Development of Temperature Compensated Micro Cone by using Fiber Optic Sensor

地 盤 工 學

第29卷 第4C 號·2009年 7月 pp. 163~174

광섬유를 이용한 온도 보상형 마이크로콘의 개발

Development of Temperature Compensated Micro Cone by using Fiber Optic Sensor

김래현*·이우진**·윤형구***·이종섭****

Kim, Raehyun

·

·

·

···

Abstract

Mechanical device using the load cell or strain gage sensor can be influenced by tempearute changes because temperature change can cause a shift in the load cell or straing gage output at zero loading. In this paper, micro cone penetrometers with 1~7mm in diameter, are developed by using an optical fiber sensor (FBG: Fiber Bragg Grating) to compensate the continous temperature change during cone penetration test. Note the temperature compensated method using optical fiber sensor which has hair-size in diameter, and is not affected by environmental conditions because the measured data is the wavelength shifting of the light instead of the intensity of the electric voltage. Temperature effect test shows that the output voltage of strain gage changes and increases with an increase in the temperature. A developed FBG cone penetrometer, however, achieves excellent temperature compensation during penetration, and produces continuous change of underground temperature. In addition, the temperature compensated FBG cone shows the excellent sensitivity and detects the interface of the layered soils with higher resolution. This study demonstrates that the fiber optic sensor renders the possibility of the ultra small size cone and the new fiber optic cone may produce more reliable temperature compensated tip resistance.

Keywords :CPT, fiber bragg grating, layer detection, micro cone, temperature compensation

···

요 지

온도 변화에 의하여 로드셀이나 스트레인 게이지의 결과값이 변하기 때문에 로드셀이나 전기저항식 변형율계를 이용하는 기계적 장치는 주변 온도의 변화에 의하여 영향을 받는다. 본 연구에서는 기존의 전기저항식 변형율계 타입의 콘이 가지는 문제점과 한계를 극복하고 관입과 동시에 연속적으로 온도보상이 가능한 직경 1~7mm의 초소형 광섬유 마이크로콘을 개발 하였다. 광섬유는 머리카락 굵기의 작은 직경을 가지고 있어 원하는 크기의 센서를 구성할 수 있고 전기적 신호인 전압을 측정하는 것이 아니라 빛의 파장변화를 감지하여 변형율로 변환하게 되므로 주변 조건에 의한 간섭 영향이 거의 없다. 개발 된 콘의 온도보상 효과를 검증하기 위해 외력이 없는 상태에서 콘 주변의 온도를 변화시키는 온도시험을 실시하였다. 주변 온도에 따라 측정전압이 변화되는 전기저항식 변형률계 콘과는 달리 광섬유 센서를 적용한 콘은 일정한 값을 유지하는 것으 로 나타났으며 관입과 동시에 지중의 온도변화를 연속적으로 확인할 수 있었다. 또한, 다층지반 콘관입시험에서는 관입되는 동안 교란영역이 적고 분해능이 뛰어나 선단지지력의 변화만으로도 다층지반의 경계를 명확하게 탐지할 수 있는 것으로 분 석되었다. 본 연구에서는 광섬유 센서를 이용한 초소형 마이크로콘으로 다층지반을 효과적으로 탐지할 수 있으며 지중의 온 도 영향이 고려된 순수한 선단저항력을 획득할 수 있음을 보여준다.

핵심용어

다층지반탐지, 마이크로콘, 온도보상, 콘관입시험, FBG센서

···

1.

서

론

콘관입시험은 지반에 대한 연속적인 데이터를 빠르고 정확 하게 획득할 수 있고 기계적 교란을 최소화 할 수 있기 때 문에 국내외에서 널리 활용되는 현장조사 시험법이다. 획득 된 시험결과를 바탕으로 지층을 비교적 정확하게 판단할 수 있고 강도 및 압밀특성까지 분석할 수 있어 점성토 지반조 사에 필수적인 현장시험으로 인식되고 있다. 최근에는 점토

층 내의 협재층 탐지와 같은 정밀 지반조사를 위해 민감도 가 높고 관입시 지반교란이 적은 소형 콘의 개발이 활발하 게 이루어지고 있다(De Lima와 Tumay, 1991; Tumay 등,

1998; Tumay

와 Kurup, 2001; Tumay 등, 2001; Hird 등,

2003; DeJong

등, 2003, 2007; Yafrate, 2004; Yafrate와

DeJong, 2005; Liu

등, 2006). 일반적으로 소형 콘 개발에

적용되는 센서는 크기가 작고 설치가 간편하기 때문에 전기 저항식 변형률계(strain gage)를 이용하고 있으나, 외력에 의

*고려대학교건축·사회환경공학부박사과정 (E-mail : [email protected])

**정회원·고려대학교 건축·사회환경공학부 부교수 (E-mail : [email protected])

***정회원·고려대학교건축·사회환경공학부박사과정 (E-mail : [email protected])

****정회원·교신저자·고려대학교 건축·사회환경공학부 부교수 (E-mail : [email protected])

해 변화되는 전압의 크기를 측정하는 전기저항식 변형률계 는 직접적으로 가해진 하중조건 외에 주변 온도변화, 전자기 파, 자체 발열 및 원거리 리드선의 저항 등과 같은 간접적 인 요소에 의해 많은 영향을 받는다.

이종섭 등(2008)과 Shin(2008)은 전기저항식 변형율계를 이용하여 선단지지력으로 다층지반을 탐지할 수 있는 직경

의 초소형 마이크로콘을 개발하였으며, 전기저항식 변형 율계의 문제점을 최소화하기 위해 적정 온도조건 및 자체발 열이 발생하지 않는 입력전압의 크기를 실내시험을 통해 확 인하였다. 이를 바탕으로 최적의 온도조건과 입력전압 크기 를 제시하였고, 실내시험시 외부온도 섭씨20

입력전압

의 고정된 조건으로 콘 관입시험을 실시하였다. 그러나 이러한 방법은 콘 관입시험을 위한 이상적인 주변온도와 입 력 전압을 제시한 값에 불과하며, 콘이 관입되는 동안 지중 에서 변화되는 온도의 영향은 고려하지 못하기 때문에 엄밀 한 의미에서 온도 보상법이라 하기 어렵다. Xu 등(1994)은 기계적 변형율을 측정하기 위해 광섬유 센서를 사용하였으 며, 단일 광섬유 센서를 이용하여 온도와 변형율을 동시에 실시간으로 측정하였다. 이와 같이 광섬유는 온도와 변형 모 두에 민감함을 이용하여 계측된 변위량에서 온도 변화에 의 해 발생된 변위를 보상하는 방법으로 순수하게 외력에 의한 변형량을 산정할 수 있다(Kanellopoulos 등, 1995; Liu 등,

본 연구에서는 기존의 변형율계 대신 빛의 파장 변화를 감지하는 광섬유 센서를 이용하여 온도보상형 초소형 마이 크로콘을 제작하였다. 개발된 광섬유 마이크로콘은 온도 보 상 센서를 내부에 탑재하고 있어 콘이 관입되는 동안 변화 되는 지중의 온도 영향을 보상할 수 있다. 또한, 기존의 전 기저항식 변형율계로는 제작할 수 없었던 3mm 이하의 작은 직경을 가지면서도 주면마찰력과 선단저항력이 분리되도록 이중 슬리브(double sleeve) 구조를 채택하였다. 개발된 광섬 유 콘과 기존 변형율계식 콘에 대한 온도영향 실험을 실시 하였으며, 온도센서를 이용한 온도보상 효과를 확인하였다.

끝으로 점토층과 모래층으로 구성된 다층지반에 실시한 층 상탐지 실험을 통해 선단저항력(q

을 이용한 연약지반내 협 재층 탐지 가능성을 설명하였다.

2.

광섬유 센서

2.1

측정 원리

광섬유(optical fiber)는 빛의 간섭(interferometer)이나 편광

(polarization)

을 이용하여 외부자극에 대해 반응하는 센서로

써, 광섬유의 주성분은 실리카 유리이며 굴절율이 높도록 게 르마늄(G

을 첨가한 광섬유 중심 코어(core) 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩(cladding) 부분으로 구성된다(그림

1(a)).

클래딩 층은 코어에 입사된 광신호를 유지시키면서 외

부의 빛이 코어 안으로 들어오는 것을 방지한다. 가장 바깥 층인 버퍼(buffer)는 내부의 유리질을 보호하며 세라믹이나 플라스틱으로 구성되어 있다(Kersey 등, 1997).

광섬유는 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행 될 때 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛은 모두 반사된다 는 전반사의 원리를 취하고 있다. 굴절률 n

을 가지는 매질

1

과 굴절률 n

를 갖는 매질2와의 경계면에 빛이 입사될 경 우 굴절되어 투과되거나 반사되어 나간다. 이 때, 스넬의 법 칙(Snell’s law)에 의해 입사각과 반사각은 같으며 굴절률

이 n

보다 큰 경우 굴절현상 없이 입사된 빛은 전반사 된 다. 광섬유의 경우, 코어층의 굴절율이 클래딩층의 굴절율 보 다 높기 때문에 그림 1(b)와 같이 입사된 빛을 모두 전반사 시킬 수 있다. 즉, 광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높 은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되 어 광섬유 코어부분을 따라 도파되므로 원거리 측정이나 장 기 계측에서도 데이터의 항상성을 유지할 수 있다. 광섬유 코어와 클래딩은 유리나 플라스틱으로 만들어지며 플라스틱 광섬유는 유리에 비해 유연하고 가격이 저렴하고 큰 강도에 잘 견디나 광전송 효율면에서 좋지 못하다. 일반적으로 유리 코어 광섬유가 플라스틱보다 폭넓게 사용되고 있으며 광섬 유에 관련된 기준 값들은 특별한 언급이 없는 한 석영 유리 광섬유에 기초를 둔 값이다.

2.2 FBG

센서

광섬유를 이용한 센서는 제작기법, 목적 및 데이터 처리방 법에 따라 종류가 다양하며, 대표적인 광섬유 센서로는 외부 패브리-페로 간섭(A-EFPI: absolute extrinsic Fabry-Perot

interferometric)

센서와 광섬유 브래그격자(FBG: fiber bragg

grating)

센서 등이 있다. 이 중 FBG 센서는 A-EFPI 센서

에 비해 구조가 단순하고, 제작공정이 간단하기 때문에 대량 생산되어 널리 사용되고 있다. 게르마늄이 첨가된 광섬유 코 어에 자외선 영역의 레이저를 주기적으로 조사하면 굴절율 변화가 발생되는데, 광섬유 브래그 격자 배열형 센서는 이러 한 격자(grating)에 의해 결정되는 특정 파장의 빛만 반사시 키는 광섬유 소자이다(그림 2). 즉, 격자 주변의 온도가 바 뀌거나 격자에 인장이 가해지면 광섬유의 굴절율이나 길이 에 변화가 생기게 되어 반사되는 빛의 파장이 달라지게 된 그림

광섬유 센서

센서 모식도

전반사를 통한 빛

의 도파

다. 브래그 격자에서 반사되는 이러한 빛의 파장을 측정함으 로써 온도, 인장, 압축, 휨 등의 외력을 감지할 수 있게 되 며, FBG센서를 통해 분석되는 값은 브래그 파장(bragg

wavelength)

의 이동 특성을 신호처리를 수행하여 획득된다

(Rao 1999; Zhou

등 2003).

FBG

센서는 온도와 변위의 변화에 대한 민감도가 매우 높 고 센서 자체가 고유한 파장 값을 가지므로 누적변형의 측 정에 용이하며 머리카락 정도의 작은 직경(250~900

을 가지고 있어 원하는 크기의 초소형 센서를 구성할 수 있다.

고전압이나 전자기파(EMI: Electromagnetic interference)의 영향이 없어 계측시 주변 전자장비의 유무에 영향을 받지 않으며, 잡음이 없고 전기적 신호를 사용하지 않기 때문에 별도의 방수처리가 필요없다. 하나의 광섬유 케이블에 약 30 개 정도의 FBG 센서를 배열할 수 있어 다지점 계측이 가 능하고, 각 센서별로 온도감지, 변위감지, 하중 감지 등과 같은 여러가지 물리량을 동시에 측정할 수 있는 다중 송신

(multiplexing)

이 가능한 장점이 있다. 또한 빛을 이용하므로

전기식 계측기 보다 10배 이상의 측정거리에서도 신뢰도 높 은 데이터를 획득할 수 있는 장점이 있다(Gornall과 Amarel,

2.3

온도보상 원리

광섬유 센서는 작동 범위가 섭씨 -200~170

로 넓고 온 도의 변화에 민감하게 반응하기 때문에 온도 센서로의 활용 성이 매우 높다. 그림 2에서 보는 바와 같이 광대역 광원을 입사시키면 브래그 파장(bragg wavelength,

이라 불리는 특정 대역의 빛만 반사되고 나머지 파장 대역의 빛은 센서 를 통해 외부로 배출된다. 식 (1)과 같이 격자에서 반사되는 브래그 파장은 광섬유 코어의 유효 굴절률(effective

과 격자 간격(grating period, d)의 함수 로 표현되고, 광섬유 격자에 온도나 압력 등의 외력이 가해 질 경우 이들 값이 변하여 브래그 파장이 달라지게 된다

과 Amarel, 2003; 김기수 2004).

λB= 2η

×d

브래그 파장의 이동 특성을 이용한 신호처리에서는 식 (2) 와 같은 파장의 변화(

를 계산하게 되는데, 열 팽창 계

수(

와 열 광학 계수(

로 구성되는 열에 의한 항과 광탄 성 상수(p

와 변형량(

의 곱인 외력에 의한 변형 항으로 구성되어 있다.

(2)

이 값들은 실험에 의해 구할 수 있는 계수로써 식 (3)과 같이 열감도 계수(K

와 변형율 감도계수(K

로 표현 할 수 있다. 즉, FBG 센서는 변형과 열의 의해 민감하게 반응하며 온도가 일정하지 않은 환경에서 순수한 변형률을 측정하기 위 해서는 온도의 변화에 따른 브래그 파장의 변화를 보정해 주 어야 한다(Xu 등 1994; Spirin 등 2001; 정달우 등 2005).

(3)

본 연구에서는 마이크로콘과 동일한 재질의 스텐리스 스틸 튜브(stainless steel, STS 303) 속에 FBG 센서를 삽입한 뒤 에폭시로 일체화가 되도록 충진하여 초소형 광섬유 온도센서 를 제작하였다. 이를 그림 3과 같이 콘 관입기 내부에 매달 아 콘 관입시 저항력에 의한 영향을 받지 않고 주변 온도에 의해서만 FBG센서의 파장변화가 발생하도록 설치하였다. 즉, 콘이 지중에 관입될 때 관입저항력에 의해 측정된 광섬유 파 장변화량(식 (4))에서 주변 온도에 의해서만 반응한 온도센서 의 파장변화량(식 (5))를 차감하면 순수하게 지중에 관입되는 저항력에 의해 획득한 변형률 값을 구할 수 있게 된다.

(4)

(5)

여기서,

는 마이크로콘에 탑재된 FBG 센서에서 측 정된 온도와 외력이 함께 반영된 파장변화량이며

는 광섬유 온도센서에서 측정된 주변온도에 의해 반응한 파장 변화량을 의미한다. 또한, K

과 K

는 각각 마이크로콘의 열 감도계수와 온도 보상용 센서의 열 감도계수를 의미하나 동일한 스텐리스 스틸을 사용하였기 때문에 상쇄되어 식(6) 과 같이 표현되며 이로써 광섬유를 이용한 온도 보상이 가 능하게 된다. 온도의 영향이 배제된 순수한 변형율은 식(6) 과 같이 계산되며 캘리브레이션을 통해 이를 응력으로 환산 할 수 있다.

(6)

3.

광섬유 마이크로콘의 개발

3.1

콘의 구성

기존 소형 콘은 다층지반을 효과적으로 탐지하기 위해 반 응속도가 빠르며 변화가 뚜렷이 관측되는 간극수압을 주로 이용하였다. Hird(2003)는 단면적 1cm

직경 11.3mm)를 가 지는 콘 선단(tip)에 설치된 간극수압계를 이용하여 점토지반 에 협재된 두께 2mm의 샌드심(sand seam)을 탐지하였으나,

∆λ

λ

[ (

ξ )∆T 1 p

(

)∆ε ]

∆λ

∆T K

∆ε

∆λ

∆T K

∆ε

∆λ

∆T

∆ε

---

( ∆λ

∆λ

)

=

그림

센서의 계측원리

브래그 격자

코어 굴절

률

스펙트럼 반응

소형 콘에서 직경 5mm 이하의 마이크로콘으로 발전하면서 콘 선단부에 간극수압계 설치가 어렵게 되었다. 이 후 콘의 직경이 작아질수록 콘의 민감도가 높아짐을 이용하여 선단 저항력(q

만으로 층상 경계면을 탐지하고자 여러 형태의 콘 개발이 시도되었다. 그러나 일정크기 이하에서는 Yun(2005) 과 Liu(2006)와 같이 콘의 크기가 작아지므로 선단저항력과 주면마찰력을 분리하지 못하는 문제점이 발생하기도 하였다.

연약지반 내 정확한 협재층의 탐지와 강도정수의 획득을 위해서는 선단저항력(q

과 주면마찰력(f

의 분리가 선행되어 야 하므로 본 연구에서는 이종섭 등(2008)과 Shin (2008)이 적용한 이중관식 마찰슬리브(double friction sleeve) 방식을 채택하였다. 또한 기존의 전기저항식 변형율계로는 제작할 수 없는 직경 3mm이하의 초소형 마이크로콘을 제작하기 위 해 FBG 광섬유 센서를 적용하였다. 앞서 설명한 바와 같이 광섬유를 측정센서로 사용함으로써 기존의 변형율계 센서의 문제점으로 지적된 전자기파 영향, 자체발열, 리드선 길이에 의한 영향, 온도에 의한 영향 등을 해소할 수 있다.

그림 3는 본 연구에서 개발한 온도보상형 광섬유 마이크 로콘의 개요도로써 콘 직경에 따른 선단저항력 크기와 민감 도 분석을 위해 다양한 크기의 콘을 제작하였다. 개발된 콘 모두 이중관식 마찰슬리브 구조를 가지며, 그림 3(a), (b)에 서 보는 바와 같이 직경 1mm와 3mm의 마이크로콘은 콘 내부튜브 중심에 0.6~0.8mm의 구멍을 뚫고 1열의 광섬유를

설치하였다. 콘 관입시 지중의 온도변화에 의해 발생되는 선 단저항력의 변화를 보상하기 위해 별도의 온도보상용 광섬 유 센서를 외력이 미치지 않은 콘 관입시험기 내부에 탑재 하였다. 또한, 제작된 광섬유 콘의 정확도와 신뢰성을 검증 하기 위해 직경 7mm의 마이크로콘에는 내부튜브의 표면에 각각 1쌍의 전기저항식 변형율계와 FBG 센서를 그림 3(d) 와 같이 90

방향으로 부착하여 하나의 콘에서 변형율계의 전기신호와 광섬유의 파장변화량이 동시에 획득할 수 있도 록 구성하였다. 이를 이용하여 동일한 지층에서 획득된 변형 율계와 광섬유 센서의 선단저항력을 비교하고, 온도 영향의 고려 유무에 따른 오차 크기를 평가함으로써 콘 관입시 온 도변화가 선단지지력에 미치는 영향을 판단할 수 있도록 계 획하였다. 그림 4(a)는 직경 1mm 온도보상형 광섬유 마이 크로콘이며 그림 4(b)는 변형율계와 광섬유 센서가 함께 부 착된 복합 콘의 분해도이다. 콘 제작시 Kyowa사의 전기저 항식 변형율계(KFG-1-120-1-111L1M2R)를 사용하였으며, 광 섬유 센서는 Technica SA사의 1520~1590nm 파장대의

bare FBG

를 적용하였다. 전기저항식 변형율계는 휘트스톤

브릿지(wheatstone bridge, half-bridge)를 이용하여 측정 전 압을 증폭 시킨 후 Agilent사의 34411A 디지털 멀티미터로 검침하였으며, FBG 센서는 광대역 광원을 입사시키고 반사 되는 파장의 변화를 측정하기 위해 Micron Optics사의

SM130

인테로게이터를 이용하여 1초당 10개의 데이터

그림

온도보상형 광섬유 마이크로콘 개요도

직경

직경

직경

직경

(10Hz)

를 수집하였다.

3.2

콘 캘리브레이션

광섬유와 전기저항식 변형율계를 이용하여 제작된 마이크 로콘은 캘리브레이션(calibration) 과정을 거쳐 부착된 센서의 일관성과 데이터 안정성을 평가하였다. 콘에 설치된 센서와 하중과의 관계를 도출하기 위해 그림 5와 같이 편심없이 하 중을 재하 할 수 있는 장치를 이용하여 캘리브레이션을 실 시하였다. 그림 6(a)는 FBG 센서가 부착된 직경1mm,

3mm, 7mm

의 초소형 마이크로콘의 하중-파장변화 그래프로

써 뛰어난 선형관계식을 나타내고 있어 본 연구에서 개발한 초소형 광섬유 마이크로콘은 안정적이고 일관된 반응을 보 임을 알 수 있다. 또한 그림 6(b)에서 보는 바와 같이 직경

7mm

콘에 부착된 전기저항식 변형율계도 하중이 증가함에 따라 전압의 크기가 일정하게 증가하고 있어 광섬유 센서와 전기저항식 변형율계 모두 마이크로 콘 내부에 밀착되어 잘 부착된 것으로 판단된다. 이 때 온도 보상이 불가능한 변형 율계는 이종섭 등(2008)이 제시한 섭씨 20

입력전압

2.0V

조건에서 측정하여 안정적인 결과가 획득되도록 하였

다. 각 콘의 하중에 대한 관계식은 식 (7)~(10)과 같다.

직경1mm 콘: FBG; P = 18,538(

직경3mm 콘: FBG; P = 22,121(

직경7mm 콘: FBG; P = 221,296(

직경7mm 콘: S/G; P = 86,323(

여기서, P는 하중크기(g),

는 출력되는 전압의 변화량

(mV), ∆λ

는 파장의 변화량(nm)이다.

3.3

온도센서 캘리브레이션

콘이 관입되는 동안 콘 주변의 온도변화를 연속적으로 측 정하고 이에 의한 영향을 고려하기 위해 콘 내부에 설치되 는 온도센서에 대한 캘리브레이션을 그림 7(a)와 같이 실시 하였다. 10분 이상 항온상태를 유지할 수 있는 아이스박스에 물을 채운 후 정밀한 온도 측정이 가능하도록 디지털 온도 계를 설치하였다. 디지털 온도계의 오류를 확인하고자 일반 수은 온도계를 추가로 설치하였으며 온도센서가 충분히 물 속에 잠기도록 위치시킨 후 아이스박스를 잘 밀봉하였다. 온 도 보상 실험은 섭씨 9

에서 30

까지 3

간격으로 실 시하였으며, 각 단계에서 5분간파장변화를 측정하였다. 그 결 과, 온도의 변화에 따른 파장변화량은 그림 7(b)와 같이 선 형의 관계를 나타내었으며 관계식은 식 (11)과 같은 직선으 로 표현된다.

광섬유로 제작된 온도센서; T = 44.565(

여기서, T는 광섬유 센서로 측정된 온도하중크기(

는 측정된 파장(wavelength, nm),

는 온도 변화량(

는 파장 변화량(nm)이다

4.

온도에 의한 선단저항력의 변화

본 연구에서 개발한 마이크로콘은 기존의 변형율계식 콘과 는 달리 지중의 온도변화에대한 보상이 가능하도록 광섬유 센서를 이용하여 제작되었다. 개발된 마이크로콘의 온도보상 능력을 검증하고 국내외에서 널리 사용되고 있는 상용 콘의 온도영향을 파악하고자 온도영향 실험을 실시하였다.

4.1

기존 변형율계식 콘 관입시험기의 온도 영향

이종섭 등(2008)은 전기저항식 변형율계를 적용한 콘은 주 변의 온도 변화와 입력전압의 크기에 의해 측정되는 전압의 크기가 달라진다고 하였으며, 이러한 영향을 최소화 하기 위 해 실내시험시 대기온도조건과 입력전압의 조건을 일정하게 유지하였다. 국내외에서 널리 사용되고 있는 콘 관입시험기 에 대한 온도 영향을 분석하고자 직경 1.6cm, 단면적 2cm

그림

온도보상형 마이크로콘의 구성

직경

광섬유

콘

직경

변형율계 및 광섬유 복합콘

크

기별 광섬유 콘

그림

측정센서

장치

그림

온도센서

캘리브레이션 장치

캘리브레 이션 결과

그림

결과

센서

직경

센서

직경

입력전압

온도

인 A.p.v.d.berg사의 소형 콘(miniatue cone)을 이용하여 온 도 실험을 실시하였다.

실험에 사용된 콘은 전기저항식 변형율계를 사용하고 있으 며 full-bridge로 구성된 휘트스톤브릿지를 증폭회로로 채택하 고 있다. 일반적으로 현장에서 콘 관입시험을 실시할 경우, 관입에 앞서 공기 중에서 초기값 설정(initial setting)을 실시 하거나 지중에 콘의 일부를 삽입한 상태에서 영점을 설정하 고 20mm/sec의 표준 관입속도로 관입하게 된다. 이를 모사 하기 위해 본 실험에서는 섭씨 27

의 공기 중에서 초기값 설정을 실시하고 물로 채워진 원통 아크릴 셀에 소형 콘을 넣은 후 출력 전압의 변화를 관찰하였다. 항온 유지를 위해 셀을 밀봉하여 외부 공기와의 접촉을 차단하였으며 디지털 온도계를 설치하여 실험이 진행되는 동안 온도의 변화가 발 생하는지를 확인하였다.

그림 8(a)는 콘 주변의 온도변화에 의해 소형 콘의 출력 전압이 변화되는 양상을 선단저항력으로 환산하여 도시한 것 이다. 실험결과, 전기저항식 변형율계를 사용하는 콘은 초기 값이 설정된 온도보다 높거나 낮은 온도에 노출되면 열팽창 이나 열수축에 의해 마치 외부의 하중에 의해 선단저항력이

변화된 것과 같은 현상이 나타났다. 실험 조건상 선단저항력 에 영향을 미치는 외부하중은 없으므로 이러한 현상은 온도 에 의해 콘 내부에 설치된 변형율계가 영향을 받았기 때문 인 것으로 분석된다. 그림 8(b)는 온도와 선단저항력의 그래 프로써 초기값 설정온도와 콘 주변온도와의 차이가 클수록 응력의 변화도 크게 나타났으며, 온도의 증가량에 대해 일정 한 기울기를 가지는 선형으로 선단저항력이 변화되었음을 볼 수 있다.

여름철 대기온도는 30

가 넘으며 복사열에 의한 지표 온 도는 40

이상으로 상승하나 심도 5m 이하의 지중에서는

13~15^oC

의 낮은 온도를 나타낸다. 즉, 여름철에 콘관입시험

을 실시할 경우, 콘은 지중에 관입되면서 초기값이 설정된 온도와 크게 다른 온도 조건에 노출되며 이로 인해 선단저 항력의 오차가 발생하게 되는 것이다. 선단저항력이 큰 모래 나 사질토 지반에서는 온도의 영향이 미소할 수 있으나 연 약한 점성토 지반의 선단저항력이나 주면마찰력에서는 주요 한 요소로 작용하게 된다(Lunne 등, 1986). 따라서, 콘 관 입시험 결과를 분석함에 있어 온도의 영향을 고려한 선단저 항력 보상절차는 신뢰도 높은 데이터 획득을 위해 필수적이 라 하겠다.

4.2

개발 콘의 온도 보상 실험

온도에 의한 전기저항식 변형율계의 영향을 보완하기 위해 본 연구에서 적용한 FBG 센서의 온도 보상 효과를 확인하 고자 외력이 없는 상태로 공기중에 콘을 노출시키고 주변 온도변화에 따른 출력값 변화를 관찰하였다. 전기저항식 변 형율계에는 안정적인 공급전압으로 알려진 2.0V의 입력전압 을 가하고 FBG 센서에는 인테로게이터를 이용한 광대역 광 원을 입사시켜 약 10분간 측정된 출력값의 변화를 기록하였 다. 변형율계와 FBG 센서의 조건을 동일하게 하기 위해 전 기저항식 변형율계와 FBG센서가 함께 부착된 직경 7mm 마이크로콘(그림 4)을 사용하였다.

그림 9(a)는 콘 관입시험기 주변 온도의 변화에 따른 전 기저항식 변형율계와 FBG 센서의 변화를 도시한 것이다.

콘 선단부에 부착된 변형율계는 그림 9(b)에서 보는 바와 같이 온도가 증가함에 따라 측정된 출력값이 변화되는 것으 로 나타났으며, 섭씨 15

인 경우는 방치 후 5분이 지나면 서 수렴되는 경향을 보이지만 그 이상의 온도 조건에서는 지속적으로 출력전압이 변화하는 경향을 나타내고 있다. 반 면, 광섬유 온도센서를 이용하여 온도에 의한 영향을 보상한

센서의 경우, 온도가 증가됨에 따라 콘의 선단부에 부 착된 2개의 선단저항력 측정용 FBG 센서(Active sensor-1,

가 온도에 의해 반응하나 내부에 부착된 온도센서(Temp.

sensor)

도 동일한 크기만큼 파장변화가 발생되므로 서로 상

쇄되게 된다(그림 9(a)). 즉, 상쇄효과로 인해 주변 온도의 조건에 상관없이 일정한 상태를 보이는 것으로 분석되어 완 전한 온도 보상이 이루어졌음을 볼 수 있다. 따라서 본 연 구에서 개발한 광섬유 마이크로콘에 탑재된 FBG 센서는 온 도 보상 역할을 올바르게 수행하는 것으로 분석되며 변형율 계를 이용한 콘의 경우 주변의 온도변화에 대한 영향을 배 제하기는 어려운 것으로 나타났다.

그림

변형율계식 콘의 온도영향

사

소형 콘

선

단저항력의 변화

온도변화에 따른 선단저항력의 선형

증가

5.

선단저항력을 이용한 다층지반 탐지

개발된 콘의 정밀도와 민감도를 평가하기 위해 점토층과 모래층이 교차하는 다층지반을 조성하였으며, 그림 10과 같 이 휘트스톤 브릿지와 인테로게이터(interrogator)로 조합된 측정장치를 구성하였다. 변형율계 측정을 위해서 마이크로콘

내부에 부착된 2개의 변형율계 외에 2개의 더미센서(dummy

sensor)

를 외부에 설치하는 half-bridge 방식의 휘트스톤 브

릿지를 채택하였다. 이와 더블어 FBG 센서는 콘의 선단부 에 설치되어 선단저항력을 측정하는 2개의 광섬유와 온도변 화에 의한 파장변화를 측정하기 위한 온도센서까지 3개의 광섬유를 동시에 측정할 수 있도록 4채널의 인테로게이터를 그림

주변 온도에 의한 콘의 영향

측정값

하중 환산값

그림

다층지반 탐지를 위한 선단저항력 측정 장치도

이용하여 경계면 탐지실험을 실시하였다. 다층지반 탐지를 위한 선단저항력은 온도센서를 이용하여 콘이 관입되는 동 안 지중에서 발생되는 온도변화와 마찰열에 의한 영향이 보 상되도록 구성하였다.

5.1

변형율계와 광섬유 센서를 이용한 선단저항력 측정 투명 아크릴로 제작된 직경 200mm, 높이 310mm의 원통 형 셀은 총 9개의 세부 층을 구분되며 높이 50mm의 점토 층 사이에 높이 15mm의 모래층을 조성하여 다층지반을 형 성하였다. 액성한계 67.2%, 소성지수 36.4%를 가지는 분말 상태의 카오리나이트(kaolinit)를 함수비 50%로 교반기를 이 용하여 충분히 반죽하여 점성토층을 조성하였다. 중간 모래 층은 세립모래에 해당하는 K-7호사(D

를 진동시 키며 밀한 상태로 조성하였다. 마이크로콘은 섭씨 17

입 력전압 2.0V의 조건에서 1mm/sec의 속도로 관입하면서 1초 당 10개의 데이터를 획득하였다.

그림 11는 FBG 센서를 이용한 마이크로콘의 분해능과 민 감도 분석을 위해 일반 전기저항식 변형율계와 FBG 센서가 함께 부착된 직경 7mm의 마이크로콘을 이용하여 다층지반 탐지실험을 실시한 결과이다. 연약한 점토층에서는 일정한 선단저항력 분포를 보이고 있으나 협재된 모래층(sand

seam)

이 시작되는 경계면에서 급하게 선단저항력이 증가하는

것으로 나타났다. 모래층을 통과하여 다시 연약한 점토층으 로 전환되는 경계면에서는 모래 입자가 콘의 관입으로 경계 면에서 일부 뒤섞이는 현상이 발생되어 경계층의 구분이 다 소 모호한 것으로 나타났다. 이러한 현상은 일반적인 콘의 다층지반 탐지실험 결과와 유사한 것으로 Ahmadi와

Robertson(2005)

은 유한차분해석을 통해 강도가 낮은 층에서

높은 층으로 변화될 때 교란영역이 적으며 비교적 정확한 층의 구분이 가능함을 설명하였다.

전기저항식 변형율계와 FBG센서 모두 연약 점토층에 협

재된 모래층을 잘 탐지하고 있으며 특히 모래층 구간에서는

센서가 변형율계보다 선단저항력이 다소 크게 나타나고 있다. 그러나 본 실험 결과는 하나의 콘에 변형율계와 FBG 센서가 함께 부착된 마이크로 콘을 이용하여 관입과 동시에 각각 변형율계와 FBG 센서에서 획득된 것이므로 측정된 데 이터를 캘리브레이션 결과에 대입하여 선단저항력으로 환산 할 경우 동일한 값을 가져야만 한다. 즉, 두 센서의 선단저 항력 오차는 FBG 센서를 통해 획득된 선단저항력의 경우 지중의 온도영향을 보상한 값이지만 전기저항식 변형율계는 연속적인 온도보상이 불가능하므로 온도에 의한 영향을 배 제할 수 없기 때문에 발생된 것으로 판단된다.

그림 12은 광섬유 온도센서를 이용하여 콘이 관입되는 동 안 지중에서 변화되는 콘 주변의 온도변화를 연속적으로 도 시한 것으로 마이크로콘 내부에 설치된 광섬유 온도센서로 실측된 파장을 온도로 환산한 결과이다. 심도가 깊어질수록 지중의 온도는 공기중보다 약간 높은 것으로 나타났으며 심 도 250mm부터 일정하게 수렴되어 지표의 온도와 약

의 온도차이를 보이고 있다. 앞서 설명한 바와 같이 그림 11에 나타난 두 센서의 선단저항력 오차는 온도차이에 의한 영향으로 점토층에서 최대 96kPa, 모래층에서는

400kPa

가량 발생하였다. 그러나 측정된 온도의 변화가

0.42^oC

로 작기 때문에 상대적으로 온도에 의한 선단저항력 오차 역시 크지 않은 것으로 나타났다.

다층지반 탐지실험 결과, 선단저항력만을 이용하여 층상을 구분할 수 있으며 제작된 광섬유콘의 선단저항력이 기존의 전기저항식 변형율계와 잘 부합되고 있어 FBG 센서를 이용 한 초소형 마이크로콘은 적용성이 우수한 것으로 분석되었다.

5.2

콘 크기에 따른 민감도 영향

콘의 크기에 따른 콘 선단저항력의 변화에 대한 연구는 지속적으로 이루어지고 있으나 그 영향에 대한 결과는 다양

그림

마이크로콘을 이용한 다층지반 탐지결과

하다. 크기 영향(Scale effect)이 있는 것으로 판단한 연구자

(Almeida

와 Parry, 1985; De Lima와 Tumay, 1991)가 있

는 반면 Esquivel과 Silva(2000)와 같이 콘의 크기효과에 대한 증명을 할 수 없다는 입장의 연구결과도 있다. 그러나

Hird

등(2003)이 단면적 1cm

의 소형 콘을 이용하여 실내에

서 샌드심을 탐지하는 실험을 실시한 결과, 직경이 작은 콘 이 큰 콘보다 뛰어난 다층지반 탐지능을 가지고 있으며 콘 의 크기가 작을수록 관입시 발생되는 교란이 적어 원지반의 전단강도에 가까운 값을 측정할 수 있는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 관입시 지반 교란을 최소화할 수 있고 온도 보상된 선단저항력을 획득할 수 있는 직경 7mm 이하의 광 섬유 마이크로콘을 이용하여 콘의 크기가 선단저항력의 미치 는 영향을 확인하였다. 이를 위해 직경 7mm 마이크로콘과 직경 3mm의 초소형 콘을 사용하였으며 모든 실험결과는 온 도에 의한 영향이 보상된 선단저항력으로 비교, 분석되었다.

그림 13에서 보는 바와 같이 직경 3mm의 마이크로콘과

의 마이크로콘 모두 층상구조를 잘 탐지하고 있으며 협 재된 모래층도 명확하게 구분하는 것으로 나타났다. 또한 직 경 3mm의 초소형 마이크로콘은 직경 7mm의 콘보다 관입 시 교란도가 적어 모래층에서 연약 점토층으로 바뀌는 경계 면의 탐지에서도 기존의 소형 콘 시험으로 획득하기 어려운 높은 분해능을 보여주고 있다. 이와 같이 마이크로콘을 이용 할 경우 선단저항력만으로 점토층 사이에 협재된 모래층을 탐지할 수 있으며, 지층별 선단저항력 변화가 명확해 지층분 류에 있어서도 신뢰성 높은 결과를 얻을 수 있다.

콘의 크기에 따른 선단저항력의 차이는 강도가 낮은 점토 층에서는 뚜렷하게 발생되지 않으나 선단저항력이 큰 모래 층에서는 2배 이상 선단저항력이 크게 측정되는 것으로 나 타났다. 이는 콘의 직경이 커지게 되면 관입으로 인해 소성 영역이 넓어져 주변 지반의 전단변형에 더 넓은 면적이 관 여되어 평균화 되기 때문에 해상도가 감소하게 된다는 Hird 등(2003)의 연구 결과와 일치하는 것으로 콘의 크기가 커질 수록 얇은 협재층이 가지는 선단저항력을 정확하게 측정해 내지 못하고 콘 관입시 교란된 영역의 낮은 선단저항력을 측정하게 되는 것이다. 그러나 콘의 직경이 작을수록 이러한 교란영역의 범위가 작아지기 때문에 협재층의 선단저항력을 비교적 정확하게 측정할 수 있고 그림 13과 같이 협재된 모래층에서 선단저항력 차이가 매우 큰 것처럼 나타나게 된 다. 콘의 크기에 따른 선단저항력을 비교한 결과, 선단저항 력만으로 다층지반의 경계면을 효과적으로 탐지할 수 있었 그림

콘 관입시 지중의 온도변화

그림

콘의 크기에 따른 선단저항력의 변화

으며 교란이 최소화된 선단저항력을 획득할 수 있는 것으로 분석되었다.

6.

결 론

본 연구에서는 선단지지력과 주면마찰력의 분리가 가능한 초소형 마이크로 콘을 FBG 센서를 이용하여 개발하였으며, 개발된 콘에 대한 온도 보상 실험과 다층지반 탐지실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

광원을 이용한 계측센서인 광섬유를 이용하여 기존의 전기 저항식 변형율계로는 제작할 수 없었던 직경 1mm, 3mm의 초소형 광섬유 콘을 개발하였으며 별도의 온도 센서를 탑재 하여 콘이 관입되는 동안 발생되는 지중의 온도에 의한 영 향을 보상할 수 있도록 구성하였다.

전기저항식 변형율계를 부착한 마이크로콘은 주변온도가 증가함에 따라 측정된 출력 값이 변화되며 온도 변화가 클 수록 변화폭도 커지는 것으로 나타났다. 반면 온도 보상용

센서를 탑재한 광섬유 콘은 온도센서에서 측정된 파장 변화량을 이용하여 온도의 영향을 보상하게 되므로 주변온 도 변화에 상관없이 일정한 값을 나타내었다. 즉, 개발된 온 도보상형 광섬유 마이크로콘은 효과적인 온도 보상이 가능 하므로 온도의 영향이 배제된 순수한 선단저항력을 획득할 수 있는 것으로 분석되었다.

변형율계와 광섬유가 함께 부착된 마이크로콘을 이용하여 다층지반 탐지실험을 실시한 결과, 광섬유 센서를 통해 획득 된 선단저항력은 기존의 전기저항식 변형율계의 결과와 잘 부합되고 있어 FBG 센서를 이용한 초소형 마이크로콘은 적 용성이 우수한 것으로 나타났다. 광섬유 온도센서를 이용하 여 지중 온도를 측정할 수 있었으며 이를 이용하여 관입과 동시에 실시간으로 연속적인 지중의 온도변화를 관찰할 수 있었다.

콘의 크기에 따른 선단지지력의 오차를 분석한 결과, 강도 가 낮은 점토층에서는 뚜렷하게 발생되지 않으나 저항력이 큰 모래층에서는 차이가 큰 것으로 나타났다. 이는 콘의 직 경이 작을수록 관입시 교란영역도 작아져 협재층의 선단저 항력을 비교적 정확하게 측정할 수 있었기 때문인 것으로 판단된다.

감사의 글

이 논문은 2008년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한 국학술진흥재단의 지원을 받아 수행된 연구임(KRF-2008-

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접수일: 2009.4.15/심사일: 2009.5.11/심사완료일: 2009.5.28)