.
도 7은 도 5의 단면 사시도에 대한 개략적인 분해도이다.
도 8은 도 6의 원 B 부분에 대한 개략적인 확대도이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 1에 도시된 본 발명에 따른 압력측정장치의 구조를 바라보는 방향을 달리하여 보여주는 개략적인 분해 사시도이다.
도 5는 도 1의 화살표 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도이다.
도 6은 도 1의 화살표 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도이다.
도 7은 도 5의 단면 사시도에 대한 개략적인 분해도이다.
도 8은 도 6의 원 B 부분에 대한 개략적인 확대도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1 및 도 2에는 각각 본 발명에 따른 압력측정장치(100)를 바라보는 방향을 달리하여 보여주는 개략적인 조립 사시도가 도시되어 있으며, 도 3 및 도 4에는 각각 도 1에 도시된 본 발명의 압력측정장치(100)에 대한 개략적인 분해 사시도가 바라보는 방향을 달리하여 도시되어 있다. 도 5 및 도 6에는 각각 도 1의 화살표 A-A에 따른 개략적인 단면 사시도와 단면도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 5의 단면 사시도에 대한 개략적인 분해도가 도시되어 있다.
도면에 예시된 것처럼, 본 발명의 압력측정장치(100)는, 통형상의 케이싱 커버(8)와, 상기 케이싱 커버(8)의 양단에 각각 설치되는 상부 캡(6)과 하부 캡(1)을 포함하고 있다. 케이싱 커버(8)의 내부 공간에는 진공(眞空) 상태의 진공부(E)를 이루는 진공 캡(4)과 다이아프램(3), 그리고 FBG 센서(5)가 배치되어 있는 구성을 가진다.
진공 캡(4), 다이아프램(3) 및 FBG 센서(5)는 하나의 조립체를 이루어서 케이싱 커버(8) 내에 위치하고, 케이싱 커버(8)의 상,하단에 각각 상부 캡(6)과 하부 캡(1)이 결합되어 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 압력측정장치(1)가 형성된다.
우선 본 발명의 압력측정장치(100)에서 가장 중요한 구성인 진공 캡(4)과 다이아프램(3), 그리고 FBG 센서(5) 및 이들의 조립 구성에 대해 설명한다.
진공 캡(4)은, 측벽과 상판을 가지고 있어서 상면은 상판에 의해 막혀있고, 하면은 개방되어 있는 그릇 형태의 부재이다. 진공 캡(4)의 개방되어 있는 하면에는 다이아프램(3)이 설치되며, 그에 따라 진공 캡(4)의 하면도 막히게 되며, 진공 캡(4)의 내부공간 즉, 상판, 다이아프램(3) 및 측벽으로 둘러싸인 진공 캡(4)의 내부공간은 진공 상태의 진공부(E)를 형성하게 된다(도 4 내지 도 7 참조).
다이아프램(3)은 두께가 얇은 판 부재(박판)를 포함하는 부재로서, 진공 캡(4)의 하면에 용이하게 일체로 조립 결합되어 진공부(E)와 접할 수 있도록, 도면에 예시된 것처럼 박판(30)과, 상기 박판(30)의 가장자리에 구비된 테두리부재(31)로 이루어질 수 있다. 후술하는 것처럼 외부의 압력이 가해지게 되면 박판(30)은 진공부(E)를 향하여 빨려 들어가는 형태로 변형되거나 또는 진공부(E)로부터 외측을 향하여 부풀려지는 형태로 변형된다. 박판은 금속 판재로 이루어질 수 있지만, 그 재질은 이에 한정되는 것은 아니다. 테두리부재(31)는 진공 캡(4)의 하면 가장자리와 결합되는 부재로서, 도면에 예시된 것처럼 두께를 가지며 가장자리에 계단형태의 단턱이 존재하는 링 형태의 부재로 이루어질 수 있다. 이러한 구성의 테두리부재(31)를 가지는 다이아프램(3)의 경우, 진공 캡(4)의 하면에 테두리부재(31)의 단턱 부분이 끼워짐으로써, 진공 캡(4)을 밀봉 상태로 폐쇄시키게 된다. 그러나 다이아프램(3)이 진공 캡(4)의 하면을 밀봉하면서 결합되는 구성은 이에 한정되지 않는다.
FBG 센서(5)는 격자무늬가 형성되어 있는 격자센싱부를 포함하는 광섬유 튜브로 구성된 것인데. FBG 센서(5)는, 격자센싱부가 다이아프램(3)의 박판(30) 외면에 밀착되어 일체화되도록 설치된다. 예를 들어, 격자센싱부가 접착제 등에 의해 박판(30)에 부착될 수 있는 것이다. 이 때, 격자센싱부는 박판(30)의 중심 위치를 지나도록 설치된다. FBG 센서(5)의 나머지 부분 즉, 격자센싱부 양측에 존재하는 FBG 센서(5)의 입력부와 출력부는 상부 캡(6) 방향으로 연장되며, 상부 캡(6)을 통과하여 외부로 이어지게 된다. 도면에 도시된 실시예에서는 격자센싱부를 일체로 감싸는 보호부재(50)가 구비되어 있고 보호부재(50)가 박판(30)에 부착되어 있는 구성을 가지고 있으나, 보호부재(50) 없이 격자센싱부가 직접 박판(30)에 밀착되어 일체화되어도 무방하다. FBG 센서(5)의 입력부와 출력부가 정해진 위치에 고정될 수 있도록, 상부 캡(6)에서 케이싱 커버(8) 방향으로의 내측에는 FBG 센서(5)의 입력부 및 출력부를 이루는 광섬유 튜브가 끼워져 관통하게 되는 튜브고정부재(60)가 구비될 수 있다.
위와 같은 구성을 가지도록 조립되어 하나의 조립체를 이루게 된 진공 캡(4), 다이아프램(3) 및 FBG 센서(5)는 하부 캡(1)에 결합된다. 하부 캡(1)은 하부판(10)을 구비한 그릇형태의 부재로서, 하부 캡(1)의 하부판(10)에는 압력이 유입되도록 하는 압력유입공(11)이 중앙에 형성되어 있으며, 하부 캡(1)에서 케이싱 커버(8) 방향으로의 내측에는 오목한 공간이 형성되어 있다. 따라서 진공 캡(4)의 하단은 하부 캡(1)의 오목한 공간에 끼워져 위치하게 되는데, 이 때 다이아프램(3)과 하부판(10) 사이에는 간격이 존재하며, 다이아프램(3)에 부착된 격자센싱부는 하부 캡(1)의 압력유입공(11)을 마주하게 된다.
진공 캡(4)의 하단이 하부 캡(1)의 오목한 공간에 위치할 때, 진공 캡(4)의 하단 가장자리와 접하게 되는 하부 캡(1)의 측벽 내면에는 FBG 센서(5)의 입력부와 출력부를 이루는 광섬유 튜브가 위치하게 되는 오목홈(12)이 형성되는 것이 바람직하다(도 3 침조). 오목홈(12)은 하부 캡(1)의 측벽 내면에서 연직하게 연장된 형태로 오목하게 형성된다. 이와 같이 오목홈(12)이 형성된 경우, 진공 캡(4)의 하단이 하부 캡(1)의 오목한 공간에 위치할 때, FBG 센서(5)의 입력부와 출력부를 이루는 광섬유 튜브는 오목홈(12)에 끼워져 위치하게 되어 하부 캡(1)의 측벽 내면으로 돌출되지 않으며, 따라서 진공 캡(4)의 하단 가장자리가 하부 캡(1)의 측벽 내면에 밀착되는 형태로 진공 캡(4)과 하부 캡(1)이 결합된다.
위와 같은 구성을 가지는 본 발명의 압력측정장치(100)는, 하부 캡(1)의 외면이 압력 측정 대상에 놓이도록 설치되어 사용된다. 도 8에는 본 발명의 압력측정장치(100)에서 압력이 측정되는 원리를 설명하기 위한 도 6의 원 B부분에 대한 개략적인 확대도가 도시되어 있다.
하부 캡(1)의 외면이 압력 측정 대상(200)에 놓이도록 압력측정장치(100)가 설치된 상태에서 압력이 발생하게 되면, 압력은 하부 캡(1)의 압력유입공(11)을 통해서 다이아프램(3)에 작용하게 된다. 진공 캡(4)에는 진공부(E)가 형성되어 있으므로, 다이아프램(3)을 가압하는 형태의 압력 즉, 양(+)의 압력이 작용하게 되면, 다이아프램(3)의 박판(30)은 도 9에 도시된 것처럼 진공부(E)를 향하여 빨려 들어가는 형태로 변형되는데, 박판(30)에는 FBG 센서(5)의 격자센싱부가 일체로 부착되어 있으므로, 박판(30)이 변형됨에 따라 격자센싱부에도 변형이 발행하게 되고, 격자센싱부의 격자에서의 빛 굴절 변화를 측정함으로 FBG 센서(5)의 변형률 및 그에 따른 압력 즉, 외부에서 가해지는 압력을 산출하여 측정할 수 있게 된다.
반대로 다이아프램(3)의 박판(30)이 진공부(E)로부터 외측을 향하여 부풀려지는 형태로 변형되도록 음(-)의 압력이 작용하는 경우에도, 박판(30)이 변형됨에 따라 격자센싱부에도 변형이 발행하게 되고, 격자센싱부의 격자에서의 빛 굴절 변화를 측정함으로 FBG 센서(5)의 변형률 및 그에 따른 압력 즉, 외부에서 가해지는 압력을 산출하여 측정할 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 압력측정장치(100)는 진공부(E)가 존재함으로써 다이아프램(3)의 변형이 압력 변화를 정확하게 반영할 수 있게 되며, 따라서 압력 측정값에 대한 신뢰도와 정확도를 높일 수 있게 된다.
특히, 본 발명에 따른 압력측정장치(100)는 간소화된 구조를 가지고 있어서 장치를 이루는 부품의 개수가 적으며, 따라서 제작비용을 절감하고 유지보수가 간편하게 되는 장점을 가진다. 압력측정장치를 이루는 부품의 수가 많을수록, 부품 간의 마찰 등으로 인하여 저항력 등의 불필요한 힘이 작용되며, 이로 인하여 측정 정확도가 저하되는 문제점이 있다. 그러나 본 발명의 압력측정장치는, 적은 부품을 이용한 간소화된 구조를 가지고 있으므로, 이와 같은 많은 개수의 부품으로 인한 불필요한 힘의 작용 및 그로 인한 측정 정확도 저하의 문제를 효과적으로 예방할 수 있게 된다.
본 발명에 따른 압력측정장치(100)는 교량 등과 같은 시설물의 안전진단에 매우 유용하게 이용될 수 있다. 그러나 본 발명의 용도가 교량 등과 시설물의 안전진단에만 한정되는 것은 아니며, 압력 측정이라는 목적에 맞추어서 다양한 용도 및 장소에서 사용될 수 있다.
1: 하부 캡
10: 하부판
11: 압력유입공
12: 오목홈
3: 다이아프램
30: 박판
31: 테두리부재
4: 진공 캡
5: FBG 센서
6: 상부 캡
60: 튜브고정부재
8: 케이싱 커버
100: 압력측정장치
E: 진공부
10: 하부판
11: 압력유입공
12: 오목홈
3: 다이아프램
30: 박판
31: 테두리부재
4: 진공 캡
5: FBG 센서
6: 상부 캡
60: 튜브고정부재
8: 케이싱 커버
100: 압력측정장치
E: 진공부
Claims (3)
- 진공 캡(4), 다이아프램(3) 및 FBG 센서(5)가 하나의 조립체를 이루어서 통형상의 케이싱 커버(8) 내에 위치하고, 케이싱 커버(8)의 상,하단에는 각각 상부 캡(6)과 하부 캡(1)이 결합되는데,
진공 캡(4)은, 측벽과 상판을 가지며 하면은 개방되어 있고, 진공 캡(4)의 개방되어 있는 하면을 폐쇄하도록 다이아프램(3)이 설치됨으로써, 진공 캡(4)에는 다이아프램(3)과 접하면서 진공 상태의 공간으로 이루어진 진공부(E)가 형성되어 있으며;
다이아프램(3)은 박판(30)과, 상기 박판(30)의 가장자리에 구비된 테두리부재(31)로 이루어지는데, 데두리부재(31)는 두께를 가지며 가장자리에 계단형태의 단턱이 존재하는 링 형태의 부재로 이루어져서, 진공 캡(4)의 하면에 테두리부재(31)의 단턱 부분이 끼워지는 형태로 진공 캡(4)의 하면 가장자리와 결합됨으로써, 진공 캡(4)을 밀봉 상태로 폐쇄시키며;
FBG 센서가 다이아프램(3)의 외면에 밀착된 상태로 일체로 부착 결합되어 있는데, FBG 센서(5)는 격자무늬가 형성되어 있는 격자센싱부를 포함하고, FBG 센서(5)의 격자센싱부는 다이아프램(3)의 박판(30) 중심 위치를 지나도록 배치되어 박판(30)에 밀착되어 접착제에 의해 부착되며;
하부 캡(1)은 하부판(10)을 구비하여 오목한 공간을 가지는 그릇형태의 부재로 이루어지되, 하부 캡(1)의 하부판(10)에는 압력이 유입되는 압력유입공(11)이 중앙에 형성되어 있으며;
진공 캡(4)의 하단이 하부 캡(1)의 오목한 공간 내에 끼워져 위치하여, 다이아프램(3)과 하부판(10) 사이에는 간격이 존재하며, 격자센싱부 양측에 존재하는 FBG 센서(5)의 입력부와 출력부는 상부 캡(6) 방향으로 연장되어, FBG 센서(5) 상부 캡(6)을 통해서 외부로 이어지는데, 진공 캡(4)의 하단이 하부 캡(1)의 오목한 공간에 끼워졌을 때, FBG 센서(5)의 격자센싱부는 하부 캡(1)의 압력유입공(11)을 마주하게 되며;
진공 캡(4)의 하단 가장자리와 접하게 되는 하부 캡(1)의 측벽내면에는, 오목홈(12)이 연직하게 형성되어 있으며;
진공 캡(4)의 하단이 하부 캡(1)의 오목한 공간에 끼워질 때, FBG 센서(5)의 입력부와 출력부가 오목홈(12)에 위치하게 되어 하부 캡(1)의 내면으로 돌출되지 않음으로써, 진공 캡(4)의 하단 가장자리가 하부 캡(1)의 내면에 밀착되는 형태로 진공 캡(4)과 하부 캡(1)이 결합되고;
하부 캡(1)에는 압력유입공(11)이 형성되어 있어서, 하부 캡(1)이 압력 측정 대상에 설치된 상태에서 압력이 발생하면, 압력유입공(11)을 통해서 유입된 압력이 진공부(E)와 접하고 있는 다이아프램(3)에 작용하여 다이아프램(3) 및 FBG 센서(5)가 변형됨으로써 FBG 센서(5)의 격자센싱부에도 변형이 발생하게 되며, 격자센싱부의 격자에서의 빛 굴절 변화에 기초하여 FBG 센서(5)의 변형률이 측정되고, 이 때의 변형률의 측정값을 이용하여 외부에서 가해지는 압력을 산출하게 되는 것을 특징으로 하는 압력측정장치. - 삭제
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KR1020180149763A KR101979291B1 (ko) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | 진공부와 fbg 센서를 이용한 안전진단용 압력측정장치 |
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KR101979291B1 true KR101979291B1 (ko) | 2019-05-16 |
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KR1020180149763A KR101979291B1 (ko) | 2018-11-28 | 2018-11-28 | 진공부와 fbg 센서를 이용한 안전진단용 압력측정장치 |
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KR (1) | KR101979291B1 (ko) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20230055821A (ko) | 2021-10-19 | 2023-04-26 | 부산대학교 산학협력단 | 하이퍼루프용 진공 튜브의 진공압 누출 탐지 시스템 |
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-
2018
- 2018-11-28 KR KR1020180149763A patent/KR101979291B1/ko active IP Right Grant
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