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KR101113778B1 - 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자, 광섬유 센서 시스템 및 그 시스템의 센싱방법 - Google Patents

브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자, 광섬유 센서 시스템 및 그 시스템의 센싱방법 Download PDF

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KR101113778B1
KR101113778B1 KR1020090097618A KR20090097618A KR101113778B1 KR 101113778 B1 KR101113778 B1 KR 101113778B1 KR 1020090097618 A KR1020090097618 A KR 1020090097618A KR 20090097618 A KR20090097618 A KR 20090097618A KR 101113778 B1 KR101113778 B1 KR 101113778B1
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bragg grating
light
interference
bragg
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권일범
서대철
윤동진
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 하나의 광섬유 센서로 피측정물의 온도 및 하중을 모두 고려한 변형률을 도출함으로써 좀 더 정확한 변형률을 측정할 수 있는 효과가 있다. 이를 위해 특히, 소정 부위에 브래그 격자(312)가 새겨져 내부에서 전반사로 진행하는 빛 중 브래그 파장대 빛을 반사시키며, 출입하는 열에너지에 기초하여 브래그 파장대 빛의 파장대역이 가역적으로 변하는 단일의 광섬유(300); 및 브래그 격자(312)의 일 방향으로 일정 거리 이격되어 광섬유(300)에 설치되고, 브래그 격자(312)에서 반사되는 브래그 파장대 빛과 브래그 격자(312)를 통과한 투과 빛의 간섭을 유도하기 위해 투과 빛을 반사시키는 미러(314);를 포함하고, 이격된 일정 거리만큼의 광섬유 부분을 피측정물(350)의 변형률 측정을 위한 광섬유 본딩부로 갖는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자가 개시된다.
광섬유 브래그 격자 센서, 패브리 패로 간섭 센서, 센서 탐촉자, 브래그 격자, 광 커플러, 광스펙트럼 분석기, 구조 변형률

Description

브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자, 광섬유 센서 시스템 및 그 시스템의 센싱방법{PROBE USING BRAGG GRATING AND FABRY PEROT INTERFEROMETER, FIBER SENSOR SYSTEM AND SENSING METHOD THEREOF}
본발명은 광섬유 브래그 격자(FBG, Fiber Bragg Grating) 센서와 패브리 패로 간섭계(FPI, Fiber optic Fabry Perot Interferometer) 센서에 의한 피측정물의 변형률을 측정하기 위한 것이다. 보다 상세하게는 단일의 광섬유에 브래그 격자와 간섭을 위한 미러를 일체화하여 온도 및 하중에 의한 구조물의 변형률을 보다 정확하게 측정하기 위한 광섬유 센서 탐촉자, 광섬유 센서 시스템 및 그 시스템의 센싱방법에 관한 것이다.
교량이나 건물 등과 같은 대형 구조물의 경우 시간이 지나게 되면서 노후가 일어나게 되므로 구조물의 감시와 보수점검이 필수적이다. 현재 건축물이 받는 하중이나 변형정도를 측정하는데 전자식 변형률 게이지(예: 스트레인 게이지)를 많이 사용하고 있다. 전자식 변형률 게이지의 경우는 감도가 매우 뛰어나고 오랜 기간 사용이 되어왔기 때문에 신뢰도 또한 높다. 하지만 이 센서는 전자파에 매우 취약하다는 단점이 있다. 한 예로 한강대교에 설치된 전자식 변형률 게이지가 낙뢰에 의해 전부 장애가 발생한 것은 이러한 단점을 극명하게 보여주는 것이라 할 수 있다.
이러한 전자파의 단점을 극복하기 위해서 전자파의 영향을 받지 않는 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서를 이용하려는 움직임이 많다. 하지만 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서는 온도의 영향을 많이 받는다는 단점이 있다. 항상 외부의 온도와 기후에 노출되어 있는 건축물에 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서를 설치하기 위해선 온도에 따른 신호의 변화를 보정해줄 필요가 있다.
도 1은 종래의 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 구성 및 탐촉자의 격자 부분을 간략하게 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서는 광원(130), 센서 탐촉자(110), 교차연결수단(120) 및 광스펙트럼 분석기(140)로 구성되며, 이들은 단일의 광섬유(100)로 연결되어 있다. 여기서 센서 탐촉자(110)의 브래그 격자(112) 부분은 부분 확대된 도면에서 알 수 있듯이, 소정 길이(d)만큼 브래그 격자가 새겨져 있으며 광원에서 단일의 광섬유(100)를 통해 브래그 격자(112)에 조사되고 반사되는 반사빛의 브래그 파장을 측정하여 그 브래그 파장의 변화에 기한 피측정물(예: 교량이나 건물 등과 같은 대형 구조물)의 변형정도를 알 수 있다.
광섬유 브래그 격자(112), 즉 FBG를 사용하여 변형률 또는 온도를 측정하기 위한 브래그 조건에 대한 식을 쓰면 다음과 같다.
Figure 112009062896116-pat00001
여기서
Figure 112009062896116-pat00002
는 브래그 파장,
Figure 112009062896116-pat00003
는 유효 굴절률,
Figure 112009062896116-pat00004
는 격자 간격이다.
[수학식 1]에서 볼 수 있듯이 격자에서 반사되는 빛의 브래그 파장(
Figure 112009062896116-pat00005
)은 유효 굴절률(
Figure 112009062896116-pat00006
)과 격자 간격(
Figure 112009062896116-pat00007
)의 함수이다. 따라서 광섬유 격자에 온도나 변형률 등의 외부 물리량을 가할 경우 이들 값이 변하여 브래그 파장은 달라진다. 브래그 파장(
Figure 112009062896116-pat00008
)의 변화를 정밀하게 측정한다면 광섬유 격자(112)에 가해진 미지의 물리량(온도, 변형률)을 [수학식 2]를 통하여 역으로 계산할 수 있으며, 이것이 광섬유 격자가 센서로 사용될 수 있는 기본 원리이다.
Figure 112009062896116-pat00009
Figure 112009062896116-pat00010
여기서
Figure 112009062896116-pat00011
는 브래그 파장의 변화량,
Figure 112009062896116-pat00012
는 온도변화량,
Figure 112009062896116-pat00013
는 변형률의 변화값,
Figure 112009062896116-pat00014
및
Figure 112009062896116-pat00015
는 상수이다.
[수학식 2]에서 알 수 있듯이 브래그 격자 센서는 온도와 변형률의 영향을 모두 받는다. 따라서 온도의 변화가 있는 환경에서 하나의 브래그 격자 센서만으로는 정확한 변형률 값을 얻기 어렵다. 따라서 순수한 변형률 변화량만을 얻기 위해서는 온도의 변화에 따른 브래그 파장의 변화를 보정해줄 수 있는 또 하나의 정보 가 필요한 것이다.
따라서 온도 변화가 있는 상황에서도 FBG 센서를 유용하게 활용하여 오히려 변형률 측정의 정확성을 높이는 새로운 변형률 감지 센서 연구의 필요성이 대두된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 필요에 의하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 하나의 광섬유 센서로 피측정물의 온도 및 하중을 모두 고려한 변형률을 도출하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자, 광섬유 센서 시스템 및 그 시스템의 센싱방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 단일의 광섬유에 브래그 격자를 새겨 온도 측정을 위한 센서로 사용함과 동시에 가간섭의 일정 거리를 두고 미러를 설치하여 변형률을 측정하는 패브리 패로 간섭 센서로 사용할 수 있도록 하는 일체형 센서를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 소정 부위에 브래그 격자(312)가 새겨져 내부에서 전반사로 진행하는 빛 중 브래그 파장대 빛을 반사시키며, 출입하는 열에너지에 기초하여 브래그 파장대 빛의 파장대역이 가역적으로 변하는 단일의 광섬유(300); 및 브래그 격자(312)의 일 방향으로 일정 거리 이격되어 광섬유(300)에 설치되고, 브래그 격자(312)에서 반사되는 브래그 파장대 빛과 브래그 격자(312)를 통과한 투과 빛의 간섭을 유도하기 위해 투과 빛을 반사시키는 미러(314);를 포함하고, 이격된 일정 거리만큼의 광섬유 부분을 피측정물(350)의 변형률 측정을 위한 광섬유 본딩부로 갖는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자를 제공함으로써 달성될 수 있다.
또한 이격된 일정 거리(d)는, 피측정물의 변형률의 정확도 조절을 위해 가변 가능한 것이 바람직하다.
또한 단일의 광섬유(300)의 일부 및 미러(314)를 내부에 가두고 피측정물(350)의 표면에 접착 가능한 패키징(315)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
여기서 패키징(315)은, 브래그 격자(312)가 새겨진 부위가 피측정물(350) 표면에 접하도록 피측정물(350) 표면을 향해 개방되고, 피측정물(350)과의 접착면 측의 내면에 광섬유 본딩부가 고정되도록 고정수단을 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 목적은, 광대역 파장대의 빛을 조사하는 광원(330); 소정 부위에 브래그 격자(312)가 새겨져 내부에서 전반사로 진행하는 조사 빛 중 브래그 파장대 빛을 반사시키며, 출입하는 열에너지에 기초하여 브래그 파장대 빛의 파장대역이 가역적으로 변하는 단일의 광섬유(300); 및 브래그 격자의 일 방향으로 일정 거리(d) 이격되어 광섬유(300)에 설치되고, 브래그 격자(312)에서 반사되는 브래그 파장대 빛과 브래그 격자(312)를 통과한 투과 빛의 간섭을 유도하기 위해 투과 빛을 반사시키는 미러(314);로 구성되는 광섬유 센서 탐촉자(310); 브래그 격자(312)로부터 반사된 제 1반사빛 및 미러(314)로부터 반사된 제 2반사빛의 상호 간섭으로 생성되는 혼합 빛과 광원(330)에서 조사되는 조사 빛을 결합하고 혼합 빛과 조사 빛에 대응하는 각각의 전기신호를 출력하는 교차연결수단(320); 및 혼합 빛에 대응하는 전기신호를 수신하여 혼합 빛을 분석하고 피측정물(350)의 온도 및 하중에 기초한 변형률을 산출하는 광스펙트럼 분석기(340);를 포함하고, 광섬유 센서 탐촉자(310)는 이격된 일정 거리(d)만큼의 광섬유 부분을 피측정물(350)의 하중 에 기초한 변형률 측정을 위한 광섬유 본딩부로 갖는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템을 제공함으로써 달성될 수 있다.
그리고 광원(330)은 발광다이오드 또는 비동기 자발 발광원(Asyncronous Spontaneous Emission Source)인 것이 바람직하다.
또한 광섬유 센서 탐촉자(310)는, 단일의 광섬유(300) 및 미러(314)를 내부에 가두고 피측정물의 표면에 접착 가능한 패키징(315)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 교차연결수단(320)은 옵티컬 커플러인 것이 바람직하다.
또한 이격된 일정 거리(d)는 가간섭 길이 이하로서, 다음의 수학식
Figure 112009062896116-pat00016
(
Figure 112009062896116-pat00017
Figure 112009062896116-pat00018
는 광원의 조사 빛의 스펙트럼 선폭이고,
Figure 112009062896116-pat00019
0는 광원의 기본 파장이며 n은 광섬유 코어의 유효 굴절률이며, d는 브래그 격자와 미러가 이격된 일정 거리)
에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
그리고 광스펙트럼 분석기(340)는, 다음의 수학식
Figure 112009062896116-pat00020
(
Figure 112009062896116-pat00021
는 광섬유 본딩부의 길이 변화량,
Figure 112009062896116-pat00022
는 온도에 따른 브래그 파장의 변화량,
Figure 112009062896116-pat00023
는 피측정물의 온도의 변화량,
Figure 112009062896116-pat00024
는 피측정물의 변형률이며,
Figure 112009062896116-pat00025
은 변형률-변위 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00026
는 변형률-브래그 파장 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00027
은 온도-변위 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00028
는 온도-브래그파장 변환 계수)
에 의해 온도 및 변형률을 동시에 구하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명의 목적은 다른 카테고리로서, 광원(330)으로부터 광대역 파장대의 빛이, 단일의 광섬유(300)에 새겨지고 그 새겨진 부위가 피측정물(350)에 접한 브래그 격자(312)에 조사되는 단계(S100); 조사된 빛 중 브래그 파장대 빛이 브래그 격자(312)로부터 반사되는 제 1반사단계(S110); 조사된 빛 중 브래그 격자(312)를 통과한 투과 빛이, 브래그 격자(312)로부터 일정 거리 이격되어 위치하며 피측정물(350)에 고정되는 광섬유 본딩부의 연장선에 설치된 미러(314)로부터 반사되는 제 2 반사단계(S120); 반사된 브래그 파장대 빛과 반사된 투과 빛이 상호 간섭으로 혼합 빛을 생성하는 단계(S130); 혼합 빛이 교차연결수단(320)을 통해 전기신호를 출력하는 단계(S140); 및 광스펙트럼 분석기(340)가 전기신호를 분석하여 피측정물(350)의 온도 및 하중에 기초한 변형률을 산출하는 단계(S150);를 포함하 는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템의 센싱방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.
그리고 이격된 일정 거리(d)는 가간섭 길이 이하로서, 다음의 수학식
Figure 112009062896116-pat00029
(
Figure 112009062896116-pat00030
Figure 112009062896116-pat00031
는 광원의 조사 빛의 스펙트럼 선폭이고,
Figure 112009062896116-pat00032
0는 광원의 기본 파장이며 n은 광섬유 코어의 유효 굴절률이며, d는 브래그 격자와 미러가 이격된 일정 거리)
에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
또한 변형률 산출단계(S150)는, 광스펙트럼 분석기(340)가 다음의 수학식
Figure 112009062896116-pat00033
(
Figure 112009062896116-pat00034
는 광섬유 본딩부의 길이 변화량,
Figure 112009062896116-pat00035
는 온도에 따른 브래그 파장의 변화량,
Figure 112009062896116-pat00036
는 피측정물의 온도의 변화량,
Figure 112009062896116-pat00037
는 피측정물의 변형률이며,
Figure 112009062896116-pat00038
은 변형률-변위 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00039
는 변형률-브래그 파장 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00040
은 온도-변위 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00041
는 온도-브래그파장 변환 계수)
에 의해 온도 및 변형률을 동시에 구하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 따라서, 하나의 광섬유 센서로 피측정물의 온도 및 하중을 모두 고려한 변형률을 도출함으로써 좀 더 정확한 변형률을 측정할 수 있는 효과가 있다.
게다가 광섬유 탐촉자의 길이를 조정함으로써 간섭에 따른 피크의 갯수를 변경시킬 수 있으며, 이에 의해 변형률의 정확도를 가변적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 단일의 광섬유에 브래그 격자가 새겨진 부분을 온도 측정을 위한 센서로 사용함과 동시에 가간섭의 일정 거리를 두고 미러를 설치하여 패브리 패로 간섭 센서로 사용할 수 있으므로 단일의 광섬유에 의한 일체형 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.
< 실시예 >
본 발명은 종래 광섬유 브래그 격자 센서로 피측정물의 온도를 측정함과 동시에 브래그 격자 부분과 미러를 이용하여 변형률을 측정하는 새로운 형태의 패브리 패로 간섭형 센서를 구현한 것이다. 따라서 본 발명의 이해를 돕기 위해 광섬유 패브리 패로 간섭형 센서에 대해 먼저 설명한다.
< 패브리 패로 간섭형 센서>
도 2는 광섬유 패브리 패로 간섭형(FPI) 센서의 구성 및 탐촉자의 미러 부분 을 간략하게 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광섬유 패브리 패로 간섭형(FPI) 센서는 광원(230), 센서 탐촉자(210), 교차연결수단(220) 및 광스펙트럼 분석기(240)로 구성되며, 이들은 단일의 광섬유(200)로 연결되어 있다. 여기서 센서 탐촉자(210)는 부분 확대된 도면에서 알 수 있듯이, 소정 길이(d)만큼의 미러 간격(d)을 두고 제 1미러(212)와 제 2미러(214)가 설치되어 있다. 이를 통해 광원에서 조사된 빛 중 제 1미러(212)에서 반사되는 빛과 제 2미러(214)에서 반사되는 빛이 간섭을 일으키고 간섭을 통해 미러간격(d)의 변화를 측정할 수 있다. 즉 피측정물의 변형정도를 알 수 있다.
광섬유에 입사된 빛이 센서 탐촉자의 제 1미러(212)에서 입사광의 약 30%가 반사되도록 하고 나머지 약 70%는 광섬유를 따라 다른 쪽 끝단의 광섬유 단면(제 2미러, 214)에서 다시 100%가 반사되도록 한다. 이 반사된 두 빛이 입사된 쪽으로 되돌아 나가면서 서로 위상 간섭을 일으키게 되고 두 미러(제 1미러와 제 2미러) 사이의 변형량, 즉 두 광 경로의 변화 발생량만큼 위상차를 발생하도록 하여 정현파의 광 출력 신호가 발생하도록 구성되는 것이다. 도 2에 도시된 이러한 센서 탐촉자는 외부에서 변형이 가해져 두 미러 사이의 간격 길이(d)가 변화하면 광 검출기(Photo Diode)에서 측정되는 광 출력 신호는 입력광이 두 미러 사이의 간격에서 겪게 되는 광 손실 및 간섭에 따른 효과를 갖게 된다.
도 3은 광섬유 패브리 패로 간섭형(FPI) 센서를 이용하여 센싱한 일예를 나타낸 그래프이다. 도 3의 그래프를 참조하여 패브리 패로 간섭형 센서의 간섭형태를 설명하면, 간섭 신호의 출력 강도는 [수학식 3]과 같이 나타내어지고, 간섭 신 호는 정현파 형태로 나타나며 간섭 신호의 위상(φ)은 [수학식 4]와 같이 미러 간격 길이 d에 대한 함수로 주어진다.
Figure 112009062896116-pat00042
여기서, I는 출력광의 세기, I0는 입력광의 세기, φ는 간섭 신호의 위상이다.
Figure 112009062896116-pat00043
여기서, 간섭 무늬의 위상(φ)은 패브리 패로 센서의 두 미러 사이의 간격 길이(d)에 의해 결정된다. 그러므로 다음의 [수학식 5]와 같이, 간섭 무늬의 최고점 파장들 사이의 간격으로부터 인접피크 간의 길이를 구할 수 있다.
Figure 112009062896116-pat00044
여기서,
Figure 112009062896116-pat00045
과
Figure 112009062896116-pat00046
는 위상 차이를 가지는 두 최고점의 파장이며 m은
Figure 112009062896116-pat00047
과
Figure 112009062896116-pat00048
사이에 있는 간섭 무늬 개수에서 1을 뺀 정수이다. 광섬유 패브리 패로 센서에 변형이 가해졌을 때, 변형을 가하기 전 초기의 간격 길이를 d0, 변형이 가해 진 후의 간격 길이를 dn, 그리고 변형 전후의 간격 길이의 변화량을
Figure 112009062896116-pat00049
라고 하면 광섬유 패브리 패로 센서에 의해서 측정되는 변형률
Figure 112009062896116-pat00050
는 다음 [수학식 6]에 의해 구해진다.
Figure 112009062896116-pat00051
< 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 탐촉자 및 광섬유 센서 시스템>
도 4는 본 발명의 일실시예로서 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 센서 시스템의 구성과 이에 사용되는 광섬유 센서 탐촉자(310)를 확대하여 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광섬유 센서 탐촉자(310)는 브래그 격자(312)가 새겨진 단일의 광섬유, 일정 거리 이격되어 설치되는 미러(314) 및 브래극 격자(312)와 미러(314) 사이의 본딩부로 구성된다. 그리고, 본 발명인 광섬유 센서 시스템은 광원(330), 광섬유 센서 탐촉자(310), 교차연결수단(320) 및 광스펙트럼 분석기(340)로 구성된다.
단일의 광섬유(300)는 소정 부위에 브래그 격자(312)가 새겨져 내부에서 전반사로 진행하는 빛 중 브래그 파장대 빛을 반사시키며, 출입하는 열에너지에 기초하여 브래그 파장대 빛의 파장대역이 가역적으로 변한다.
미러(314)는 브래그 격자(312)의 일 방향으로 일정 거리 이격되어 광섬유(300)에 설치되고, 브래그 격자(312)에서 반사되는 브래그 파장대 빛과 브래그 격자를 통과하여 반사되는 투과 빛의 간섭을 유도한다.
광섬유 본딩부는 단일의 광섬유(300)의 연장선상의 부분으로서 브래그 격자(312)와 미러(314) 사이의 광섬유 부분이다. 광섬유 본딩부는 피측정물의 변형률 측정을 위해 피측정물에 고정 부착된다.
광원(330)은 발광다이오드를 사용하며, 이외에도 레이져 다이오드(LD), 유기EL소자, 무기EL소자, 다파장 램프 등과 같은 발광소자가 사용될 수 있다.
교차연결수단(320)은 브래그 격자(312)로부터 반사된 제 1반사빛 및 미러(314)로부터 반사된 제 2반사빛의 상호 간섭으로 생성되는 혼합 빛을 입력받는다. 또한 광원(330)에서 조사되는 조사 빛을 입력받아 센서 입력광인 조사 빛과 센서 출력광인 혼합 빛을 결합하는 수단이 된다. 그리고 혼합 빛과 조사 빛에 대응하는 각각의 전기신호를 광스펙트럼 분석기(340)로 출력한다. 이러한 교차연결수단(320)은 옵티컬 써큘레이터 외에 옵티컬 커플러도 사용될 수 있다.
광스펙트럼 분석기(340)는 상술한 혼합 빛이 간섭으로 변화를 갖는 출력의 세기를 분석할 수 있는 수단이다. 혼합 빛에 대응하는 전기신호를 수신하여 혼합 빛을 분석하고 피측정물의 온도 및 하중에 기초한 변형률을 산출한다. 따라서 별도의 광감지수단(예: 포토 다이오드)을 갖지 않는다.
도 5는 본 발명의 일실시예인 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 센서 시스템의 센싱으로 얻은 스펙트럼 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 그래 프는 파장에 따른 출력의 세기를 나타낸 것이며,
Figure 112009062896116-pat00052
과
Figure 112009062896116-pat00053
는 브래그 파장 대역에서 프린지 패턴을 분석하기 위한 임의의 기준파장이다. 그래프에서 알 수 있듯이, 브래그 파장(
Figure 112009062896116-pat00054
)에서 큰 출력을 보임과 동시에 브래그 파장 대역에서 작은 간섭무늬의 프린지 패턴을 보임을 알 수 있다. 이는 브래그 격자에 의해 브래그 파장 대역이 큰 출력을 보이게 되고 그 중에서도 미러(314)에 의해 반사된 반사 빛이 브래그 격자(312)에서 반사된 반사 빛과 간섭을 일으키기 때문이다.
도 6a는 본 발명의 일실시예인 광섬유 센서 탐촉자가 피측정물의 표면에 부착된 상태를 나타낸 도면이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명인 탐촉자(310)는 브래그 격자(312)가 새겨진 부분을 가해진 열에 의해 변화되는 온도의 측정센서로 이용하기 때문에 피측정물(350)의 표면에 고정 부착하지 않고 접하게만 설치된다. 그리고 브래그 격자(312) 부분과 미러(314) 사이의 광섬유(광섬유 본딩부)를 테이프 등의 접착수단을 통해 피측정물의 표면에 고정 부착한다. 이렇게 설치된 상태에서 단일의 광섬유를 통해 광원(330)에서의 광대역 빛이 조사되고 브래그 격자(312) 및 미러(314) 각각에서 반사된 빛이 혼합되어 간섭을 일으키며 이를 광스펙트럼 분석기(340)를 통해 분석하여 온도 및 하중(F1, F2) 모두를 고려한 피측정물(350)의 변형률을 구할 수 있게 된다.
도 6b는 본 발명의 일실시예인 광섬유 센서 탐촉자가 패키징된 상태를 나타낸 사시도이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 광섬유 브래그 격자(312)는 주로 온도를 측정토록 하기 위해 공기중에 노출되도록 하였다. 그리고 열팽창을 고려하여 S 자 모양으로 휘어 설치된다. 광섬유 브래그 격자(312)는 피측정물(350)과 패키징 바닥 평면에서 접촉하고 있다. 패브리-패로 간섭원리를 이용하여 하중에 기초한 변형을 주로 측정하는 탐촉 부위, 즉 광섬유 본딩부는 패키징하는 재료(350)와 함께 몰딩하여 일체로 제작된다. 이렇게 제작된 패키징된 탐촉자는 피측정물(350) 위에 에폭시 수지 등의 접착제로 접착하여 사용된다. 즉 피측정물(350)이 하중을 받아서 변형이 되면 주로 미러(314)가 달려있는 패키징(315)과 일체화되어 있는 부분으로 변형이 전달되고 간섭신호에 변화를 가져오게 되는 것이다. 한편 온도가 변화하게 되면 주로 브래그 격자(312) 부분에 영향을 미쳐서 브래그 파장이 변화하게 된다.
그리고 본 발명의 광섬유 탐촉자(310)는 패키징(315) 없이도 사용 가능하지만 장기간의 사용이 가능하도록 패키징(315)을 더 포함하여 구성될 수도 있다. 패키징(315)을 사용하는 경우에는 다양한 형태로 제작될 수 있다. 그러나 기본적으로 본 발명의 목적을 달성하기 위해 브래그 격자(312)가 새겨진 부위가 피측정물(350) 표면에 단순히 접하도록 피측정물(350) 표면을 향해 개방되고, 피측정물(350)과의 접착면 측의 내면에 광섬유 본딩부가 고정되도록 몰딩하거나 고정수단(미도시)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
<광섬유 센서 시스템의 센싱방법 >
도 7은 본 발명의 일실시예를 이용하여 피측정물의 변형률을 측정하는 방법을 나타낸 순서도이다. 도 7을 참조하여, 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템의 센싱 방법에 대하여 설명한다. 우선 광원(330)으로부터 광대역 파장대의 빛이, 단일의 광섬유(300)에 새겨지고 그 새겨진 부위가 피측정물 에 접한 브래그 격자(312)에 조사된다(S100).
다음, 조사된 빛 중 브래그 파장대 빛이 브래그 격자(312)로부터 반사되는 제 1반사단계(S110)가 수행된다.
다음, 조사된 빛 중 브래그 격자를 통과한 투과 빛이, 브래그 격자(312)로부터 일정 거리 이격되어 위치하며 피측정물(350)에 고정되는 광섬유 본딩부의 연장선에 설치된 미러(314)로부터 반사되는 제 2 반사단계(S120)가 수행된다.
다음, 반사된 브래그 파장대 빛과 반사된 투과 빛이 상호 간섭으로 혼합 빛을 생성한다(S130).
다음, 혼합 빛이 교차연결수단(320)을 통해 전기신호를 출력한다(S140).
다음, 광스펙트럼 분석기(340)가 전기신호를 분석하여 피측정물(350)의 온도 및 하중에 기초한 변형률을 산출한다(S150).
여기서, 브래그 격자(312)와 미러(314)가 이격된 일정 거리(d)는 가간섭 길이 이하로서, 다음의 수학식
Figure 112009062896116-pat00055
(
Figure 112009062896116-pat00056
Figure 112009062896116-pat00057
는 광원의 조사 빛의 스펙트럼 선폭이고,
Figure 112009062896116-pat00058
0는 광원의 기본 파장이며 n은 광섬유 코어의 유효 굴절률이며, d는 브래그 격자와 미러가 이격된 일정 거 리)
에 의해 결정될 수 있다. 또한, 일정 이격 길이(d)를 변경함으로써, 즉 광섬유 탐촉자의 길이를 조절함으로써 간섭에 의한 프린지 패턴의 주기를 결정할 수 있는데 이에 의해 변형률 정확도를 가변적으로 변화시키게 된다. 예를 들어, 광원의 기본 파장은 1550 nm, 선폭은 약 0.03 nm, 광섬유의 유효 굴절률은 1.5인 경우, 이를 대입하여 풀면 가간섭 길이가 약 26.69 mm가 계산된다. 따라서 브래그 격자(312)와 미러(314) 사이의 길이(d)를 약 26 mm로 만들면 브래그 파장 대역의 파장 스펙트럼 안에 도 5의 그래프에서와 같은 간섭 프린지 패턴을 0.03 nm 간격으로 만들 수 있게 된다. 보통 브래그 격자 스페트럼 선폭은 0.3 nm 이므로 그 안에 간섭 무늬 약 10개를 만들 수 있게 되는 것이다.
여기서, 변형률 산출단계(S150)는, 광스펙트럼 분석기(340)가 다음의 수학식
Figure 112009062896116-pat00059
(
Figure 112009062896116-pat00060
는 광섬유 본딩부의 길이 변화량,
Figure 112009062896116-pat00061
는 온도에 따른 브래그 파장의 변화량,
Figure 112009062896116-pat00062
는 피측정물의 온도의 변화량,
Figure 112009062896116-pat00063
는 피측정물의 변형률이며,
Figure 112009062896116-pat00064
은 변형률-변위 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00065
는 변형률-브래그 파장 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00066
은 온도-변위 변환계수,
Figure 112009062896116-pat00067
는 온도-브래그파장 변환 계수)
에 의해 피측정물(350)의 온도 및 변형률을 동시에 구한다. 즉 광섬유의 브래그 격자 부분은 온도만 측정할 수 있게 하고, 패브리 패로 간섭 구간, 즉 일정 이격 길이(d)의 광섬유 부분에서는 하중과 온도를 동시에 받도록 하는 것이다. 따라서 피측정물의 온도가 변화됨과 동시에 하중이 가해지면 본 발명인 센서 시스템의 광스펙트럼 분석기(340)에 의해 측정하고자 하는 변형률과 온도가 상기와 같은 [수학식 8]에 의하여 구해지게 된다.
도 8a는 도 5와 같은 그래프(점선으로 표시)를 보이는 피측정물의 상태에서 열만 가한 경우의 파장에 따른 빛의 세기 변화를 얻은 그래프이며, 도 8b는 도 5와 같은 그래프(점선으로 표시)를 보이는 피측정물(350)의 상태에서 힘만 가한 경우의 파장에 따른 빛의 세기 변화를 얻은 그래프이다. 여기서,
Figure 112009062896116-pat00068
과
Figure 112009062896116-pat00069
는 프린지 패턴을 분석하기 위해 브래그 파장 대역에서 임의로 정한 기준 파장이다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 힘을 변화시키지 않고 온도만 변화되도록 열을 가하면 브래그 격자에 반사되는 브래그 파장이 변화하게 될 것이다(
Figure 112009062896116-pat00070
에서
Figure 112009062896116-pat00071
로 변화를 보임). 이때 브래그 격자에 반사된 빛과 미러에 반사된 빛의 혼합 빛이 갖는 간섭 무늬(프린지 패턴)의 간격 변화는 무시할 수 있을 정도로 작다.
그리고 도 8b에 도시된 바와 같이, 열을 가하지 않고 힘만 가한 경우에는 브래그 파장은 변하지 않지만(도 5와 동일하게
Figure 112009062896116-pat00072
값으로 일정함) 브래그 격자(312)에 반사된 빛과 미러(314)에 반사된 빛의 혼합 빛이 갖는 간섭 무늬의 파장 간격이 변경된다. 그에 따라 센서 출력으로 얻게 되는 스페트럼상의 간섭 무늬의 주기 패턴이 변경됨을 알 수 있다.
도 1은 종래의 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 구성 및 탐촉자의 격자 부분을 간략하게 나타낸 도면,
도 2는 광섬유 패브리 패로 간섭형(FPI) 센서의 구성 및 탐촉자의 미러 부분을 간략하게 나타낸 도면,
도 3은 광섬유 패브리 패로 간섭형(FPI) 센서를 이용하여 센싱한 일예를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시예로서 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 센서 시스템의 구성과 이에 사용되는 광섬유 센서 탐촉자를 확대하여 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예인 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 센서 시스템의 센싱으로 얻은 스펙트럼 그래프,
도 6a는 본 발명의 일실시예인 광섬유 센서 탐촉자가 피측정물의 표면에 부착된 상태를 나타낸 도면,
도 6b는 본 발명의 일실시예인 광섬유 센서 탐촉자가 패키징된 상태를 나타낸 사시도,
도 7은 본 발명의 일실시예를 이용하여 피측정물의 변형률을 측정하는 방법을 나타낸 순서도,
도 8a는 도 5와 같은 그래프를 보이는 피측정물의 상태에서 열만 가한 경우의 파장에 따른 빛의 세기 변화를 얻은 그래프이며,
도 8b는 도 5와 같은 그래프를 보이는 피측정물의 상태에서 힘만 가한 경우 의 파장에 따른 빛의 세기 변화를 얻은 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
L: 격자 길이, d: 브래그 격자와 미러가 이격된 일정 거리
100, 200, 300: 단일의 광섬유
110: 브래그 격자 센서 탐촉자
112, 312: 광섬유 브래그 격자
115, 215, 315: 패키징
120: 교차연결수단
130: 광원
140: 광스펙트럼 분석기
210: 패브리 패로 간섭 센서 탐촉자
212: 제 1미러
214: 제 2미러
314: 미러
350: 피측정물

Claims (13)

  1. 소정 부위에 브래그 격자(312)가 새겨져 내부에서 전반사로 진행하는 빛 중 브래그 파장대 빛을 반사시키며, 출입하는 열에너지에 기초하여 상기 브래그 파장대 빛의 파장대역이 가역적으로 변하는 단일의 광섬유(300); 및
    상기 브래그 격자(312)의 일 방향으로 일정 거리만큼 이격되어 상기 광섬유(300)에 설치되고, 상기 브래그 격자(312)에서 반사되는 상기 브래그 파장대 빛과 상기 브래그 격자(312)를 통과한 투과 빛의 간섭을 유도하기 위해 상기 투과 빛을 반사시키는 미러(314);를 포함하고,
    상기 이격된 일정 거리(d)만큼의 상기 광섬유 부분을 피측정물(350)의 변형률 측정을 위한 광섬유 본딩부로 갖는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이격된 일정 거리(d)는, 상기 피측정물의 상기 변형률의 정확도 조절을 위해 가변 가능한 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단일의 광섬유(300)의 일부 및 상기 미러(314)를 내부에 가두고 상기 피측정물(350)의 표면에 접착 가능한 패키징(315)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 패키징(315)은, 상기 브래그 격자(312)가 새겨진 상기 부위가 상기 피측정물(350) 표면에 접하도록 상기 피측정물(350) 표면을 향해 개방되고, 상기 피측정물(350)과의 접착면 측의 내면에 상기 광섬유 본딩부가 고정되도록 고정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 탐촉자.
  5. 광대역 파장대의 빛을 조사하는 광원(330);
    소정 부위에 브래그 격자(312)가 새겨져 내부에서 전반사로 진행하는 상기 조사 빛 중 브래그 파장대 빛을 반사시키며, 출입하는 열에너지에 기초하여 상기 브래그 파장대 빛의 파장대역이 가역적으로 변하는 단일의 광섬유(300); 및 상기 브래그 격자의 일 방향으로 일정 거리(d) 이격되어 상기 광섬유(300)에 설치되고, 상기 브래그 격자(312)에서 반사되는 상기 브래그 파장대 빛과 상기 브래그 격자(312)를 통과한 투과 빛의 간섭을 유도하기 위해 상기 투과 빛을 반사시키는 미러(314);로 구성되는 광섬유 센서 탐촉자(310);
    상기 브래그 격자(312)로부터 반사된 제 1반사빛 및 상기 미러(314)로부터 반사된 제 2반사빛의 상호 간섭으로 생성되는 혼합 빛과 상기 광원(330)에서 조사되는 상기 조사 빛을 결합하고 상기 혼합 빛과 상기 조사 빛에 대응하는 각각의 전기신호를 출력하는 교차연결수단(320); 및
    상기 혼합 빛에 대응하는 상기 전기신호를 수신하여 상기 혼합 빛을 분석하고 피측정물(350)의 온도 및 하중에 기초한 변형률을 산출하는 광스펙트럼 분석기(340);를 포함하고,
    상기 광섬유 센서 탐촉자(310)는 상기 이격된 일정 거리(d)만큼의 상기 광섬유 부분을, 상기 피측정물(350)의 하중에 기초한 변형률을 측정하기 위한 광섬유 본딩부로 갖는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광원(330)은 발광다이오드인 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 광섬유 센서 탐촉자(310)는, 상기 단일의 광섬유(300) 및 상기 미러(314)를 내부에 가두고 상기 피측정물의 표면에 접착 가능한 패키징(315)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 교차연결수단(320)은 옵티컬 커플러인 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 이격된 일정 거리(d)는 가간섭 길이 이하로서, 다음의 수학식
    Figure 112009062896116-pat00073
    (
    Figure 112009062896116-pat00074
    Figure 112009062896116-pat00075
    는 광원의 조사 빛의 스펙트럼 선폭이고,
    Figure 112009062896116-pat00076
    0는 광원의 기본 파장이며 n은 광섬유 코어의 유효 굴절률이며, d는 브래그 격자와 미러가 이격된 일정 거 리)
    에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 광스펙트럼 분석기(340)는, 다음의 수학식
    Figure 112009062896116-pat00077
    (
    Figure 112009062896116-pat00078
    는 광섬유 본딩부의 길이 변화량,
    Figure 112009062896116-pat00079
    는 온도에 따른 브래그 파장의 변화량,
    Figure 112009062896116-pat00080
    는 피측정물의 온도의 변화량,
    Figure 112009062896116-pat00081
    는 피측정물의 변형률이며,
    Figure 112009062896116-pat00082
    은 변형률-변위 변환계수,
    Figure 112009062896116-pat00083
    는 변형률-브래그 파장 변환계수,
    Figure 112009062896116-pat00084
    은 온도-변위 변환계수,
    Figure 112009062896116-pat00085
    는 온도-브래그파장 변환 계수)
    에 의해 상기 온도 및 상기 변형률을 동시에 구하는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템.
  11. 광원(330)으로부터 광대역 파장대의 빛이 단일의 광섬유(300)에 새겨지고 그 새겨진 부위가 피측정물(350)에 접한 브래그 격자(312)에 조사되는 단계(S100);
    상기 조사된 빛 중 브래그 파장대 빛이 상기 브래그 격자(312)로부터 반사되는 제 1반사단계(S110);
    상기 조사된 빛 중 상기 브래그 격자(312)를 통과한 투과 빛이 상기 브래그 격자(312)로부터 일정 거리 이격되어 위치하며, 상기 피측정물(350)에 고정되는 광섬유 본딩부의 연장선에 설치된 미러(314)로부터 반사되는 제 2 반사단계(S120);
    상기 반사된 브래그 파장대 빛과 상기 반사된 투과 빛이 상호 간섭으로 혼합 빛을 생성하는 단계(S130);
    상기 혼합 빛이 교차연결수단(320)을 통해 전기신호를 출력하는 단계(S140); 및
    광스펙트럼 분석기(340)가 상기 전기신호를 분석하여 상기 피측정물(350)의 온도 및 하중에 기초한 변형률을 산출하는 단계(S150);를 포함하는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템의 센싱방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 이격된 일정 거리(d)는 가간섭 길이 이하로서, 다음의 수학식
    Figure 112009062896116-pat00086
    (
    Figure 112009062896116-pat00087
    Figure 112009062896116-pat00088
    는 광원의 조사 빛의 스펙트럼 선폭이고,
    Figure 112009062896116-pat00089
    0는 광원의 기본 파장이며 n은 광섬유 코어의 유효 굴절률이며, d는 브래그 격자와 미러가 이격된 일정 거리)
    에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 브래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템의 센싱방법.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 변형률 산출단계(S150)는, 상기 광스펙트럼 분석기(340)가 다음의 수학식
    Figure 112009062896116-pat00090
    (
    Figure 112009062896116-pat00091
    는 광섬유 본딩부의 길이 변화량,
    Figure 112009062896116-pat00092
    는 온도에 따른 브래그 파장의 변화량,
    Figure 112009062896116-pat00093
    는 피측정물의 온도의 변화량,
    Figure 112009062896116-pat00094
    는 피측정물의 변형률이며,
    Figure 112009062896116-pat00095
    은 변형률-변위 변환계수,
    Figure 112009062896116-pat00096
    는 변형률-브래그 파장 변환계수,
    Figure 112009062896116-pat00097
    은 온도-변위 변환계수,
    Figure 112009062896116-pat00098
    는 온도-브래그파장 변환 계수)
    에 의해 상기 온도 및 상기 변형률을 동시에 구하는 것을 특징으로 하는 브 래그 격자 및 패브리 패로 간섭을 이용한 광섬유 센서 시스템의 센싱방법.
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