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KR100332833B1 - 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서와, 이를 이용한 변형률 및 온도 측정방법 - Google Patents

투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서와, 이를 이용한 변형률 및 온도 측정방법 Download PDF

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KR100332833B1
KR100332833B1 KR1019990014611A KR19990014611A KR100332833B1 KR 100332833 B1 KR100332833 B1 KR 100332833B1 KR 1019990014611 A KR1019990014611 A KR 1019990014611A KR 19990014611 A KR19990014611 A KR 19990014611A KR 100332833 B1 KR100332833 B1 KR 100332833B1
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Abstract

본 발명은 변형률, 온도 등 다양한 물리량을 측정하고 구조물의 건전성 감시에 적용되는 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서와 이를 이용한 변형률 및 온도 측정방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서는, 모세 석영 유리관의 양 쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리관의 끝 부분에 각각 고정된 제1, 제2단일모드 광섬유와; 상기 모세 석영 유리관에 삽입되지 않은 상기 제1단일모드 광섬유의 다른 한 끝으로 광을 조사하는 레이저기; 및 상기 레이저기에 의해 입사되어, 상기 제1단일모드 광섬유와, 상기 제1단일모드 광섬유와 제2단일모드 광섬유 사이의 공기간극, 및 상기 제2단일모드 광섬유를 통과한 광들의 간섭 프린지를 검출하는 광 검출기를 포함하여, 상기 모세 석영 유리관이 길이 방향으로 변형되면, 그 변형 크기 및 변형 방향에 따라 상기 공기간극의 간극길이가 변하면서 상기 간섭 프린지의 발생횟수와 신호수준 변화 경향이 가변된다.

Description

투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서와, 이를 이용한 변형률 및 온도 측정방법 { Transmission-type extrinsic Fabry-Perot interferometric optical fiber sensor }
본 발명은 광섬유를 이용한 간섭계 센서에 관한 것으로서, 특히 변형률, 온도 등 다양한 물리량을 측정하고 구조물의 건전성 감시에 적용되는 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서와 이를 이용한 변형률 및 온도 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유를 이용한 센서는 그 크기가 작아서 측정 대상물의 표면에 부착하기가 용이하고, 복합재료 구조물 등에 삽입하는 것이 가능하다. 또한, 내구성과 내부식성이 우수하며, 전자기파의 영향을 받지 않는다. 특히 간섭계 광섬유 센서는 민감도와 분해능이 우수하여, 발전 및 생산 설비분야의 기계 구조물과, 교량, 빌딩 등의 건축구조물의 예기치 못한 손상이나 오랜 사용으로 인한 노후화에의해 발생하는 손상을 초기에 감지하는 데 적용이 유리하다.
광섬유 센서로는 간섭형 센서, 파장형 센서, 및 광강도형 센서 등이 있으며, 이 중 간섭형 광섬유 센서는 파장형 광섬유 센서에 비해 간단하고 저렴하게 시스템을 구성할 수 있고, 광강도형 광섬유 센서에 비해 민감도가 우수한 장점을 가지고 있다. 이러한 간섭형 광섬유 센서로는 마크-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 마이켈슨(Michelson) 간섭계, 패브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭계 등을 이용하는 여러 종류가 있다.
상기한 마크-젠더 간섭계나 마이켈슨 간섭계를 이용하는 광섬유 센서는 기준 광섬유를 사용하기 때문에 외란에 의한 영향을 민감하게 받을 수 있으나, 패브리-페롯 광섬유 센서는 1개의 광섬유로만 광을 전달하기 때문에 게이지길이 이외의 도선 광섬유에서 일어날 수 있는 외란 영향을 배제시킬 수 있다. 이 패브리-페롯 광섬유 센서는 간섭이 일어나는 매질이 광섬유 혹은 공기인 지에 따라서 내인성(intrinsic) 및 외인성(extrinsic)으로 구분되며, 외인성 패브리-페롯 간섭계(extrinsic Fabry-Perot interferometric, EFPI) 센서는 내인성 패브리-페롯 간섭계(intrinsic Fabry-Perot interferometric, IFPI) 센서에 비해 제작이 쉽고 기계적 특성이 우수하다는 장점을 지닌다.
도 1은 일반적인 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 도시하고 있다.
일반적으로 광섬유 코어의 굴절률(n1)은 1.46이고 공기의 굴절률(n2)은 1 정도이다. 이 굴절률의 차이에 의해 광섬유 끝 단의 코어와 공기의 경계면에서 부분반사가 일어나는데, 프레넬 방정식에 의하면 경계면에 법선방향으로 입사되는 광 중 약 3 %는 반사되고, 나머지 97 % 정도는 투과된다.
프레넬 방정식에 의한 반사율과 투과율의 계산식은 수학식 1과 같다.
도 1을 참조하면, 단일모드 광섬유(single-mode fiber, SMF)(11)를 따라 전송되는 광(Iin)은 단일모드 광섬유(11)와 공기와의 경계면에서 두 경로로 나누어진다. 즉, 약 3% 정도의 1차 반사광(Iout1)은 단일모드 광섬유(11)와 공기와의 경계면에서 반사되어 단일모드 광섬유(11)의 코어를 통해 반대방향으로 진행하고, 약 97% 정도의 광은 투과되어 공기와 다중모드 광섬유(multimode fiber, MMF)(12)와의 경계면에서 반사된 후 2차 반사광(Iout2)이 단일모드 광섬유(11)의 코어로 되돌아온다.
1차 반사광(Iout1)과 2차 반사광(Iout2) 사이에는 2s(s:간극길이)의 경로차가 발생하며, 이 경로차(2s)에 의해 일어난 간섭현상이 커플러를 거쳐 수광부(미도시)에서 관찰된다. 이때, 상기한 두 반사광 이외의 반사 경로는 양이 매우 적기 때문에 무시 가능하며, 광 경로 사이의 간섭에 의한 신호는 수학식 2와 같이 표현된다.
여기서,k는 전파상수로 광원의 파장을 λ라고 할 때, 2π/λ로 나타낼 수 있다.
이러한 간섭계 광섬유 센서에서 도시되지 않은 수광부는 1차 반사광(Iout1)과 2차 반사광(Iout2)을 입력받는데, 두 반사광은 간극길이(s)가 변화함에 따라 보강, 상쇄 간섭이 일어난다. 즉, 간극길이(s)가 변화함에 따라 출력신호의 간섭 프린지(interferometric fringe) 발생횟수가 가변되기 때문에 이 간섭 프린지의 발생횟수를 이용하면 간극길이의 변화량(Δs)을 알 수 있다. 이때, 분해능은 광원 파장의 1/4에 해당하므로, 헬륨-네온 레이저(λ=633㎚)나 레이저 다이오드(λ=1300, 1550㎚) 등의 광원을 사용하면 매우 높은 분해능을 얻을 수 있다.
이러한 외인성 패브리-페롯 간섭계 센서는 단일 방향으로의 변화량은 용이하게 측정할 수 있지만, 방향이 변하는 물리량을 측정하기는 매우 어렵기 때문에 이러한 문제점을 보완하기 위한 연구가 진행되었다. 머피 케이. 에이(Murphy, K.A.)와 군터 엠. 에프(Gunther, M.F.), 벤그살카 에이. 앰(Vengsarkar, A.M.), 및 클라우스, 알. 오(Claus, R.O.)가 논문지 옵틱스 레터스(Optics Letters) 제16권, 제4호에 1991년에 발표한 논문 '쿼드라쳐 페이스-쉬프티드 익스트린식 패브리-페롯 옵티컬 파이버 센서스(Quadrature phase-shifted extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors)'에는 두 개의 외인성 패브리-페롯 간섭계 센서를 이용하여 방향이 변화하는 위치를 감지하는 광섬유 센서(Quadrature phase-shift EFPI sensor)가 제시되어 있다.
이와 같이 두 개의 외인성 패브리-페롯 간섭계 센서를 이용하는 구조의 광섬유 센서는, 하나의 외인성 패브리-페롯 간섭계 센서로는 구별하기 어려운 0°의 위상에서 방향 변화를 다른 외인성 패브리-페롯 간섭계 센서의 출력신호를 이용하여 감지함으로써, 작동방향 변화 위치를 알 수 있다. 그러나, 광원과 수광부가 2조가 있어야 하고 현재 방향을 알려면 방향 변화 위치를 계속적으로 확인해야 하기 때문에 사용에 효율적이지 못하다는 단점을 가진다.
다른 연구의 결과로서, 브하티아, 브이.(Bhatia, V.)와 머피, 케이. 에이((Murphy, K.A.), 클라우스, 알. 오(Claus, R.O.), 트란, 티. 에이(Tran, T.A.), 및 그린네, 제이. 에이(Greene, J.A.)가 논문지 에프이오알씨 파이버 옵틱스 리뷰 콘퍼런스(FEORC Fiber Optics Review Conference)에 1994년에 발표한 논문 '앱솔루트 스트레인 앤드 템퍼러쳐 메슈어먼트스 유싱 하이 피넌스 이에프피아이 캐비티스(Absolute strain and temperature measurements using high finesse EFPI cavities)'에는 스펙트럼 분석을 통한 절대 측정을 수행하는 외인성 패브리-페롯 간섭계 센서(absolute EFPI)가 제시되어 있다.
이 절대 측정 외인성 패브리-페롯 간섭계 센서(AEFPI)는 스펙트럼 상에 발생하는 간섭 프린지를 이용하여 절대 측정을 수행하지만, 스펙트럼 분석기에서 요구되는 스캐닝 시간때문에 준정적 측정에만 적합하다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 두 개의 단일모드 광섬유를 모세 석영 유리관에 투과형으로 설치하고, 공기간극에서의 반사되는 광 경로차를 이용한 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서와 이를 이용한 변형률 및 온도 측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
도 1은 일반적인 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서의 구조도,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서의 구조도,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서의 출력신호 파형도,
도 4는 두 단일모드 광섬유의 간극길이 변화에 대한 출력신호 투과율의 실험결과와 해석결과의 비교도,
도 5는 측정시편 표면에 대한 센서의 부착도,
도 6은 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서와 스트레인게이지의 출력신호 비교도,
도 7은 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서에 의해 측정된 변형률을 도시한 그래프도,
도 8은 본 발명에 따른 광섬유 센서를 이용한 온도 측정방법을 실험하기 위한 구조를 도시한 도면,
도 9는 도 8에 도시된 광섬유 센서와 열전대의 출력신호를 도시한 그래프도,
도 10은 도 9에 도시된 광섬유 센서의 출력신호를 신호 처리한 후 열전대의 출력신호와 비교한 상태의 그래프도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※
22 : 광섬유 센서 24, 26 : 단일모드 광섬유
25 : 모세 유리관
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서는, 모세 석영 유리관의 양 쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리관의 끝 부분에 각각 고정된 제1, 제2단일모드 광섬유와;
상기 모세 석영 유리관에 삽입되지 않은 상기 제1단일모드 광섬유의 다른 한 끝으로 광을 조사하는 레이저기; 및
상기 레이저기에 의해 입사되어, 상기 제1단일모드 광섬유와, 상기 제1단일모드 광섬유와 제2단일모드 광섬유 사이의 공기간극, 및 상기 제2단일모드 광섬유를 통과한 광들의 간섭 프린지를 검출하는 광 검출기를 포함하여,
상기 모세 석영 유리관이 길이 방향으로 변형되면, 그 변형 크기 및 변형 방향에 따라 상기 공기간극의 간극길이가 변하면서 상기 간섭 프린지의 발생횟수와 신호수준 변화 경향이 가변되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법은, 공기간극의 길이 변화에 따라 발생횟수와 신호수준 변화 경향이가변되는 간섭 프린지를 출력하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법에 있어서,
상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서는, 모세 석영 유리관의 양 쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 상기 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리관의 끝 부분에 각각 고정된 제1, 제2단일모드 광섬유와;
상기 모세 석영 유리관에 삽입되지 않은 상기 제1단일모드 광섬유의 다른 한 끝으로 광을 조사하는 레이저기; 및
상기 레이저기에 의해 입사되어, 상기 제1단일모드 광섬유와, 상기 제1단일모드 광섬유와 제2단일모드 광섬유 사이의 공기간극, 및 상기 제2단일모드 광섬유를 통과한 광들의 상기 간섭 프린지를 검출하는 광 검출기를 포함하며 구성되고,
상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법은,
상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 측정 대상물에 부착하는 제1단계와;
상기 측정 대상물의 변형 구간 동안에, 상기 간섭 프린지 1/2 파장 간격의 최고점과 최저점의 발생횟수(n)를 구하는 제2단계;
상기 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준의 변화율 부호를 통해 모세 석영 유리관의 변형 방향을 판별하는 제3단계;
상기 제3단계에서 변형 방향이 일정한 구간에서는 상기 간섭 프린지의 최고점과 최저점의 발생횟수(n)와 분해능()을 아래의 식에 적용하여 변형률(ε)을 구하는 제4단계를 포함하며 이루어진 것을 특징으로 하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법.
[ 식 ]
또한, 본 발명에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 온도 측정방법은, 공기간극의 길이 변화에 따라 발생횟수와 신호수준 변화 경향이 가변되는 간섭 프린지를 출력하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 온도 측정방법에 있어서,
상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서는, 모세 석영 유리관의 양 쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 상기 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리관의 끝 부분에 각각 고정된 제1, 제2단일모드 광섬유와;
상기 모세 석영 유리관에 삽입되지 않은 상기 제1단일모드 광섬유의 다른 한 끝으로 광을 조사하는 레이저기; 및
상기 레이저기에 의해 입사되어, 상기 제1단일모드 광섬유와, 상기 제1단일모드 광섬유와 제2단일모드 광섬유 사이의 공기간극, 및 상기 제2단일모드 광섬유를 통과한 광들의 상기 간섭 프린지를 검출하는 광 검출기를 포함하며 구성되고,
상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 온도 측정방법은,
상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 에폭시 접착제를 이용하여 측정 대상물에 부착하는 제1단계와;
상기 측정 대상물의 변형 구간 동안에, 상기 간섭 프린지 1/2 파장 간격의 최고점과 최저점의 발생횟수(n)를 구하는 제2단계;
상기 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준의 변화율 부호를 통해 온도의 증감방향을 판별하는 제3단계;
상기 간섭프린지의 최고점과 최저점의 발생횟수(n)와, 상기 모세 석영 유리관의 선열팽창계수(αT), 상기 에폭시의 선열팽창계수(αE), 및 상기 측정 대상물의 선열팽창계수(αH)를 아래의 식에 적용하여 온도 변화량(ΔT)을 구하는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 온도 측정방법.
[ 식 ]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
광섬유를 통해 전송된 광은 광섬유에서 공기 중으로 진행할 때, 광 퍼짐에 의해 광 손실이 발생하게 된다.
본 발명은 광이 광섬유에서 공기 중으로 진행할 때 발생하는 광 손실을 이용하는 바, 도 2에는 본 발명에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서(22)가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 레이저(미도시)로부터 입사된 광이 통과하는 제1단일모드광섬유(24)와, 상기 제1단일모드 광섬유(24)가 삽입, 끝 부분에서 고정되는 모세 유리관(25)과, 상기 제1단일모드 광섬유(24)와 간극길이(s)만큼 이격된 상태로 모세 유리관(25)에 삽입, 모세 유리관의 끝 부분에서 고정되어 상기 제1단일모드 광섬유(24)와 공기간극을 통과한 광이 다시 입사되는 제2단일모드 광섬유(26)와, 상기 제2단일모드 광섬유(26)를 통해 출사되는 광신호를 검출하는 광 검출기(미도시)를 포함한다.
상기 모세 유리관(25)에 삽입되는 두 단일모드 광섬유(24, 26)의 절단면은 광의 진행방향과 수직이 되게 잘려진다. 레이저로부터 제1단일모드 광섬유(24)를 통해 전파된 광은 공기간극을 통과한 후 제2단일모드 광섬유(26)로 전달된다. 이때, 일부의 광은 공기간극을 통과한 후 제2단일모드 광섬유(26) 내부로 바로 투과하는 광 경로를 따라 광 검출기로 전송되고, 다른 일부의 광은 제2단일모드 광섬유(26)의 절단면와 제1단일모드 광섬유(24)의 절단면에서 2회 반사된 후 제2단일모드 광섬유(26)의 내부로 투과하는 광 경로를 따라 광 검출기로 전송된다.
즉, 이 두 경로의 경로차(2s)에 의해 간섭 프린지가 발생하며, 이는 광 검출기에서 관찰된다. 이러한 현상은 와그너, 알. 이(Wagner, R.E.)와 싼달 씨. 알.(Sandahl, C.R)이 어플라이드 옵틱스(Applied Optics) 제21권 제8호에 1982년에 발표하고, 논문 제목이 '인터퍼런스 이펙트스 인 옵티컬 파이버 콘넥션(Interference effects in optical fiber connection)'인 논문에 상세하게 기술되어 있다.
또한, 광이 공기간극을 통과하는 동안의 광 손실로 인해 출력신호의 크기가변화한다. 마쿠스, 디.(Marcuse, D.)이 더벨 시스템 테크니컬 저널(The Bell System Technical Journal)에 1977년에 발표하고, 논문 제목이 '로스 어널리시스 오브 싱글-모드 파이버 스프라이스(Loss analysis of single-mode fiber splices)'인 논문에는 광손실 해석을 기술하여, 이러한 원리의 센서로서의 이용 가능성을 확인할 수 있다.
상기와 같이 구성되고 동작하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서는, 모세 유리관 부분이 측정 부위로서 강구조물이나 복합재료구조물 등의 측정 대상물의 표면에 부착되거나 복합재료구조물의 내부에 삽입된다. 이때, 외부 하중 등에 의해 측정 대상물이 변형되면 이 변형은 모세 유리관(12)에 전달되어 모세 유리관이 길이 방향으로 변형되고 간극길이가 변화한다. 이러한 간극길이의 변화는 광원 파장의 1/2 파장을 갖는 사인파 형태의 출력 광신호 간섭 프린지 최고점과 최저점 발생횟수를 확인할 때 광원 파장의 1/4의 분해능으로 측정이 가능하다.
광섬유 센서의 출력신호는 도 3에 도시된 바와 같다. 즉, 측정 대상물의 변형에 의한 간극길이의 변화에 대해 파장이 일정한 간섭 프린지가 발생한다. 이때, 측정 대상물이 인장 방향으로 변형될 때에는 공기간극 길이가 길어지면서 광 손실이 커지며 광신호의 크기가 선형적으로 감소하고, 측정 대상물이 압축 방향으로 변형될 때에는 공기간극 길이가 짧아져서 광 손실이 작아지면서 광신호의 크기가 감소한다. 이러한 광신호의 변화 경향과 함께 간섭 프린지를 이용하면 측정 대상물의 변형 방향(인장 또는 압축)과 변형 크기를 측정할 수 있다.
상기와 같이 측정된 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서의 출력신호는,마르쿠스에 의해 제안된 전파 광의 가우시안 근사와 중복적분을 이용한 두 단일모드 광섬유간의 광 손실 해석방법을 적용하여 해석할 수 있다. 이 광섬유 센서에서 광섬유의 간극길이(s) 변화에 의해 발생하는 광 손실은 레일레이(Rayleigh) 거리를 xR이라 할 때, 수학식 3과 같이 두 광섬유 간의 결합효율 η(s)과의 관계로 표현된다.
이를 이용하여 간극길이(s)에 의해서 두 광 경로의 간섭으로 나타나는 광섬유 센서의 출력신호는 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.
여기서, T(s)는 광 손실이 전혀 없을 때의 광 강도와 광 손실이 나타날 때의 광 강도와의 비를 나타내는 투과율이며, t1은 광섬유에서 공기로 광이 투과될 때의 투과계수, t2는 공기에서 광섬유로 광이 투과될 때의 투과계수, r은 반사계수이다.
도 4는 1315㎚ 파장의 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 경우, 유리 모세관에 삽입하지 않은 코어직경 7.9㎛인 두 단일모드 광섬유의 축을 정렬한 후 사이의 간극을 변화하였을 때 출력 신호를 도시한 그래프도이다. 이때, 본 발명에 따른 해석결과(41)는 실험결과(42)에 근접하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 58∼88㎛ 정도의 간극길이에서 간섭 프린지의 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 광신호 수준의 변화율과 간섭 프린지의 진폭이 크게 나타나는 것도 알 수 있으며, 이로부터 센서의 간극길이를 이 범위 내에서 제작하였을 때 측정이 효과적임을 알 수 있다.
도 2의 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서에서, 모세 유리관(25) 내에서 고정되지 않은 단일모드 광섬유(24, 26) 부분과 간극길이(s) 만큼이 측정 대상물으로부터 변형을 감지할 수 있는 측정길이(Lgauge)에 해당한다. 본 발명에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 측정 대상물의 변형률(ε)의 측정은 측정길이(Lgauge)에 대한 간극길이(s)의 변화량의 비로 나타낼 수 있다. 측정 시 출력신호에서 관찰되는 간섭 프린지의 최고점과 최저점 발생횟수를 n이라고 할 때, 변형률(ε)은 수학식 5와 같이 표현된다. 이때, 광섬유 센서의 변형률 측정에 대한 분해능은 λ/4Lgauge로 표현되며, 측정길이(Lgauge)가 길어질수록 높아지게 된다.
상기와 같이 구성되고 작동하는 본 발명에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서의 변형률 측정에 대한 성능을 확인하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 시편에 적용하여 실험하였다.
측정 대상물인 알루미늄 합금 시편(51)에 광섬유 센서(52)를 표면 부착한 후 인장 실험을 수행하여 상용 저항형 스트레인게이지(53)와 그 결과를 비교하였다. 이때, 광섬유 센서는 피복직경 250㎛, 클래딩직경 125㎛, 코어직경 7.9㎛ 그리고 개구수(NA) 0.1인 단일모드 광섬유와, 외경 300㎛ 정도, 내경 130㎛ 정도의 석영유리 모세관을 이용하여 제작하였으며, 단일모드 광섬유와 모세관의 고정은 에폭시 접착제(54)를 이용하였다. 광섬유 센서(52)와 스트레인게이지(54)는 도 5와 같이 합금 시편(51)의 반대편 같은 위치에 부착하였다. 이 광섬유 센서에는 1315㎚ 파장의 레이저 다이오드를 광원으로 하였고, 합금 시편(51)에 가하는 하중은 MTS시험기를 사용하여 최저점 하중을 0으로 하는 인장 방향의 삼각파 형태로 반복하였다.
합금 시편(51)의 변형에 대한 광섬유 센서(52)와 스트레인게이지(53)의 출력신호는 도 6에 도시된 그래프와 같다. 광섬유 센서의 출력신호(61)는 스트레인게이지(53)의 출력신호와 비교할 때 변형에 대해 간섭 프린지가 발생하였으며, 인장 방향에 대해서는 신호의 수준이 감소하고 압축 방향에 대해서는 증가하는 것으로 나타났다.
이러한 형태로 나타나는 광섬유 센서의 출력신호(61)를 간섭 프린지와 신호 수준 변화방향을 이용하여 변형률로 변환하면 도 7과 같은 그래프도를 얻을 수 있는 바, 본 발명에 따른 투과형 외인식 패브리-페롯 광섬유 센서의 측정값과 상용 스트레인게이지의 측정값이 잘 일치함을 확인할 수 있다. 일반적으로 변형률 값의 결정시 간섭프린지의 최고점과 최저점 발생횟수를 이용하지만, 광섬유 절단면에서반사율이 0.035 정도여서 수학식 6과 같이 정의되는 정밀도(finesse) 값이 작기 때문에 센서 출력신호는 정현파에 가까워서 간섭프린지의 위상을 구별, 분해능을 증가 시킬 수도 있다.
변형률 측정 시 온도변화에 의해 발생하는 열팽창의 보상은 수학식 7의 식을 이용한다. 즉, 측정 대상물의 표면에 부착된 본 광섬유 센서의 변형률과 온도에 대한 위상 변화는 아래의 수학식 7과 같다.
이때, 위상(ψ)은 간극길이(s)와 ψ = 2ks의 관계가 있으며, 광섬유 센서의 크기가 측정대상에 비해, 그리고 간극길이(s)가 측정 길이(ℓ)에 비해 매우 작을 경우 위상 변화는 수학식 8과 같이 표현된다. 전파 상수(k)는 2π/λ로 나타낼 수 있으며, 측정 대상물의 변형 구간에서 간섭 프린지의 최고점과 최저점 발생횟수를 n이라고 하면, 온도 변화와 외부 하중에 의한 변형률은 수학식 8과 같이 정리할 수 있다.
여기서, α는 측정 대상물의 열팽창 계수이며, 광섬유 센서에 사용된 석영 모세 유리관(25)과 단일모드 광섬유(24,26)의 열팽창계수보다 크다. Δεstress는 외부 하중에 의한 변형률이고, 온도 변화를 별도로 측정할 수 있는 경우이거나 외부 하중이 가해지지 않는 측정 대상물과 동일한 조건에 적용한 광섬유 센서의 출력신호를 이용하면 그 값을 얻어, 온도 보상을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서는 변형률의 측정과 같은 간극길이 변화를 직접 이용하는 물리량 외에도, 상기한 온도 보상방법을 이용하여 외부 하중과 열응력이 적용되지 않는 측정 구조물의 온도 변화로 인한 열팽창을 감지함으로써 온도 측정에 적용할 수 있다.
이를 실험하기 위하여 도 8과 같이 구성한다. 온도 보상을 위한 수학식 8에서 Δεstress항이 없는 온도변화의 간섭 프린지 발생횟수와의 관계를 이용하여 온도 측정을 수행한다. 도 8을 참조하면 광섬유 센서를 외부 하중에 의한 변형이 없는 구조물에 부착한다. 알루미늄 합금 재질의 외팔보 구조물(80)의 한 쪽 표면에 광섬유 센서(81)의 온도 측정 결과를 비교하기 위하여 열전대(82)를 부착하고, 알루미늄 구조물(80)은 그리퍼(gripper)(83)를 이용하여 고정한다.
이와 같이 구성된 온도 측정 구조물(80)은 가열로 속에서 15분간 80℃로 가열된 후 냉각되며, 이때 광섬유 센서와 열전대로부터 발생하는 출력신호를 관찰한다. 도 9는 광섬유 센서와 열전대의 출력신호를 도시한 그래프도이다. 여기서, 광섬유 센서는 온도가 증가하면 신호수준이 감쇄하는 방향으로 변화하고 온도가 감소하면 신호수준이 증가하는 방향으로 변화하는 간섭 프린지를 출력한다.
이 광섬유 센서의 출력신호를 온도 변화로 변환한 후 열전대의 출력신호 즉, 실제 온도 변화와 비교하면, 도 10과 같이 잘 일치하는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명은 간극길이 변화를 직접 이용하는 구조물의 변형률을 측정하거나, 온도 보상방법을 이용하여 구조물의 온도 변화에 의한 열팽창을 감지하여 온도를 측정하는 방법만을 실시예로서 기술하였으나, 그 외에 다양한 방법을 이용하여 많은 종류의 물리량 측정에 활용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은, 투과형 구조를 갖는 외인성 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서를 이용함으로써, 측정 대상물의 변형에 의한 간극길이의 변화량에 따라 발생하는 간섭 프린지의 발생횟수를 이용하여 변형 크기를 측정하고, 간극에서의 광 퍼짐에 의한 손실 정도에 따라 발생하는 신호수준의 증가 혹은 감쇠 경향을 이용하여 변형 방향(인장 또는 압축)을 구별할 수 있다.
또한, 본 발명은 측정 대상물의 변형 크기를 측정할 때 신호 수준이 간극길이에 대응하는 크기에 따라 선형적으로 변화하기 때문에, 간섭 프린지 최고점과 최소점의 중간값 곡선을 취하면 출력신호의 신호 수준을 정량화할 수 있으며, 이를 이용한 절대 측정이 가능해진다.
또한, 본 발명은 측정 대상물의 변형 방향을 구별할 수 있기 때문에 교량이나 대형 건물, 발전 설비 등의 상시적인 건전성 감시를 보다 효과적으로 수행할 수 있으며, 특히 장기간 사용에 따른 피로 손상을 예측하는데 효율적이다. 연속적인 측정이 불가능한 상황의 측정에 대해서도 절대 측정방법을 적용하여 기준 값을 결정한 후 이에 대한 상대적인 측정을 수행, 구조물의 불연속적인 감시에도 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 모세 석영 유리관의 양 쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리관의 끝 부분에 각각 고정된 제1, 제2단일모드 광섬유와;
    상기 모세 석영 유리관에 삽입되지 않은 상기 제1단일모드 광섬유의 다른 한 끝으로 광을 조사하는 레이저기; 및
    상기 레이저기에 의해 입사되어, 상기 제1단일모드 광섬유와, 상기 제1단일모드 광섬유와 제2단일모드 광섬유 사이의 공기간극, 및 상기 제2단일모드 광섬유를 통과한 광들의 간섭 프린지를 검출하는 광 검출기를 포함하여,
    상기 모세 석영 유리관이 길이 방향으로 변형되면, 그 변형 크기 및 변형 방향에 따라 상기 공기간극의 간극길이가 변하면서 상기 간섭 프린지의 발생횟수와 신호수준 변화 경향이 가변되는 것을 특징으로 하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모세 석영 유리관이 길이 방향으로 압축 변형되면, 상기 공기간극의 간극길이가 좁아지면서 상기 간섭 프린지의 최고점과 최저점의 중간값에 해당하는 신호수준이 증가하고,
    상기 모세 석영 유리관이 길이 방향으로 신장 변형되면 상기 공기간극의 간극길이가 넓어지면서 상기 간섭 프린지의 신호수준이 감소하는 것을 특징으로 하는투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1, 제2단일모드 광섬유는 상기 모세 석영 유리관에 에폭시 접착제에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서.
  4. 공기간극의 길이 변화에 따라 발생횟수와 신호수준 변화 경향이 가변되는 간섭 프린지를 출력하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법에 있어서,
    상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서는, 모세 석영 유리관의 양 쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 상기 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리관의 끝 부분에 각각 고정된 제1, 제2단일모드 광섬유와;
    상기 모세 석영 유리관에 삽입되지 않은 상기 제1단일모드 광섬유의 다른 한 끝으로 광을 조사하는 레이저기; 및
    상기 레이저기에 의해 입사되어, 상기 제1단일모드 광섬유와, 상기 제1단일모드 광섬유와 제2단일모드 광섬유 사이의 공기간극, 및 상기 제2단일모드 광섬유를 통과한 광들의 상기 간섭 프린지를 검출하는 광 검출기를 포함하며 구성되고,
    상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법은,
    상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 측정 대상물에 부착하는 제1단계와;
    상기 측정 대상물의 변형 구간 동안에, 상기 간섭 프린지 1/2 파장 간격의 최고점과 최저점의 발생횟수(n)를 구하는 제2단계;
    상기 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준의 변화율 부호를 통해 모세 석영 유리관의 변형 방향을 판별하는 제3단계;
    상기 제3단계에서 변형 방향이 일정한 구간에서는 상기 간섭 프린지의 최고점과 최저점 발생횟수(n)와 분해능()을 아래의 식에 적용하여 변형률(ε)을 구하는 제4단계를 포함하며 이루어진 것을 특징으로 하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법.
    [ 식 ]
  5. 제4항에 있어서, 상기 제3단계는,
    상기 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준의 변화율의 부호가 양의 부호를 가지면 상기 모세 석영 유리관이 압축 방향으로 변형된 것으로 판단하고,
    상기 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준의 변화율의 부호가 음의 부호를 가지면 상기 모세 석영 유리관이 신장 방향으로 변형된 것으로 판단하는 단계인 것을 특징으로 하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법.
  6. 공기간극의 길이 변화에 따라 발생횟수와 신호수준 변화 경향이 가변되는 간섭 프린지를 출력하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 온도 측정방법에 있어서,
    상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서는, 모세 석영 유리관의 양 쪽에 각각 삽입되어, 그 사이에 상기 공기간극을 형성하면서 상기 모세 석영 유리관의 끝 부분에 각각 고정된 제1, 제2단일모드 광섬유와;
    상기 모세 석영 유리관에 삽입되지 않은 상기 제1단일모드 광섬유의 다른 한 끝으로 광을 조사하는 레이저기; 및
    상기 레이저기에 의해 입사되어, 상기 제1단일모드 광섬유와, 상기 제1단일모드 광섬유와 제2단일모드 광섬유 사이의 공기간극, 및 상기 제2단일모드 광섬유를 통과한 광들의 상기 간섭 프린지를 검출하는 광 검출기를 포함하며 구성되고,
    상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 온도 측정방법은,
    상기 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 에폭시 접착제를 이용하여 측정 대상물에 부착하는 제1단계와;
    상기 측정 대상물의 변형 구간 동안에, 상기 간섭 프린지 1/2 파장 간격의 최고점과 최저점 발생횟수(n)를 구하는 제2단계;
    상기 간섭 프린지 최고점과 최저점 중간값 곡선에 해당하는 신호수준의 변화율 부호를 통해 온도의 증감 방향을 판별하는 제3단계;
    상기 간섭 프린지의 최고점과 최저점 발생횟수(n)와, 상기 모세 석영 유리관의 선열팽창계수(αT), 상기 에폭시의 선열팽창계수(αE), 및 상기 측정 대상물의 선열팽창계수(αH)를 아래의 식에 적용하여 온도 변화량(ΔT)를 구하는 제3단계를 포함한 것을 특징으로 하는 투과형 외인성 패브리-페롯 광섬유 센서를 이용한 온도 측정방법.
    [ 식 ]
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