KR101693102B1 - 광섬유 센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 진동계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 진동계에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서는 광케이블과; 상기 광케이블로부터 인출되며 광섬유 브래그 격자(FBG: Fiber Bragg Grating)가 형성된 광섬유와; 상기 광케이블과 상기 광섬유의 일부가 삽입되어 고정되는 케이스로, 상기 광케이블을 수용하는 광케이블 수용홈과, 상기 광케이블 수용홈으로부터 연장되어 상기 광섬유를 수용하는 광섬유 수용홀과, 상기 광섬유 수용홀로 액상의 코팅제가 침투되도록 외측으로부터 상기 광섬유 수용홀과 연통되는 코팅제 유입홀을 포함하는 몰드 하우징과; 상기 광섬유 수용홀과 상기 코팅제 유입홀을 충진하며, 상기 광섬유 브래그 격자를 포함하는 광섬유의 외주 및 상기 몰드 하우징의 표면에 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 진동계{OPTICAL FIBER SENSOR, METHOD FOR FABRICATION THE SAME AND VIBROMETER USING THE OPTICAL FIBER SENSOR}

본 발명은 정밀 기계나 장비 등의 진동을 감지하는 진동계에 관한 것으로, 특히 FBG(Fiber Bragg Grating) 특성을 이용하여 진동을 감지하는 광섬유 센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 진동계에 관한 것이다.

일반적으로, 기계의 진동을 감지하는 진동계는 피에조 또는 진동소자를 이용하는 기계적인 방식으로 제한적인 공간활용과 주변 환경적인 요인(전자파, 전기적인 노이즈) 등으로 인해 오작동이 발생하며 부피나 무게도 제한적인 구조로 되어 있어 고속, 정밀을 요하는 기계설비에 장착이 곤란한 문제점이 있었다.

한편, 최근 광섬유를 이용한 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서 방식이 대안으로 연구 개발이 진행되고 있다.

FBG 센서는 광섬유 센서에 빛을 투과하여 빛의 반사/굴절/회절/투과 등을 이용한 센서로서, 파장이동이 가능한 레이저 광원과, 써큘레이터(circulator), 광섬유 브래그 격자와 반사판으로 이루어진 탐촉자와, 반사되어 되돌아오는 빛을 수신하기 위한 광수신부를 구비한다.

도 1은 광원과 브래그 격자의 파장 스펙트럼을 나타낸 도면이고, 도 2는 광섬유 센서의 진동 센싱 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 탐촉자가 횡방향으로 진동하게 되면 브래그 격자는 휘어지게 되며, 휘어짐에 비례하여 브래그 파장이 변동되고 브래그 격자에서 반사되는 반사광의 크기도 도 2에서와 같이 광원의 중심파장이 브래그 격자의 파장 스펙트럼의 경사진 부분에 위치하고 있으므로 변동될 것이다.

실험 시 탐촉자에 자극이 주어지면 브래그 격자의 중심파장이 이동하게 된다. 그러면 진동을 센싱하기 위하여 광원의 파장은 도 2와 같이 브래그 파장의 경사진 부분에 위치하도록 파장을 이동시켜야하며 이러한 광원 파장의 이동은 레이저 다이오드의 구동전류(operating current)와 설정 온도에 비례하여 이루어진다.

이러한 광섬유 센서는 고유한 파장 값을 가지며, 전자기파의 영향을 받지 않는 등 물리적인 특성이 우수하여 기존의 전기식 게이지를 대체해 가고 있는 우수한 물리량 측정소자로서, 현재 그 활용범위가 급속도로 증대되고 있다.

광섬유 센서는 단위면적당 인장력이 매우 높은 것에 비해 지름이 125㎛ 정도로 매우 작기 때문에 외부의 충격에 쉽게 파단 될 수 있어 피측정물에 부착 시 매우 섬세한 작업이 요구된다.

또한, 광섬유 센서 설치시 적당한 인장력을 갖도록 팽팽하게 당겨진 상태로 설치되어야만 정확한 값을 측정할 수 있으나 기존에는 마땅한 광섬유 센서용 하우징이 없어 현장에서 직접 전문가가 일일이 그 값을 설정해야 하는 시공상의 어려움이 있다.

종래에는 이러한 광섬유 센서 설치 시 피측정물에 직접 접착제로 부착하여 사용하거나, 각 사용자가 임의의 형태로 고정편을 제작하여 설치하였으며, 각종 외부요인, 예를 들어, 비, 바람, 온도 등의 외부 환경요인이나 곤충이나 동물 등의 외부충격에 광섬유 센서가 노출되어 있었다.

이에 따라 광섬유 센서는 신호가 불안정하게 되고, 잘못된 변형 값이 측정될 뿐만 아니라 공기 중에 포함된 수분이 온도차에 의한 응결로 인하여 광섬유와 물리적 반응을 일으켜 물성이 저하되고, 심지어 균열로 인해 광섬유가 파단되는 현상이 생기기도 한다. 이에 따라 종래에는 정밀 기계장비의 상시감시와 계측시스템을 유지 보수하는 데에 많은 어려움이 있었다.

대한민국 공개특허 10-2012-0004817(2012.1.13. 공개)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 일반적인 목적은 종래 기술에서의 한계와 단점에 의해 발생하는 다양한 문제점을 실질적으로 보완할 수 있는 광섬유 센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 진동계를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 보다 구체적인 다른 목적은 외부 환경요인의 영향을 최소화하고 안정적인 장치구현이 가능한 광섬유 센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 진동계를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 보다 구체적인 다른 목적은 +++ 광섬유 센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 진동계를 제공하기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서는 광케이블과; 상기 광케이블로부터 인출되며 광섬유 브래그 격자(FBG: Fiber Bragg Grating)가 형성된 광섬유와; 상기 광케이블과 상기 광섬유의 일부가 삽입되어 고정되는 케이스로, 상기 광케이블을 수용하는 광케이블 수용홈과, 상기 광케이블 수용홈으로부터 연장되어 상기 광섬유를 수용하는 광섬유 수용홀과, 상기 광섬유 수용홀로 액상의 코팅제가 침투되도록 외측으로부터 상기 광섬유 수용홀과 연통되는 코팅제 유입홀을 포함하는 몰드 하우징과; 상기 광섬유 수용홀과 상기 코팅제 유입홀을 충진하며, 상기 광섬유 브래그 격자를 포함하는 광섬유의 외주 및 상기 몰드 하우징의 표면에 형성된 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서에서, 상기 광섬유는 단일 파장을 반사하도록 하나의 FBG가 형성된 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서에서, 상기 몰드 하우징은 상기 광케이블 수용홈 외측에 구비되며, 나사산을 갖는 고정부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서를 이용한 진동계는 소정 파장의 빛을 발생하는 광원과; 광섬유 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating)을 포함하며, 특정 파장(bragg 파장)의 광을 선택적으로 반사하고 그 외 파장은 투과시키는 광섬유 센서와; 상기 광섬유 센서로부터 반사된 반사광의 피크 지점 및 광량 데이터로부터 반사광의 파장을 산출하며, 산출된 파장값으로부터 상기 광섬유 센서에서 발생한 진동 변화량을 산출하고 이를 통해 감지된 진동값을 산출하는 신호처리부; 및 상기 광원에서 발생된 광을 상기 광섬유 센서로 제공하며, 상기 광섬유 센서에 의해 반사된 광을 상기 신호처리부로 제공하는 써큘레이터를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서를 이용한 진동계에서, 상기 광섬유 센서는 광케이블과; 상기 광케이블로부터 인출되며 광섬유 브래그 격자(FBG: Fiber Bragg Grating)가 형성된 광섬유와; 상기 광케이블과 상기 광섬유의 일부가 삽입되어 고정되는 케이스로, 상기 광케이블을 수용하는 광케이블 수용홈과, 상기 광케이블 수용홈으로부터 연장되어 상기 광섬유를 수용하는 광섬유 수용홀과, 상기 광섬유 수용홀로 액상의 코팅제가 침투되도록 외측으로부터 상기 광섬유 수용홀과 연통되는 코팅제 유입홀을 포함하는 몰드 하우징과; 상기 광섬유 수용홀과 상기 코팅제 유입홀을 충진하며, 상기 광섬유 브래그 격자를 포함하는 광섬유의 외주 및 상기 몰드 하우징의 표면에 형성된 코팅층을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 제조방법은 광섬유 브래그 격자 부위가 노출되도록 광섬유가 인출된 광케이블을 몰드 하우징에 삽입하여 고정하는 과정과; 상기 광섬유가 삽입된 몰드 하우징을 성형 몰드와 조립하되 상기 성형 몰드의 일측 단부에 위치한 중심홀을 광섬유가 관통하도록 정렬하여 조립하는 과정과; 상기 성형 몰드의 타측 측벽에 위치한 코팅제 유입구로 코팅제를 투입하고 일정시간 경화시키는 과정과; 경화가 완료된 후 상기 몰드 하우징을 상기 성형 몰드로부터 분리하는 과정과; 상기 광섬유를 절단하여 광섬유의 길이를 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 제조방법에서, 상기 코팅제는 백금 촉매 실리콘을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 광섬유 센서 및 그 제조방법과 이를 이용한 진동계에 의하면, 광섬유 센서를 몰드 하우징에 삽입하고 표면에 코팅층을 형성함으로써 광섬유 센서가 장착되는 기계장비의 구조로 인한 설치제약이나 외부 환경적인 영향을 최소화할 수 있고, 광섬유 센서 및 진동계의 설치가 용이하다.

또한, 본 발명에 의하면 장착되는 기계장비의 진동검사시 발생하는 주파수 대역에 따라 특정 FBG의 광섬유 센서를 선택적으로 사용함으로써 정밀한 센싱이 가능하다.

도 1은 광원과 브래그 격자의 파장 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 2는 광섬유 센서의 진동 센싱 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서를 이용한 진동계의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 몰드 하우징의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7a 내지 도 7e는 도 6의 각 과정을 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 광섬유 센서의 실물사진이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 코팅층이 형성된 광섬유 센서와 종래 일반적인 코팅층이 없는 광섬유 센서의 광원의 설정조건 및 최종 출력신호의 파장을 비교하여 나타낸 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서를 이용한 진동계의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 진동계는 광원(10)과, 써큘레이터(20)와, 광섬유 센서(100)와, 신호처리부(30)를 포함한다.

상기 광원(10)은 소정 파장의 빛을 발생하며 레이저 다이오드 등으로 구현할 수 있다.

상기 써큘레이터(20)는 광원(10)에서 발생된 광을 광섬유 센서(100)로 제공하며, 광섬유 센서(100)에 의해 반사된 광을 신호처리부(30)로 제공한다.

상기 광섬유 센서(100)는 광섬유의 코어부의 굴절률을 일정 주기로 변화시킨 광섬유 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating)을 포함하며, 특정 파장(bragg 파장)의 광을 선택적으로 반사하고 그 외 파장은 투과시킨다. 광섬유 센서(100)의 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다.

상기 신호처리부(30)는 포토다이오드가 구비된 광검출부(photo detector)를 포함하며, 광섬유 센서(100)에서 반사된 특정파장의 반사광이 포토다이오드로 전달되도록 한다. 포토다이오드는 입사된 반사광의 광량을 측정하여 출력하며, 미분기 및 비교기를 통해 반사광의 피크 지점과 이 피크 지점에서의 광량을 산출한다. 신호처리부(30)는 산출된 반사광의 피크 지점 및 광량 데이터로부터 반사광의 파장을 산출하며, 물리적 진동 변화량에 따라 반사광의 파장이 달라지므로 산출된 파장값으로부터 광섬유 센서(100)에서 발생한 진동 변화량을 산출하고 이를 통해 감지된 진동값을 정확하게 산출할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 구성을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 광섬유 센서(100)는 광케이블(110)과, 상기 광케이블로부터 인출되며 브래그 격자(125)가 형성된 광섬유(120)와, 몰드 하우징(130)과, 코팅층(140)을 포함한다.

상기 몰드 하우징(130)은 광케이블(110)과 광섬유(120)의 일부가 삽입되어 고정되는 케이스로, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이 일측 단부가 유선형이다. 상기 몰드 하우징(130)은 타측 단부 중심부에 형성되어 광케이블을 수용하는 광케이블 수용홈(132)과, 상기 광케이블 수용홈(132)으로부터 연장되어 몰드 하우징(130)의 유선형 단부를 관통하는 광섬유 수용홀(134)을 포함한다.

또한, 상기 몰드 하우징(130)은 광섬유 수용홀(134)로 액상의 코팅제가 침투되도록 몰드 하우징의 외측으로부터 광섬유 수용홀과 연통되는 코팅제 유입홀(136)을 포함한다.

또한, 상기 몰드 하우징(130)은 몰드 하우징(130)의 타측 단부에 형성된 고정부(138)를 포함하며, 고정부(138)는 광케이블(110)과 광섬유(120)를 고정하기 위한 것이다. 여기서, 고정부(138)는 별도의 외장 하우징(미도시)와 나사결합 가능하도록 나사산(139)이 형성될 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 상기 코팅층(140)은 외부 환경적인 요인으로부터 광섬유 센서를 보호하기 위한 것으로 광섬유(120)의 외주 및 몰드 하우징(130)의 표면에 일정 두께로 형성된다. 여기서, 코팅층(140)은 몰드 하우징(130) 내에 삽입된 부분의 광섬유 외주에도 형성되어 광섬유(120)가 몰드 하우징(130)에 안정적으로 수용되도록 한다. 다만, 코팅층(140)은 몰드 하우징(130)의 고정부(138) 표면에는 형성되지 않는 것이 바람직하다.

상기 코팅층(140)은 예를 들어, 백금 촉매 실리콘 코팅층으로 이루어지며, 백금 촉매 실리콘 코팅층은 백금 촉매 실리콘 액체를 주제로 하여 경화제와 50:50으로 혼합한 후 성형 몰드 속으로 투입하고 1~2시간 경화시킴으로써 예정된 형태로 형성될 수 있다.

전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서의 제조방법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 7a 내지 도 7e는 도 6의 각 과정을 구체적으로 나타낸 도면이고, 도 8은 도 6의 과정에 따라 제조된 광섬유 센서의 실물사진이다.

먼저, 도 6 및 도 7a에 도시된 바와 같이 브래그 격자(125) 부위가 노출되도록 광섬유(120)가 인출된 광케이블(110)을 몰드 하우징(130)에 삽입하여 고정한다(S1001). 이때, 몰드 하우징(130)에 삽입된 광케이블(110)과 광케이블 수용홈(132) 사이에 접착제를 도포하여 고정하며, 고정시 코팅제가 투입될 코팅제 유입홀(136)이 막히지 않도록 한다.

다음으로, 도 6 및 도 7b에 도시된 바와 같이 광섬유(120)가 삽입된 몰드 하우징(130)을 성형 몰드와 조립한다(S1002). 이때, 성형 몰드의 일측 단부에 위치한 중심홀을 광섬유가 관통하도록 정렬하며, 이에 따라 광섬유의 중심을 유지할 수 있다.

다음으로, 도 6 및 도 7c에 도시된 바와 같이 성형 몰드의 타측 측벽에 위치한 코팅제 유입구로 코팅제를 투입하고 일정시간 경화시킨다(S1003). 이때, 코팅제는 예를 들어, 백금 촉매 실리콘 용액을 주제로 하여 경화제와 50:50의 비율로 혼합한 용액이며, 코팅제 투입은 디스펜서 장치를 이용할 수 있다. 이때, 도 7c에 도시된 바와 같이 몰드 하우징의 외측으로부터 광섬유 수용홀과 연통되는 코팅제 유입홀로 코팅제가 유입되어 모드 하우징 내부가 코팅제로 충진된다.

다음으로, 도 6 및 도 7d에 도시된 바와 같이 경화가 완료된 후 몰드 하우징을 성형 몰드로부터 분리시킨다(S1004).

다음으로, 도 6 및 도 7e에 도시된 바와 같이 불필요한 부분의 광섬유를 절단하여 광섬유의 길이를 조절한다(S1005). 이와 같이 광섬유의 길이를 조절함으로써 FBG 민감도 조절이 가능하며, 고속으로 움직임이 큰 로봇이나 제자리에서 정숙하게 회전하는 모터 등 다양한 기계장비에 폭 넓게 적용할 수 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 코팅층이 형성된 광섬유 센서와 종래 일반적인 코팅층이 없는 광섬유 센서의 광원의 설정조건 및 최종 출력신호의 파장을 비교하여 나타낸 도면으로, 코팅층이 형성된 광섬유 센서가 코팅층이 없는 광섬유 센서에 비해 광원(레이저 다이오드)의 구동전류와 설정온도가 낮아진 것을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면 광섬유 센서를 몰드 하우징에 삽입한 다음 표면에 코팅층을 형성함으로써 광섬유 센서가 장착되는 기계장비의 구조로 인한 설치제약이나 외부 환경적인 영향을 최소화할 수 있고, 광섬유 센서 및 진동계의 설치가 용이하다.

또한, 본 발명에 의하면 장착되는 기계장비의 진동검사시 발생하는 주파수 대역에 따라 특정 FBG의 광섬유 센서를 선택적으로 사용함으로써 정밀한 센싱이 가능하다.

한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 예를 들면, 몰드 하우징의 형상, 광섬유의 길이, 코팅층의 두께 등을 가변할 수 있다.

따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 광원 20 : 써큘레이터
30 : 신호처리부 100 : 광섬유 센서
110 : 광케이블 120 : 광섬유
125 : 브래그 격자 130 : 몰드 하우징
132 : 광케이블 수용홈 134 : 광섬유 수용홀
136 : 코팅제 유입홀 138 : 고정부
140 : 코팅층

Claims (7)

1. 광케이블;
   상기 광케이블로부터 인출되며 광섬유 브래그 격자(FBG: Fiber Bragg Grating)가 형성된 광섬유;
   상기 광케이블과 상기 광섬유의 일부가 삽입되어 고정되는 케이스로, 상기 광케이블을 수용하는 광케이블 수용홈, 상기 광케이블 수용홈으로부터 연장되어 상기 광섬유를 수용하는 광섬유 수용홀, 상기 광섬유 수용홀로 액상의 코팅제가 침투되도록 외측으로부터 상기 광섬유 수용홀과 연통되는 코팅제 유입홀, 및 상기 광케이블 수용홈의 외측에 구비되며 나사산을 갖는 고정부를 포함하는 몰드 하우징; 및
   상기 광섬유 수용홀과 상기 코팅제 유입홀을 충진하며, 상기 광섬유 브래그 격자를 포함하는 상기 광섬유의 외주 및 상기 고정부 부위를 제외한 상기 몰드 하우징의 표면에 일정 두께로 형성된 백금 촉매 실리콘 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광섬유는
   단일 파장을 반사하도록 하나의 FBG가 형성된 것임을 특징으로 하는 광섬유 센서.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 광섬유 브래그 격자 부위가 노출되도록 광섬유가 인출된 광케이블을 몰드 하우징에 삽입하여 고정하는 과정과;
   상기 광섬유가 삽입된 몰드 하우징을 성형 몰드와 조립하되 상기 성형 몰드의 일측 단부에 위치한 중심홀을 광섬유가 관통하도록 정렬하여 조립하는 과정과;
   상기 성형 몰드의 타측 측벽에 위치한 코팅제 유입구로 백금 촉매 실리콘을 포함하는 물질로 이루어진 코팅제를 투입하고 일정 시간 경화시켜 상기 광섬유의 외주 및 상기 고정부 부위를 제외한 상기 몰드 하우징의 표면에 백금 촉매 실리콘 코팅층을 일정 두께로 형성하는 과정과;
   경화가 완료된 후 상기 몰드 하우징을 상기 성형 몰드로부터 분리하는 과정과;
   상기 광섬유를 절단하여 상기 광섬유의 길이를 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서의 제조방법.
7. 삭제

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