KR100685186B1

KR100685186B1 - Fiber based accelerometer / inclinometer

Info

Publication number: KR100685186B1
Application number: KR1020050068304A
Authority: KR
Inventors: 김기수
Original assignee: 호서대학교 산학협력단; 사단법인 한국콘크리트학회
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-07-27
Also published as: KR20070013734A

Abstract

본 발명은 구조물에 가해진 외력에 의해 광섬유 센서에 발생한 변형에 의해 구조물의 가속도 및 경사를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 일단이 건축 구조물에 고정되며 타단에 관성 질량을 포함하고, 최소한 1 개의 광섬유 장착면을 구비하며, 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향으로 휨 변형 가능한 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 상기 최소한 1 개의 광섬유 장착면에 장착되는 최소한 1개 이상의 FBG 센서; 및 상기 FBG 센서의 최소한 1단에 결합하며, 외력에 의한 상기 건축 구조물 운동에 따라 상기 FBG 센서에 발생하는 변형으로부터 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향의 가속도 또는 경사를 측정하는 광 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 가속도/경사계를 제공한다. 본 발명에 따르면, 내구성이 뛰어나고 노이즈의 영향을 배제할 수 있으며 구조가 간단한 광섬유 기반의 가속도계/경사계를 제공할 수 있으며, 교량 등 건축 구조물과 같이 광섬유 기반 계측 시스템이 적용되는 분야에서 별도의 계측기를 설치할 필요없이 손쉽게 적용할 수 있다.The present invention relates to an apparatus for measuring the acceleration and the inclination of a structure by the deformation generated in the optical fiber sensor by the external force applied to the structure. The present invention includes a cantilever having one end fixed to a building structure and including an inertial mass at the other end, having at least one optical fiber mounting surface, and capable of bending deformation in a direction perpendicular to the optical fiber mounting surface; At least one FBG sensor mounted to the at least one optical fiber mounting surface of the cantilever; And an optical meter coupled to at least one end of the FBG sensor and measuring an acceleration or inclination in a direction perpendicular to the optical fiber mounting surface from deformation occurring in the FBG sensor according to movement of the building structure due to external force. It provides an optical fiber sensor based accelerometer / inclinometer. According to the present invention, it is possible to provide an optical fiber-based accelerometer / inclinometer that is durable and can exclude the influence of noise, and has a simple structure, and a separate measuring instrument in the field to which an optical fiber-based measuring system is applied, such as a building structure such as a bridge. Easy to apply without the need for installation.

광섬유 센서, 가속도계, 관성 질량, 캔틸레버 Fiber optic sensor, accelerometer, inertial mass, cantilever

Description

ACCELERATION AND INCLINATION MEASUREMENT SYSTEM BASED ON FIBER BRAGG GRATINGS}

도 1은 종래의 압전형 가속도계/경사계를 개념적으로 도시하는 도면이다.1 is a diagram conceptually showing a conventional piezoelectric accelerometer / inclinometer.

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 1축 광섬유 가속도계를 개략적으로 도시하는 도면이다.FIG. 2A is a diagram schematically illustrating a one-axis optical fiber accelerometer according to an embodiment of the present invention. FIG.

도 2b는 도 2의 실시예에서 광섬유 센서를 배치하는 다른 실시예를 보여주는 도면이다.FIG. 2B is a diagram illustrating another embodiment of arranging an optical fiber sensor in the embodiment of FIG. 2.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 가속도계를 개략적으로 도시하는 도면이다.3A is a diagram schematically illustrating an optical fiber accelerometer according to an embodiment of the present invention.

도 3b는 도 3의 A-A' 방향의 절단면을 개략적으로 도시하는 도면이다.FIG. 3B is a diagram schematically illustrating a cutting plane along the AA ′ direction of FIG. 3.

도 4는 도 3a의 실시예에서 광섬유 센서를 배치하는 다른 실시예를 보여주는 도면이다.4 is a diagram illustrating another embodiment of arranging an optical fiber sensor in the embodiment of FIG. 3A.

<도면의 부호에 대한 간략한 설명><Brief description of the symbols in the drawings>

10 : 피측정물 22 : 압전 센서10: measured object 22: piezoelectric sensor

24 : 관성 질량 30 : 가속도 계측기24 Inertial Mass 30 Accelerometer

110 : 캔틸레버 120A, 120B : FBG 센서110: cantilever 120A, 120B: FBG sensor

122 : 광섬유 130 : 피측정물122: optical fiber 130: measured object

140 : 가속도 계측기 210, 310 : 가요성 빔140: accelerometer 210, 310: flexible beam

220A, 220B, 220C, 220D : FBG 센서 220A, 220B, 220C, 220D: FBG Sensor

320A, 320B, 320C, 320D : FBG 센서 320A, 320B, 320C, 320D: FBG Sensor

본 발명은 구조물에 가해진 외력에 의해 발생하는 가속도 및 경사도를 측정하기 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구조물에 가해진 외력에 의해 광섬유 센서에 발생한 변형에 의해 구조물의 가속도 및 경사를 측정하기 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring acceleration and inclination generated by an external force applied to a structure, and more particularly, an apparatus for measuring acceleration and inclination of a structure by deformation generated in an optical fiber sensor by an external force applied to the structure. It is about.

구조물에 장착하여 구조물의 가속도 및 경사 정도를 측정하기 위한 센서로는 주로 압전형 센서가 사용되고 있다. Piezoelectric sensors are mainly used as sensors for measuring acceleration and inclination of structures by mounting them on structures.

도 1은 종래의 압전형 가속도계를 개념적으로 도시하는 도면이다. 도 1을 참조하면, 압전형 가속도계는 관성 질량 및 압전 센서를 포함하여 구성된다. 상기 압전 센서는 압전체 및 상기 압전체 양단의 금속 전극을 포함하여 구성된다. 상기 압전 센서는 피측정물에 부착되어 있다. 상기 압전체는 박막 형태로 구현될 수 있다. 1 is a diagram conceptually showing a conventional piezoelectric accelerometer. Referring to FIG. 1, a piezoelectric accelerometer includes an inertial mass and a piezoelectric sensor. The piezoelectric sensor includes a piezoelectric body and metal electrodes at both ends of the piezoelectric body. The piezoelectric sensor is attached to the object under test. The piezoelectric body may be implemented in a thin film form.

관성 질량은 가속도계가 일정 속도로 운동하는 동안에는 중립 위치를 유지한다. 가속도계의 운동 속도가 변하면, 피측정물에 장착된 관성 질량은 자체 관성 때문에 가속도계의 운동을 방해하며 압전 센서에 추가의 힘을 가하게 된다. 이 힘에 의해 압전 센서에는 전기적 신호가 발생하며 발생된 신호는 계측기로 전달되어, 계측기는 이 신호로부터 가해진 힘과 가속도를 계산한다.The inertial mass remains neutral while the accelerometer moves at a constant speed. When the speed of movement of the accelerometer changes, the inertial mass mounted on the object under test impedes the movement of the accelerometer because of its inertia and exerts additional force on the piezoelectric sensor. The force generates an electrical signal to the piezoelectric sensor, and the generated signal is transmitted to the instrument, which calculates the force and acceleration applied from the signal.

이와 같이, 종래의 가속도계는 압전 센서에서 발생하는 전기적 신호로부터 가속도를 계산하고 있다. 그러나, 이와 같은 전자식 가속도계는 압전 센서 자체의 내구성이 충분치 못하고, 교량이나 건축 구조물과 같이 측정 지점이 많고 센서마다 계측용 동선이 구비되어야 하므로 구조물 자체에 영향을 줄 수 있다. 또한, 종래의 가속도계는 전기적 신호의 간섭 가능성이 상존하며, 노이즈의 영향으로 정확한 가속도의 측정이 곤란하다는 문제점을 갖고 있다. As described above, the conventional accelerometer calculates the acceleration from the electrical signal generated by the piezoelectric sensor. However, such an electronic accelerometer may not affect the structure itself because the piezoelectric sensor itself is not sufficiently durable, there are many measurement points such as a bridge or a building structure, and a measuring copper wire should be provided for each sensor. In addition, the conventional accelerometer has a problem that the possibility of interference of the electrical signal is constantly present, it is difficult to measure the accurate acceleration under the influence of noise.

이에 대해, 광섬유 센서는 내구성이 뛰어날 뿐만 아니라, 계측 지점의 개수에 영향을 받지 않고 신호의 노이즈 영향도 없기 때문에 최근 교량 등의 구조물의 안전 진단에 널리 사용되고 있다. 이와 같은 광섬유 기반의 변위 센서 및 변형률 센서는 종래의 스트레인 게이지를 점차 대체하고 있다. 이와 같이 광섬유 센서가 부착될 구조물의 가속도 및 경사도의 측정을 위해 종래의 전자식 가속도계를 도입하는 것은 계측기의 중복 투자로 이어지며, 비용 측면에서도 메우 비효율적이다.On the other hand, the optical fiber sensor is not only excellent in durability, but is not influenced by the number of measurement points and has no noise effect on the signal, and thus has recently been widely used for the safety diagnosis of structures such as bridges. Such optical fiber based displacement sensors and strain sensors are gradually replacing the conventional strain gauges. As such, the introduction of a conventional electronic accelerometer for measuring acceleration and inclination of a structure to which an optical fiber sensor is attached leads to redundant investment of measuring instruments and is very inefficient in terms of cost.

따라서, 교량 등 건축 구조물이 받는 힘 또는 가속도를 측정할 수 있는 광섬유 센서를 이용한 가속도계는 종래의 광섬유 기반의 건축 구조물 안전 진단 시스템에 별도의 계측기를 구비함이 없이 이러한 문제를 해결할 수 있게 된다.Therefore, an accelerometer using an optical fiber sensor capable of measuring a force or acceleration received by a building structure such as a bridge can solve this problem without providing a separate measuring instrument in a conventional optical fiber-based building structure safety diagnosis system.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내구성이 뛰어나고 노이즈의 영향을 배제할 수 있는 광섬유 기반의 가속도계/경사계를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, an object of the present invention to provide an optical fiber-based accelerometer / inclinometer that is excellent in durability and can eliminate the influence of noise.

또한, 본 발명은 교량 등 건축 구조물의 안전 진단에 있어서, 광섬유 센서 기반의 계측기에 부합될 수 있는 광섬유 기반의 가속도계/경사계를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide an optical fiber-based accelerometer / inclinometer that can be matched to the optical fiber sensor-based instrument in the safety diagnosis of a building structure, such as a bridge.

상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 일단이 건축 구조물에 고정되며 타단에 관성 질량을 포함하고, 최소한 1 개의 광섬유 장착면을 구비하며, 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향으로 휨 변형 가능한 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 상기 최소한 1 개의 광섬유 장착면에 장착되는 최소한 1개 이상의 FBG 센서; 및 상기 FBG 센서의 최소한 1단에 결합하며, 외력에 의한 상기 건축 구조물 운동에 따라 상기 FBG 센서에 발생하는 변형으로부터 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향의 가속도 또는 경사를 측정하는 광 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 가속도/경사계를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the present invention, one end is fixed to the building structure and includes an inertial mass at the other end, and has at least one optical fiber mounting surface, cantilever bendable in a direction perpendicular to the optical fiber mounting surface; At least one FBG sensor mounted to the at least one optical fiber mounting surface of the cantilever; And an optical meter coupled to at least one end of the FBG sensor and measuring an acceleration or inclination in a direction perpendicular to the optical fiber mounting surface from deformation occurring in the FBG sensor according to movement of the building structure due to external force. It provides an optical fiber sensor based accelerometer / inclinometer.

본 발명에서 상기 캔틸레버는 2개의 광섬유 장착면을 구비하는 판형 캔틸레버이며, 상기 2개의 광섬유 장착면에는 각각 1개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 평행하도록 장착될 수 있다. 이와 달리, 상기 캔틸레버에는 상기 광섬유 장착면 중 어느 하나에 2 개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 교차되도록 장착될 수도 있다.In the present invention, the cantilever is a plate-shaped cantilever having two optical fiber mounting surfaces, one FBG sensor is mounted on each of the two optical fiber mounting surfaces, and the FBG sensors may be mounted to be parallel to each other. In contrast, the cantilever may be mounted with two FBG sensors on any one of the optical fiber mounting surfaces, and the FBG sensors may be mounted to cross each other.

또한, 본 발명에서 상기 캔틸레버는 4개의 광섬유 장착면을 구비하고 4개의 장착면이 서로 직교하는 사각빔형 캔틸레버이며, 상기 4개의 광섬유 장착면에는 각각 1개의 FBG 센서가 장착되며, 상기 FBG 센서는 서로 평행하도록 장착되는 것을 특징으로 할 수 있다. 이와 달리, 상기 광섬유 장착면 중 인접하는 2개의 광섬유 장착면에는 각각 1 쌍의 FBG 센서가 서로 교차하도록 장착되는 것을 특징으로 할 수도 있다. 이 때, 상기 광섬유 장착면은 상기 캔틸레버의 내부에 형성될 수도 있다.In addition, in the present invention, the cantilever is a square beam type cantilever having four optical fiber mounting surfaces and four mounting surfaces are orthogonal to each other, and each of the four optical fiber mounting surfaces is equipped with one FBG sensor, and the FBG sensors are connected to each other. It may be characterized in that it is mounted to be parallel. Alternatively, a pair of FBG sensors may be mounted on two adjacent optical fiber mounting surfaces of the optical fiber mounting surface to cross each other. In this case, the optical fiber mounting surface may be formed inside the cantilever.

또한, 본 발명은 구조물에 최소한 일부가 매립되어 설치되고, 최소한 1 개의 광섬유 장착면을 구비하며, 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향으로 휨 변형 가능한 캔틸레버; 상기 캔틸레버의 상기 최소한 1 개의 광섬유 장착면에 장착되는 최소한 1개 이상의 FBG 센서; 및 상기 FBG 센서의 최소한 1단에 결합하며, 외력에 의한 상기 건축 구조물 운동에 따라 상기 FBG 센서에 발생하는 변형으로부터 상기 광섬유 장착면에 수직인 방향의 경사를 측정하는 광 계측기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 경사계를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, the present invention is at least partially embedded in the structure is installed, having at least one optical fiber mounting surface, cantilever bendable in a direction perpendicular to the optical fiber mounting surface; At least one FBG sensor mounted to the at least one optical fiber mounting surface of the cantilever; And an optical measuring device coupled to at least one end of the FBG sensor and measuring an inclination in a direction perpendicular to the optical fiber mounting surface from deformation occurring in the FBG sensor according to the movement of the building structure due to external force. An object of the present invention is to provide an optical fiber sensor-based inclinometer.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail by explaining preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings.

도 2a를 참조하면, 광섬유 가속도계는 일측이 구조물에 부착되는 가요성 캔틸레버(110), 상기 가요성 캔틸레버(110)의 타측에 부착된 관성 질량(130) 및 상기 가요성 캔틸레버(110)의 표면에 부착되어 광 검출기로 연장되는 광섬유 센서(120A, 120B)를 구비하고 있다. Referring to FIG. 2A, the optical fiber accelerometer may include a flexible cantilever 110 having one side attached to a structure, an inertial mass 130 attached to the other side of the flexible cantilever 110, and a surface of the flexible cantilever 110. Optical fiber sensors 120A and 120B are attached and extended to the photo detector.

상기 광섬유 센서(120A, 120B)는 캔틸레버(110) 부착 부위에 브랙 그레이팅 격자가 형성된 광섬유 브랙 그레이팅(Fiber Bragg Grating; FBG) 센서이다. 상기 FBG 센서(120A, 120B)는 격자 간격에 따른 브래그 조건을 만족하는 일정폭을 갖는 파장만을 반사하고 그 외의 파장은 그대로 투과시킨다. 상기 FBG 센서(120A, 120B)는 적절한 접착제에 의해 상기 캔틸레버(110)에 부착된다.The optical fiber sensors 120A and 120B are fiber bragg grating (FBG) sensors in which a black grating grating is formed at an attachment portion of the cantilever 110. The FBG sensors 120A and 120B reflect only wavelengths having a predetermined width satisfying Bragg conditions according to the lattice spacing, and transmit other wavelengths as they are. The FBG sensors 120A, 120B are attached to the cantilever 110 with a suitable adhesive.

상기 광섬유 센서는 광섬유(122)에 의해 광 계측기로 연결된다. 상기 광 계측기(140)는 광원, 수광부 및 연산 수단을 포함하여 구성된다. The optical fiber sensor is connected to the optical meter by the optical fiber 122. The optical measuring unit 140 is configured to include a light source, a light receiving unit, and a calculation means.

본 발명에서 상기 캔틸레버(110)는 탄성을 갖는 강성 재질 바람직하게는 금속으로 구성되는 것이 좋다. 상기 캔틸레버(110)의 두께는 외력이 가해질 때 변형 정도에 영향을 미치므로, 측정하고자 하는 가속도 범위 및 재질의 변형률 등을 고려하여 적합한 범위로 설정될 수 있다.In the present invention, the cantilever 110 is preferably made of a rigid material having elasticity, preferably a metal. Since the thickness of the cantilever 110 affects the degree of deformation when an external force is applied, the cantilever 110 may be set to a suitable range in consideration of the acceleration range and the strain of the material to be measured.

상기 관성 질량으로 사용 가능한 재질에는 특별한 제한이 없으며, 그 무게는 측정하고자 하는 가속도 범위 및 캔틸레버의 변형 특성 등 기계적 특성을 고려하여 적절히 선정될 수 있다.The material usable as the inertial mass is not particularly limited, and the weight thereof may be appropriately selected in consideration of mechanical characteristics such as acceleration range to be measured and deformation characteristics of the cantilever.

이하에서는 도 2a를 참조하여, 본 발명의 광섬유 기반 가속도계의 동작을 설명한다.Hereinafter, the operation of the optical fiber based accelerometer of the present invention will be described with reference to FIG. 2A.

구조물의 가속도 운동(참조부호 ↔로 표현)이 발생하면, 상기 관성 질량은 상기 가속도계의 운동을 방해한다. 이에 따라, 상기 관성 질량은 상기 가요성 캔틸레버를 가속도 방향의 반대 방향으로 구부리게 한다. 이에 따라 상기 캔틸레버의 양측 장착면에는 각각 압축 및 인장 변형이 발생하며 이 변형은 장착면에 견고히 결합되어 있는 FBG 센서의 변형을 발생한다. 이에 따라 FBG 센서에는 압축 또는 인장 변형이 발생한다. FBG 센서에 발생한 압축/인장 변형은 격자 간격을 변화시키며 이에 따라 FBG 격자에 의해 반사되는 반사광의 파장이 변화한다. If an acceleration motion of the structure (expressed by reference ↔) occurs, the inertial mass interferes with the motion of the accelerometer. Thus, the inertial mass causes the flexible cantilever to bend in the opposite direction of the acceleration direction. Accordingly, compressive and tensile strains occur on both mounting surfaces of the cantilever, respectively, and the deformations cause deformation of the FBG sensor that is firmly coupled to the mounting surface. This causes compression or tensile strain in the FBG sensor. Compression / tensile strain occurring in the FBG sensor changes the grating spacing and thus the wavelength of the reflected light reflected by the FBG grating.

광 계측기는 상기 광섬유 센서로 광을 입사하고, 상기 FBG 센서를 투과한 광 또는 FBG 센서로부터 반사된 광으로부터 반사광의 파장을 측정한다. 파장의 측정을 위해 상기 광계측기 내부에는 FP 필터, 포토 다이오드와 같은 수광부가 구비된다. 또한, 상기 광 계측기는 반사광의 파장을 계산하고 이로부터 상기 FBG 센서의 변형율을 계산하는 연산 수단을 구비한다. 또한, 상기 연산 수단은 계산된 변형율로부터 가속도를 계산한다. 이것은 단위 시간당 변형율의 변화로부터 구해질 수 있으며, 상기 연산 수단은 상기 단위 시간당 변형율의 변화에 대응하는 가속도 값이 사전 매핑된 데이터로부터 가속도를 계산하는 것이 바람직하다. 또한, 도 2a의 가속도계는 구조물에 발생한 경사를 측정하는 데에도 사용될 수 있다. 구조물의 경사는 변형율로부터 직접 구해질 수 있다. An optical meter injects light into the optical fiber sensor and measures the wavelength of the reflected light from the light transmitted through the FBG sensor or the light reflected from the FBG sensor. In order to measure the wavelength, a light receiving unit such as a FP filter and a photodiode is provided inside the photometer. The optical meter also includes computing means for calculating the wavelength of the reflected light and calculating the strain of the FBG sensor therefrom. The computing means also calculates the acceleration from the calculated strain. This can be obtained from a change in strain per unit time, and the computing means preferably calculates an acceleration from data to which an acceleration value corresponding to the change in strain per unit time is pre-mapped. In addition, the accelerometer of FIG. 2A can also be used to measure the tilt that occurs in a structure. The slope of the structure can be obtained directly from the strain rate.

도 2a를 참조하여 설명한 본 발명의 실시예에서 구조물이 경험하는 가속도나 구조물에 발생한 경사를 측정하는 데 있어서 상기 캔틸레버에 부착되는 광섬유 센서는 1개만이 사용될 수도 있다. 그러나, 도 2a와 같이 두 개의 광섬유 센서를 장착하여 가속도를 측정하는 경우, 주변 온도 등의 환경 요인의 변화에 따른 광섬유 센서의 특성 변화를 고려하여 실제 데이터를 보상할 수 있게 된다. 이상과 같은 한 쌍의 광섬유 센서를 사용함으로써 얻을 수 있는 장점은 후술하는 실시예에도 똑 같이 적용된다.In the embodiment of the present invention described with reference to FIG. 2A, only one optical fiber sensor attached to the cantilever may be used to measure the acceleration experienced by the structure or the inclination of the structure. However, when measuring the acceleration by mounting two optical fiber sensors as shown in Figure 2a, it is possible to compensate for the actual data in consideration of the characteristic change of the optical fiber sensor according to the change of environmental factors such as ambient temperature. The advantages obtained by using a pair of optical fiber sensors as described above are equally applicable to the embodiments described later.

도 2b는 도 2a의 실시예에서 광섬유 센서를 배치하는 다른 실시예를 보여주는 도면이다.FIG. 2B illustrates another embodiment of arranging an optical fiber sensor in the embodiment of FIG. 2A.

도 2b를 참조하면, 도 2a와 달리 상기 한 쌍의 광섬유 센서(120A, 120B)는 캔틸레버(110)의 일면에 장착되어 있으며, 또한 서로 교차하도록 장착되어 있다. 이와 같은 배치에 의해서도 도 2a에서 설명한 것과 실질적으로 동일한 방식으로 광섬유의 변형률로부터 구조물에 작용하는 가속도 및 구조물의 경사를 계산할 수 있게 된다.Referring to FIG. 2B, unlike FIG. 2A, the pair of optical fiber sensors 120A and 120B are mounted on one surface of the cantilever 110 and are mounted to cross each other. This arrangement also allows the calculation of the acceleration and the inclination of the structure from the strain of the optical fiber to the structure in substantially the same manner as described in FIG. 2A.

도 3a를 참조하면, 광섬유 가속도계는 일측이 구조물에 부착되는 빔 형태의 가요성 캔틸레버(210), 상기 가요성 캔틸레버(210)의 타측에 부착된 관성 질량(230) 및 상기 가요성 캔틸레버(210)의 표면에 부착되어 광 검출기로 연장되는 광섬유 센서(220A, 220B, 220C, 220D)를 구비하고 있다. Referring to FIG. 3A, the optical fiber accelerometer may include a flexible cantilever 210 having a beam form attached to one side of the structure, an inertial mass 230 attached to the other side of the flexible cantilever 210, and the flexible cantilever 210. And optical fiber sensors 220A, 220B, 220C, 220D attached to the surface of the substrate and extending to the photo detector.

상기 캔틸레버(210)는 4각 기둥 형상으로 측면에 4개의 장착면을 구비하고 있다. 대향하는 서로 평행한 장착면에는 한 쌍의 광섬유 센서(220A/220B 및 220C/220D)가 장착되어 있다. 도 3b는 도 3의 A-A' 방향의 절단면을 개략적으로 도시하는 도면으로, 빔형 캔틸레버(210)의 4개의 장착면에 각각 광섬유 센서(220A, 220B, 220C, 220D)가 부착된 모습을 보여주고 있다. The cantilever 210 has four mounting surfaces on its side in a quadrangular pillar shape. A pair of optical fiber sensors 220A / 220B and 220C / 220D are mounted on opposite parallel mounting surfaces. FIG. 3B is a view schematically illustrating a cutting plane along the AA ′ direction of FIG. 3, and shows optical fiber sensors 220A, 220B, 220C, and 220D attached to four mounting surfaces of the beam type cantilever 210, respectively. .

도 2a와 관련하여 설명한 바와 같이, 상기 광섬유 센서(220A, 220B, 220C, 220D)는 캔틸레버(110) 부착 부위에 브랙 그레이팅 격자가 형성된 광섬유 브랙 그레이팅(Fiber Bragg Grating; FBG) 센서이며, 광섬유(222)에 의해 광원, 수광부 및 연산 수단을 포함하는 광 계측기(도시하지 않음)로 연결된다. As described with reference to FIG. 2A, the optical fiber sensors 220A, 220B, 220C, and 220D are fiber bragg grating (FBG) sensors in which a grating grating is formed at an attachment portion of the cantilever 110, and an optical fiber 222. ) Is connected to an optical meter (not shown) including a light source, a light receiving unit, and a calculation means.

본 실시예에서는 두 쌍의 광섬유 센서가 사용되고 있다. 대향 배치된 한 쌍의 광섬유 센서는 각각 1축 방향의 가속도 및 경사를 측정할 수 있다. 본 실시예에 따르면, 광섬유 장착면이 서로 직각을 이루고 있기 때문에 2축 방향의 가속도 및 경사의 측정이 가능하게 된다.In this embodiment, two pairs of optical fiber sensors are used. A pair of opposingly arranged optical fiber sensors can measure acceleration and inclination in one axis direction, respectively. According to this embodiment, since the optical fiber mounting surfaces are perpendicular to each other, acceleration and inclination in the biaxial directions can be measured.

.도 4는 도 3a의 실시예에서 광섬유 센서를 배치하는 다른 실시예를 보여주는 도면이다. 4 is a diagram showing another embodiment of arranging an optical fiber sensor in the embodiment of FIG. 3A.

도 4를 참조하면, 빔형 캔틸레버(310)는 내부에 4개의 장착면을 갖도록 중공이 형성되어 있으며, 내부 장착면은 서로 수직을 이루고 있다. 내부 장착면에는 각각 하나의 광섬유 센서(320A, 320B, 320C, 320D)가 장착되어 있다. 이들 광섬유 센서는 대향하는 두 개의 광섬유 센서가 쌍을 이루어 1축 방향의 가속도 및 경사를 측정할 수 있다. 본 실시예의 가속도계는 내부 장착면에 광섬유 센서가 장착된다는 점을 제외하고는 도 3a와 대동 소이하다. 도 4에서는 캔틸레버의 내부면이 서로 직각을 이루도록 형성되어 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 한 쌍의 광섬유 센서가 서로 대향하도록 장착 가능한 다른 형태의 내부면이 사용될 수도 있다. 예컨대, 상기 캔틸레버의 내부면은 원기둥 형태로 제공될 수도 있다.Referring to FIG. 4, the beam-shaped cantilever 310 is hollow so as to have four mounting surfaces therein, and the interior mounting surfaces are perpendicular to each other. On the inner mounting surface, one optical fiber sensor 320A, 320B, 320C, 320D is mounted. These optical fiber sensors are paired with two opposing optical fiber sensors to measure acceleration and inclination in one axis direction. The accelerometer of this embodiment is similar to FIG. 3A except that an optical fiber sensor is mounted on an inner mounting surface. In FIG. 4, the inner surfaces of the cantilever are formed to be perpendicular to each other, but the present invention is not limited thereto, and other types of inner surfaces that may be mounted to face each other may be used. For example, the inner surface of the cantilever may be provided in a cylindrical shape.

도 3a, 도 3b 및 도 4와 관련하여 설명한 본 발명의 실시예에서 1축 방향의 가속도 및 경사를 측정하기 위한 광섬유 센서가 대향면에 장착된 것으로 도시 및 설명하였지만, 앞서 도 2b의 경우와 마찬가지로 한 쌍의 광섬유 센서는 하나의 장착면에 서로 교차하도록 장착될 수 있다. 이 때, 한 쌍의 광섬유 센서는 각각 서로 직교하는 인접 장착면에 장착되어야 한다.In the embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 3A, 3B, and 4, an optical fiber sensor for measuring acceleration and inclination in one axis direction is illustrated and described as being mounted on an opposite surface, but as in the case of FIG. 2B. The pair of optical fiber sensors may be mounted on one mounting surface to cross each other. At this time, the pair of optical fiber sensors should be mounted on adjacent mounting surfaces orthogonal to each other.

전술한 본 발명의 가속도계/경사계에는 관성 질량이 부착된 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 시스템이 경사계로 사용될 경우에는 관성 질량이 반드시 부가되어야 하는 것은 아니다. 예컨대 상기 시스템이 구조물에 매립되어 사용되는 경우에는 관성 질량이 부가되지 않고도 구조물의 경사 측정이 가능하다.Although the inertial mass is attached to the accelerometer / inclinometer of the present invention described above, the inertial mass is not necessarily added when the system of the present invention is used as an inclinometer. For example, when the system is embedded in a structure, it is possible to measure the tilt of the structure without adding an inertial mass.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 이러한 정도의 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, this is merely an example and is not intended to limit the present invention, and those skilled in the art do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications which are not illustrated above in the scope are possible. Therefore, it should be construed that differences related to such degree of variation and application are included in the scope of the invention as defined in the appended claims.

본 발명에 따르면, 내구성이 뛰어나고 노이즈의 영향을 배제할 수 있으며 구조가 간단한 광섬유 기반의 가속도계/경사계를 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an optical fiber-based accelerometer / inclinometer that is excellent in durability, can exclude the influence of noise, and has a simple structure.

또한, 본 발명은 교량 등 건축 구조물과 같이 광섬유 기반 계측 시스템이 적용되는 분야에서 기존의 계측기에 부합될 수 있어, 별도의 계측기를 설치할 필요없이 손쉽게 적용할 수 있다.In addition, the present invention can be adapted to the existing measuring instrument in the field where the optical fiber-based measuring system is applied, such as a building structure, such as a bridge, it can be easily applied without the need to install a separate measuring instrument.

Claims

A cantilever having one end fixed to the building structure and having at least one optical fiber mounting surface, the cantilever being deformable in a direction perpendicular to the optical fiber mounting surface;

An inertial mass mounted to the other end of the cantilever;

At least one FBG sensor mounted to the at least one optical fiber mounting surface of the cantilever; And

An optical measuring device coupled to at least one end of the FBG sensor, the optical measuring device measuring acceleration or inclination in a direction perpendicular to the optical fiber mounting surface from deformation occurring in the FBG sensor according to the movement of the building structure; Sensor based accelerometer / inclinometer.

The method of claim 1,

The cantilever is a plate-shaped cantilever having two optical fiber mounting surfaces,

One FBG sensor is mounted on each of the two optical fiber mounting surfaces, and the FBG sensors are mounted to be parallel to each other.

The method of claim 1,

Two FBG sensors are mounted on any one of the optical fiber mounting surfaces, and the FBG sensors are mounted to cross each other.

The method of claim 1,

The cantilever is a square beam type cantilever having four optical fiber mounting surfaces and four mounting surfaces orthogonal to each other.

One FBG sensor is mounted on each of the four optical fiber mounting surfaces, and the FBG sensors are mounted to be parallel to each other.

The method of claim 1,

Two adjacent optical fiber mounting surfaces of the optical fiber mounting surface are each equipped with a pair of FBG sensors, wherein the pair of FBG sensors are mounted so as to cross each other at each mounting surface.

The method of claim 5,

And the optical fiber mounting surface is formed inside the cantilever.

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