KR100726206B1 - Fiber optic two mode interferometric sensors for the detection of abnormal status and the signal processing method - Google Patents

Fiber optic two mode interferometric sensors for the detection of abnormal status and the signal processing method Download PDF

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KR100726206B1
KR100726206B1 KR1020060009433A KR20060009433A KR100726206B1 KR 100726206 B1 KR100726206 B1 KR 100726206B1 KR 1020060009433 A KR1020060009433 A KR 1020060009433A KR 20060009433 A KR20060009433 A KR 20060009433A KR 100726206 B1 KR100726206 B1 KR 100726206B1
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권일범
김치엽
서대철
황효창
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한국표준과학연구원
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Abstract

A fiber optic two mode interferometric sensor for detecting an abnormal status and a signal processing method using the same are provided to detect the abnormal status using an optical fiber sensor and an optical fiber sensor system. A fiber optic two mode interferometric sensor for detecting an abnormal status includes a melted connection part, and a signal processor. The melted connection part is aligned to a center of two cores of the optical fibers. The signal processor performs a signal processing operation. Light entered the waveguide from a laser diode enters a detection optical fiber. The signal processor obtains data from a sensor for certain time intervals. The data obtained for certain time intervals are analyzed to set an alarm level and a hazard level. Then, whether the absolute level is smaller than a reference level set by a sure is determined. When the absolute level is smaller than the reference level, it is determined that the optical fiber is cut.

Description

이상상태 검출을 위한 광섬유 이중모드 간섭형 센서와 이를 이용한 이상 탐지 신호처리 방법{Fiber Optic Two Mode Interferometric Sensors for the Detection of Abnormal Status and the Signal Processing Method}Fiber Optic Two Mode Interferometric Sensors for the Detection of Abnormal Status and the Signal Processing Method}

도 1은 광섬유 이중모드 간섭형 센서의 개념도,1 is a conceptual diagram of an optical fiber dual mode interference type sensor;

도 2는 타원형 코어 광섬유의 이중모드 패턴 개념도,2 is a conceptual diagram of a dual mode pattern of an elliptical core optical fiber,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 광섬유 이중모드 간섭형 센서의 구조도,3 is a structural diagram of an optical fiber dual mode interference type sensor according to an embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 광섬유 이중모드 간섭형 센서의 이중모드 패턴 개념도,4 is a conceptual diagram of a dual mode pattern of an optical fiber dual mode interference type sensor according to an embodiment of the present invention;

도 5는 본 발명의 다른 구현 예인 광섬유 이중모드 간섭형 센서 구조도,5 is a structural diagram of an optical fiber dual mode interference sensor as another embodiment of the present invention;

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 이상탐지 신호 추출 개념 설명도,6 is an explanatory diagram of a fault detection signal extraction concept according to an embodiment of the present invention;

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 신호처리 개념도,7 is a conceptual diagram illustrating signal processing according to an embodiment of the present invention;

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 신호처리 순서도.8 is a signal processing flowchart according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

31 : 레이저 다이오드 35 : 광수신기31 laser diode 35 optical receiver

32 : 도파 광섬유 32: waveguide optical fiber

33 : 감지 광섬유 33: sensing optical fiber

34 : 도파 광섬유 34: waveguide optical fiber

51 : 레에저 다이오드 광원 55 : 광수신기51: laser diode light source 55: optical receiver

52 : 도파 광섬유 52: waveguide optical fiber

53 : 감지 광섬유 53: Sense Fiber

54 : 거울 코팅 54: mirror coating

61, 63 : 정상 상황의 신호 62 : 이상 상황의 신호61, 63: Signal of normal situation 62: Signal of abnormal situation

본 발명은 온도 또는 압력 등의 급격히 변화하는 이상 상황을 감지하기 위한 광섬유 센서로 감지 광섬유를 통과하는 2개의 빛의 모드 사이의 간섭에 의하여 광출력의 변화를 취득하여 이상 상황을 간단히 탐지할 수 있는 광섬유 이중모드 간섭형 센서와 이 센서를 이용한 이상상황 탐지를 위한 신호처리 및 광섬유 설치 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is an optical fiber sensor for detecting an abruptly changing abnormal situation such as temperature or pressure, which can easily detect an abnormal situation by acquiring a change in light output by interference between two modes of light passing through a sensing optical fiber. An object of the present invention is to provide an optical fiber dual mode interference type sensor and a signal processing and optical fiber installation method for detecting an abnormal situation using the sensor.

본 발명은 이상상태 검출을 위한 광섬유 이중모드 간섭형 센서와 이를 이용한 이상 탐지 신호처리 방법에 관한 것으로서, 특히 구조물에 발생하는 급격한 파 손 등에 의한 급격한 변형에 따른 모드 간섭에 의한 광 출력의 변화가 발생하는 것을 이용한 이상상황 탐지 또는 은밀하게 침투하는 침입자가 바닥에 설치된 감지 광섬유를 밟았을 때 탐지 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber dual mode interference type sensor for detecting an abnormal state and an abnormal detection signal processing method using the same, and in particular, a change in light output due to mode interference due to a sudden deformation caused by a sudden damage to a structure occurs. The present invention relates to a method for detecting an abnormal situation using an intruder or detecting an infiltrating intruder stepping on a sensing optical fiber installed on the floor.

광섬유를 이용한 센서는 그 크기가 작아서 측정 대상물의 표면에 부착하거나, 시설물의 내부에 매설하기가 용이하다. 또한 광섬유는 재질이 유리이므로 내부식성이 우수하며, 외부 전자기파에 의한 잡음의 영향을 받지 않는다. 특히 광섬유 간섭형 센서는 민감도와 분해능이 우수하여 산업용 기계 구조물과, 교량, 빌딩 등의 건설구조물에 대한 손상이나 오랜 사용으로 인한 노후화에 따른 손상을 초기에 감지하는 센서로 유망하다. 또한 은밀하게 침투하는 침입자를 탐지하기 위한 보안용 센서로도 사용이 가능하다.The sensor using the optical fiber is small in size, so it is easy to attach to the surface of the object to be measured or to bury it inside the facility. In addition, since optical fiber is made of glass, it has excellent corrosion resistance and is not affected by noise caused by external electromagnetic waves. In particular, the optical fiber interference type sensor is excellent in sensitivity and resolution, and thus it is promising as a sensor that detects damage due to aging due to long-term use or damage to construction structures such as industrial machinery structures, bridges, and buildings. It can also be used as a security sensor to detect intruders stealthy.

광섬유 센서는 간섭형, 파장형, 및 광강도형 센서 등이 있으며, 이 중 이중모드 간섭형 광섬유 센서는 파장형 광섬유 센서에 비해 간단하고 저렴하게 시스템을 구성할 수 있고, 광강도형 광섬유 센서에 비해 민감도가 우수한 장점을 가지고 있다. 일반적인 간섭형 광섬유 센서로는 마크-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 마이켈슨(Michelson) 간섭계, 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 등을 이용하는 여러 종류가 있다. 이러한 마크-젠더 간섭계나 마이켈슨 간섭계를 이용하는 광섬유 센서는 기준 광섬유와 감지 광섬유의 2개의 광섬유를 사용하는 불편함이 있고, 패브리-패로 간섭계는 감지 길이가 약 1 cm 이하의 짧은 센서만 구현이 가능하다. 그에 반해서 이중모드 간섭형 센서는 광섬유 라인 한 개로 수 m의 길이를 감지 구간으로 사용하는 것이 가능하다.Optical fiber sensors include interference type, wavelength type, and light intensity sensor. Among these, dual mode interference type fiber optic sensor is simpler and cheaper to configure the system than wavelength type optical fiber sensor. Sensitivity is superior to that. Common types of interferometric optical fiber sensors include Mark-Zehnder interferometers, Michelson interferometers, and Fabry-Perot interferometers. The optical fiber sensor using the mark-gender interferometer or the Michelson interferometer is inconvenient to use two optical fibers, the reference fiber and the sensing fiber, and the Fabry-Faro interferometer can realize only a short sensor having a sensing length of about 1 cm or less. Do. In contrast, the dual-mode coherent sensor can use a length of several m as a sensing section with one optical fiber line.

도 1은 기존의 광섬유 이중모드 간섭형 센서를 도시하고 있다. Figure 1 shows a conventional optical fiber dual mode interference type sensor.

기존의 광섬유 이중모드 간섭형 센서는 주로 타원형 코어를 갖는 특수 광섬유로 개발되어 왔다. 타원형 코어 광섬유에 외란으로 변형이나 온도 변화 등이 주어지면 진행하는 두개의 광모드 사이의 위상이 맞는 위치, 즉 광섬유 길이 방향에서의 위치가 달라진다. 그에 따라서 광섬유 출력단에서의 빛의 특성은 도 2와 같이 광모드 분포의 변화가 발생한다. 만약 외란이 주어지지 않았을 때의 광모드 분포가 타원형 코어 광섬유의 코어의 윗 부분에 분포한다고 하면 외란이 타원형 코어 광섬유에 주어지게 되면 도 2의 타원형 코어 안의 광모드의 분포가 아래쪽으로 이동하게 되는 것을 볼 수 있다. 따라서 광수신기를 타원형 코어의 반쪽만 볼 수 있도록 위치시키면 외란의 작용을 탐지할 수 있게 될 것이다.Conventional optical fiber bimodal interference type sensors have been developed mainly as special optical fiber with elliptical core. When the elliptical core optical fiber is disturbed by deformation or temperature change, the phase between two advancing optical modes, that is, the position in the longitudinal direction of the optical fiber, is changed. Accordingly, the light characteristics at the optical fiber output terminal change in the optical mode distribution as shown in FIG. 2. If the optical mode distribution when the disturbance is not given is distributed in the upper part of the core of the elliptical core optical fiber, the distribution of the optical mode in the elliptical core of FIG. can see. Therefore, placing the photoreceptor so that only half of the elliptical core can be seen will detect the disturbance.

[수학식 1][Equation 1]

I = A + Bcos((β11-β12)z) ------------ (1)
A = 기본 광출력 B = 광출력 크기
β = 전파속도 I 출력의 세기
z = 빛의경로I = A + Bcos ((β 11 -β 12 ) z) ------------ (1)
A = basic light output B = light output size
β = propagation velocity I output strength
z = path of light

수학식 1을 보면 A는 모드 간섭이 일어나지 않는 기본적인 광 출력의 세기이고, 모드 패턴 변화에 따른 광 출력의 크기는 B로 표시하였다. 또한 2개의 모드 각각의 전파속도는 β11-β12로 표시하였다. 따라서 2개의 모드가 겪는 광섬유 내부의 전파 경로 상의 굴절률 또는 길이 변화가 발생하면 광모드의 출력의 세기 I가 변화하게 될 것이다. 그런데 이러한 타원형 코어 광섬유는 가격이 비싸고, 광 출력단의 타원형 코어 광섬유의 광모드 중에서 한쪽만 볼 수 있도록 광수신기를 정렬하는 어려움을 갖는다.In Equation 1, A is the intensity of the basic light output without mode interference, and the magnitude of the light output according to the change of the mode pattern is represented by B. In addition, the propagation speed of each of the two modes is represented by β 11 -β 12 . Thus, if a change in refractive index or length on the propagation path inside the optical fiber experienced by the two modes occurs, the intensity I of the output of the optical mode will change. However, such an elliptical core optical fiber is expensive and has a difficulty in aligning the optical receiver so that only one of the optical modes of the elliptical core optical fiber of the optical output stage can be seen.

따라서, 본 발명은 이중모드 간섭형 센서에서 이중모드가 진행하는 감지 광섬유를 기존에 통신용으로 많이 사용하는 구하기 쉽고 저렴한 원형 코어를 갖는 단일모드 광섬유를 사용하고, 이보다 더 코어의 직경이 작은 원형 코어의 단일모드 광섬유를 사용하여, 감지 광섬유에 외란으로 작용하는 이상 상황을 알아내기 위한 변형의 급격한 변화를 겪도록 하여 도 2와 유사한 이중모드 간섭 패턴을 얻기 위하여 감지 광섬유인 이중모드 광섬유와 단일모드 광섬유를 편심을 주어 융착 접속하여 손쉽게 광 출력의 변화를 얻도록 하고, 일정 시간 동안 센서 신호출력의 주파수 분석을 통하여 이상상황을 탐지할 수 있는 간편한 이상탐지 광섬유 센서와 이러한 센서시스템을 이용하여 이상상황을 탐지하기 위한 광섬유 설치방법 및 신호처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention uses a single-mode optical fiber having an easy-to-use and inexpensive circular core, which uses a dual-mode sensing optical fiber for communication, in a dual-mode interference type sensor. By using a single mode optical fiber, a dual mode optical fiber and a single mode optical fiber, which are sensing optical fibers, are used to obtain a dual mode interference pattern similar to that of FIG. Easily fused and spliced to obtain a change in the light output easily, and a simple abnormal detection optical fiber sensor that can detect the abnormal situation through the frequency analysis of the sensor signal output for a certain period of time and detect the abnormal situation using such a sensor system To provide optical fiber installation method and signal processing method There is a purpose.

본 발명은 이상탐지 광섬유 센서를 이중모드가 진행하는 감지 광섬유와 단일모드 광섬유를 사용하여 구성하고 간편한 신호처리 방법에 의하여 이상상황 발생을 탐지할 수 있게 하는 것이다. 먼저 수학식 1을 보면 코사인 항의 각도 변화는 결국 전파속도 차이에 의하여 지배되고 있음을 볼 수 있다. 그러나 이중모드 광섬유를 사용한 본 발명의 센서는 이러한 변화뿐만 아니라 광모드 패턴이 감지 광섬유에 직용하는 작은 외란에 의하여 편광 방향의 변화에 따라서 민감하게 광모드 패턴이 회전하는 현상을 이용한다. 즉 감지 광섬유에 외란의 영향으로 편광 또는 굴절률 및 길이 등이 변화하게 되면 감지 광섬유의 출력 신호는 도 4와 같이 회전하게 된다. 단일모드 광섬유를 감지 광섬유의 광 출력단의 광모드중 일부만을 감지할 수 있도록 위치시키면 외란의 영향은 광출력의 세기 변화로 용이하게 탐지할 수 있다. 이러한 광출력 신호 변화 즉,Iac (I의 교류 성분)의 상승 또는 하강에 따른 신호를 시간 t-τ 에서 t까지 주파수 신호 분석 처리기에 넣어 처리하면 이상상황에 의한 영향이 없을 경우에는 전체적인 주파수 대역에서 신호가 없을 것이다. 그러나 이상상황에 의한 영향이 있는 경우에는 주파수 신호 분석 처리기를 통과한 이후의 주파수 영역에서의 신호는 변화를 겪게 된다.The present invention is to configure the abnormality detection optical fiber sensor using a dual-mode sensing optical fiber and a single mode optical fiber and to detect the occurrence of the abnormal situation by a simple signal processing method. First, in Equation 1, it can be seen that the angular change of the cosine term is finally dominated by the propagation speed difference. However, the sensor of the present invention using a dual mode optical fiber uses the phenomenon that the optical mode pattern is sensitively rotated according to the change in the polarization direction due to the small disturbance that the optical mode pattern is directly applied to the sensing optical fiber. That is, when the polarization or the refractive index and the length change due to the disturbance of the sensing optical fiber, the output signal of the sensing optical fiber rotates as shown in FIG. 4. When the single mode optical fiber is positioned to detect only a part of the optical mode of the optical output terminal of the sensing optical fiber, the influence of the disturbance can be easily detected by the change in the intensity of the optical output. When the signal according to the change of the light output signal, that is, the rising or falling of I ac (the AC component of I) is put into the frequency signal analysis processor from time t-τ to t and processed, the overall frequency band is not affected by an abnormal situation. There will be no signal from. However, if there is an influence due to an abnormal situation, the signal in the frequency domain after passing through the frequency signal analysis processor is subject to change.

이러한 원리를 이용하여 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이상탐지 광섬유 센서는, 연속파형으로 빛을 발생시키는 레이저기와; 도파 광섬유와 감지 광섬유를 중심에 맞게 융착 접속하는 부위와; 감지 광섬유의 다른 끝단을 다시 다른 도파 광섬유로 편심을 두어 융착 접속하는 부위와; 도파 광섬유의 끝에 연결되어 출력되는 빛을 감지하는 광 수신기를 포함하여, 상기 감지 광섬유가 구조물의 이상 또는 침입자의 영향 등으로 길이가 변형되거나 온도 변화에 따른 굴절률 및 편광 방향 변화가 생기면, 그 물리량의 크기에 따라 일정시간 간격동안 광출력 신호 파형이 출력되어 실시간 주파수 분석 후의 신호 주파수 레벨이 변동되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object by using this principle, the abnormality detection optical fiber sensor according to the present invention includes a laser device for generating light in a continuous waveform; A portion for fusion-splicing the waveguide optical fiber and the sensing optical fiber in a center; A portion for eccentrically connecting the other end of the sensing optical fiber to another waveguide optical fiber; And an optical receiver connected to the end of the waveguide optical fiber to sense the output light. If the sensing optical fiber is deformed in length due to an abnormality of the structure or the influence of an intruder, or the refractive index and polarization direction change due to temperature change, The optical output signal waveform is output for a predetermined time interval according to the size, so that the signal frequency level after the real-time frequency analysis is varied.

또한 이상탐지 광섬유 센서의 구현 방법으로는 감지 광섬유의 양쪽 끝단을 도파 광섬유로 융착 접속하는 방법이외에 감지 광섬유를 도파 광섬유와 편심을 두고 융착접속한 이후에 감지 광섬유의 다른쪽 끝단은 거울 코팅하는 방법으로 도 5와 같이 구현하는 모든 방법도 있다.In addition, the abnormal detection optical fiber sensor is implemented by fusion splicing both ends of the sensing optical fiber with the waveguide optical fiber, and after the sensing optical fiber is fused with the waveguide fiber eccentrically, the other end of the sensing optical fiber is mirror coated. There are also all ways to implement as shown in FIG.

감지 광섬유를 외부 이상상황에 의하여 길이 또는 온도 변화가 발생하게 되면 일정시간 간격동안 신호출력 변화가 일어나서 파형 신호가 출력되고 실시간 주파수 분석 신호 출력을 보면 일정 대역에서 주파수 성분이 많이 출력됨을 알 수 있다. 이와 같이 실시간 주파수 분석 출력 신호의 변동을 얻게 되는 이상 탐지 광섬유 센서를 이용한 이상상황 탐지 신호처리 방법에 있어서,When the sensing optical fiber is changed in length or temperature due to an external abnormal situation, a signal output change occurs for a predetermined time interval, and a waveform signal is output, and when the real-time frequency analysis signal output is seen, many frequency components are output in a predetermined band. In the abnormality detection signal processing method using the abnormality detection optical fiber sensor that obtains the fluctuation of the real-time frequency analysis output signal as described above,

상기 이상탐지 광섬유 센서는, 연속파형으로 빛을 발생시키는 레이저 다이오드와; 도파 광섬유와 감지 광섬유를 중심에 맞게 융착 접속하는 부위와; 감지 광섬유의 다른 끝단을 다시 다른 도파 광섬유로 편심을 두어 융착 접속하는 부위와; 도파 광섬유의 끝에 연결되어 출력되는 빛을 감지하는 광 수신기를 포함하여, 상기 감지 광섬유가 구조물의 이상 또는 침입자의 영향 등으로 길이가 변형되거나 온도 변화에 따른 굴절률 및 편광 방향 변화가 생기면, 그 물리량의 크기에 따라 일정시간 간격동안 광출력 신호 파형이 출력되어 실시간 주파수 분석 후의 신호 주파수 레벨이 변동되도록 하며; 이상탐지 광섬유 센서의 다른 구현 방법으로는 감지 광섬유의 양쪽 끝단을 도파 광섬유로 융착 접속하는 방법이외에 감지 광섬유를 도파 광섬유와 편심을 두고 융착접속한 이후에 감지 광섬유의 다른쪽 끝단은 거울 코팅하 는 방법(도 5 참조)으로 구현하는 모든 방법을 포함하고,The abnormality detection optical fiber sensor includes a laser diode for generating light in a continuous waveform; A portion for fusion-splicing the waveguide optical fiber and the sensing optical fiber in a center; A portion for eccentrically connecting the other end of the sensing optical fiber to another waveguide optical fiber; And an optical receiver connected to the end of the waveguide optical fiber to sense the output light. If the sensing optical fiber is deformed in length due to an abnormality of the structure or the influence of an intruder, or the refractive index and polarization direction change due to temperature change, The optical output signal waveform is output for a predetermined time interval according to the magnitude so that the signal frequency level after the real-time frequency analysis varies Other implementations of the abnormality detection fiber optic sensor include a method of fusion splicing both ends of the sensing fiber with a waveguide fiber, and a method of mirror coating the other end of the sensing fiber after splicing the sensing fiber eccentrically with the waveguide fiber. (See Figure 5), including all methods to implement

상기 이상탐지 광섬유 센서의 감지 광섬유를 감지하고자 하는 물체에 설치하고, 센서 신호의 기준 레벨, 경고 레벨, 위험 레벨과 고주파 차단 주파수, 저주파 차단 주파수를 설정하는 제 1단계와; 상기 이상탐지 광섬유 센서의 광출력 신호를 일정시간 간격동안 주기적으로 취득하는 제2단계; 상기 일정시간간격동안 취득된 데이터로부터 신호의 절대 레벨 및 주파수 분석을 수행하는 제3단계; 신호의 절대 레벨이 기준 레벨보다 작은가를 검토하는데, 만약 신호의 절대 레벨이 기준 레벨보다 작으면 광섬유 절단으로 판정하고, 신호의 절대 레벨이 기준 레벨보다 크면 정상으로 판정하는 제4단계; 주파수 분석 결과로부터 신호 분석 대역을 선정하고 그 대역 안에서의 신호 주파수 레벨이 경고 레벨보다 작으면 안전 상태로 판정하고, 만약 신호 주파수 레벨이 경고 레벨보다 크면 다음 단계로 이동하는 제5단계; 신호 주파수 레벨이 위험 레벨보다 작으면 경고상태로 판정하고, 만약 신호 주파수 레벨이 위험 레벨보다 크면 위험상태로 판정하는 제6단계; 광섬유절단, 경고상태, 위험상태 등의 판정 이후에는 시스템 오프명령이 있으면 신호처리를 끝내고, 만약 시스템 오프 명령이 없으면 일정시간 간격동안 신호를 취득하여 처리하는 제2단계로 되돌아가는 제7단계를 포함하며 이루어진 것을 특징으로 한다.Installing the sensing optical fiber of the abnormality detecting optical fiber sensor on an object to be sensed, and setting a reference level, a warning level, a danger level, a high frequency cutoff frequency, and a low frequency cutoff frequency of the sensor signal; A second step of periodically acquiring an optical output signal of the abnormality detection optical fiber sensor for a predetermined time interval; A third step of performing absolute level and frequency analysis of a signal from the data acquired during the predetermined time interval; Examining whether the absolute level of the signal is less than the reference level, if the absolute level of the signal is less than the reference level, determining that the fiber is cut, and determining that the signal is normal if the absolute level of the signal is greater than the reference level; A fifth step of selecting a signal analysis band from the frequency analysis result and determining a safety state if the signal frequency level in the band is less than the warning level, and moving to the next step if the signal frequency level is greater than the warning level; A sixth step of determining as a warning state if the signal frequency level is less than the dangerous level, and determining a dangerous state if the signal frequency level is greater than the dangerous level; After the determination of the optical fiber cutting, the warning state, the dangerous state, and the like, the signal processing is terminated if there is a system off command, and if there is no system off command, the signal processing returns to the second step of acquiring and processing the signal for a predetermined time interval. And characterized in that made.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 상기와 같이 일정시간 간격동안 광출력 세기 변화가 구조물의 이상 또는 외부의 침입자에 의한 광모드 패턴의 회전 변화에 따라 가변되는 현상을 이용하는 바, 도 3 및 도 5에는 본 발명에 따른 광모드 패턴 변화형 광섬유 센서 두 종류가 도시되어 있다.The present invention uses the phenomenon that the change in the light output intensity for a predetermined time interval as described above varies depending on the rotational change of the optical mode pattern by the abnormal or external intruder of the structure, the light according to the present invention in Figures 3 and 5 Two types of mode pattern changeable optical fiber sensors are shown.

도 3을 참조하면, 레이저 다이오드로부터 도파 광섬유로 입사된 빛을 감지 광섬유로 입사시키는 두 광섬유의 코어의 중심이 정확하게 일치하게 융착 접속한 부위와, 감지 광섬유의 다른 끝단으로 나오는 빛이 광모드 패턴을 형성하면 그 패턴중의 일부를 볼 수 있도록 도파 광섬유를 감지 광섬유에 대하여 편심을 두어 융착 접속한 부위와; 도파 광섬유를 통과하여 나오는 최종적인 광출력 신호를 검출하는 광수신기와 신호처리를 수행하는 신호처리기를 포함한다. 한 편 도 5를 참조하면, 레이저 다이오드로부터 도파 광섬유로 입사된 빛을 감지 광섬유로 입사하고 다시 받을 때 광모드의 일부만 볼 수 있도록 두 광섬유를 편심을 주어 융착 접속하는 부위와; 감지 광섬유의 다른 끝단을 전반사되조록 거울 코팅하는 부위와; 되돌아 나온 빛을 수신하는 광 수신기와 신호처리를 수행하는 신호처리기를 포함한다. 상기한 두 개의 이상탐지 센서에서 동일하게 사용이 가능한 신호처리기는 도 7에서 보인 것과 같이 센서로부터 일정한 시간간격동안 데이터를 취득하고, 일정시간간격동안 취득된 데이터로부터 신호의 절대 레벨 및 이상신호의 주파수 분석을 수행하기 위한 저주파 차단주파수 f1, 고주파 차단 주파수 f2, 경고레벨, 위험레벨을 설정한다. 그 후에는 신호의 절대 레벨이 사용자에 의하여 미리 설정되어 있는 기준 레벨보다 작은가를 검토하는데, 만약 신호의 절대 레벨이 기준 레벨보다 작으면 광섬유 절단으로 판정하고, 신호의 절대 레벨이 기준 레벨보다 크면 정상으로 판정한다. 그 후 신호가 정상으로 판정된 때에는 주파수 분석 데이터를 사용자가 미리 설정하여 놓은 저주파 차단 주파술1과 고주파 차단 주파수 f2 사이의 데이터를 기준으로 경고 레벨로 신호 레벨이 올라가는지 또는 위험레벨로 신호 레벨이 올라가는지를 보고 경고 또는 위험을 알린다. 만약 주파수 분석 데이터의 신호 레벨이 경고 레벨보다 낮으면 안전 상태로 판정하고, 만약 주파수 분석 데이터 신호 레벨이 경고 레벨보다 크면 다음 단계로 이동하게 된다. 만약 주파수 분석 데이터 신호레벨이 경고 레벨보다 크고, 주파수 분석 데이터의 신호 레벨이 사용자가 미리 설정하여 놓은 위험 레벨보다 작으면 경고상태로 판정하고, 만약 주파수 분석 데이터의 신호 레벨이 위험 레벨보다 크면 위험상태로 판정한다. 그러면 센서로부터 알고자하는 광섬유절단, 이상상태 경고, 이상상태 위험 등의 판정을 마치게 된다. 이후에는 시스템 오프 명령이 있으면 신호처리를 끝내고, 만약 시스템 오프 명령이 없으면 일정시간간격동안 신호를 다시 취득하여 반복 처리하게 된다. Referring to FIG. 3, a portion in which the centers of the cores of two optical fibers that enter light incident from the laser diode into the waveguide optical fiber to the sensing optical fiber is exactly matched to each other and the light exiting the other end of the sensing optical fiber is connected to the optical mode pattern. A portion in which the waveguide optical fiber is fused and eccentric with respect to the sensing optical fiber so that a part of the pattern can be seen when formed; It includes an optical receiver for detecting the final light output signal passing through the waveguide optical fiber and a signal processor for performing signal processing. On the other hand, with reference to Figure 5, the eccentric fusion fusion connection between the two optical fibers to see only a part of the optical mode when the light incident from the laser diode to the sensing optical fiber incident and received again; A mirror coating of the other end of the sensing optical fiber for total reflection; And an optical receiver for receiving the returned light and a signal processor for performing signal processing. The signal processor which can be used equally in the two abnormality detection sensors acquires data from the sensor for a predetermined time interval as shown in FIG. 7, and the absolute level of the signal and the frequency of the abnormal signal from the data acquired during the predetermined time interval. Set the low frequency cutoff frequency f1, high frequency cutoff frequency f2, warning level and danger level to perform the analysis. After that, it is checked whether the absolute level of the signal is smaller than the reference level preset by the user. If the absolute level of the signal is smaller than the reference level, it is determined as the fiber optic disconnection. Determined by Then, when the signal is determined to be normal, whether the signal level rises to the warning level or the dangerous level based on the data between the low frequency cutoff frequency 1 and the high frequency cutoff frequency f2 that the user sets the frequency analysis data in advance. Watch for climbs and signal a warning or danger. If the signal level of the frequency analysis data is lower than the warning level, it is determined as a safe state. If the frequency analysis data signal level is higher than the warning level, the process moves to the next step. If the frequency analysis data signal level is higher than the warning level and the signal level of the frequency analysis data is lower than the user-set danger level, it is determined as a warning state. Determined. This completes the determination of fiber cut, abnormal state warning, and abnormal state risk from the sensor. After that, if there is a system off command, the signal processing is terminated. If there is no system off command, the signal is acquired again for a predetermined time interval and repeated processing.

상기 도 5의 감지 광섬유의 한쪽 끝단의 거울코팅은 금이나 은, 또는 알루미늄을 사용하여 진공증착에 의하여 수직하게 절단된 광섬유의 끝단에 코팅하여야 한다. 또한 연속파형의 빛으로 레이저 다이오드에서 발생된 레이저가 광섬유에 입사되면 2x2 광섬유 연계기를 지나면서 감지 광섬유로 입사된 빛은 거울을 만나면 다시 반사되어 되돌아 나오게 되고, 감지 광섬유를 통과하여 도파 광섬유로 되돌아 나오면 들어갔던 도파 광섬유로 광모드 패턴의 일부가 되돌아 나와서 2×2 광섬유 연계기를 지나게 된다. 그 후 광 수신기가 접속된 부분에서 광출력 세기 변화를 검출하게 된다. The mirror coating of one end of the sensing optical fiber of FIG. 5 should be coated on the end of the optical fiber cut vertically by vacuum deposition using gold, silver, or aluminum. In addition, when the laser generated from the laser diode enters the optical fiber as a continuous wave of light, the light incident on the sensing optical fiber passes through the 2x2 optical fiber linker, and when it meets the mirror, the light is reflected back and comes back through the sensing optical fiber. Part of the optical mode pattern is returned to the waveguide fiber that has entered, passing through a 2x2 fiber optic linker. Thereafter, the optical receiver detects a change in the light output intensity at the connected portion.

도 6은 이상탐지 센서의 신호출력 파형을 보이고 있다. 도 6의 (a)는 정상상황에서의 시간에 대한 신호 파형의 변화가 거의 없음을 보이고 있다. 그에 따라서 FFT 분석 데이터도 특별한 주파수 성분이 없음을 보이고 있다. 그러나 도 6의 (b)에서는 감지 광섬유에 외란이 가해져서 이상상황일 때의 시간축에 대한 신호 변화를 보이고 있다. 그에 따른 FFT 분석 데이터도 해당 주파수 정분이 있음을 보이고 있다. 이와 같은 주파수 분석 방법을 사용하여 이상상태를 탐지하기 위하여 도 7과 같은 주파수 분석 데이터를 분석하는 방법을 제시한다. 먼저 도 7의 f1은 저주파 차단주파수이고, f2는 고주 차단주파수로서 f1과 f2 사이의 주파수 성분만 이상상태 판정을 위하여 사용하게 된다. 한편 주파수 분석 데이터의 크기를 A1과 A2로 진폭을 구별하여 설정한 것은 A1은 경고 레벨이고, A2는 위험 레벨을 나타낸다. Figure 6 shows the signal output waveform of the abnormality detection sensor. 6 (a) shows that there is almost no change in the signal waveform with respect to time in a normal situation. Accordingly, the FFT analysis data shows that there is no particular frequency component. However, in FIG. 6B, a disturbance is applied to the sensing optical fiber to show a change in signal with respect to the time axis when an abnormal situation occurs. The resulting FFT analysis data also shows that there is a corresponding frequency fraction. In order to detect an abnormal state using such a frequency analysis method, a method of analyzing frequency analysis data as shown in FIG. 7 is provided. First, f1 of FIG. 7 is a low frequency cutoff frequency, and f2 is a high frequency cutoff frequency, and only a frequency component between f1 and f2 is used to determine an abnormal state. On the other hand, the magnitude of the frequency analysis data is set to A1 and A2 to distinguish the amplitude, where A1 is a warning level and A2 represents a danger level.

따라서, 본 발명에 따른 이상탐지용 광섬유 이중모드 간섭형 센서는 구조물의 이상상태 또는 외부의 침입자 발생 여부를 탐지하는 용도 이외에 정상상태와 이상상태를 판별하기 위한 용도로 이중모드의 빛이 통과하는 감지 광섬유를 다양한 외란에 노출하여 사용함에 의하여 여러 분야에 적용할 수 있다. 이상에서 본 발명은 감지 광섬유를 간단히 흔듦에 의하여 이상상태를 탐지하는 방법만을 실시 예로서 기술하였으나, 그 외에 다양한 방법을 이용하여 다양한 이상상태를 탐지하는 용도로 활용할 수 있다.Therefore, the optical fiber dual mode interference type sensor for abnormality detection according to the present invention is used to detect the normal state and abnormal state in addition to the detection of the abnormal state of the structure or the occurrence of intruders from the outside, the detection of the light passing through the dual mode The optical fiber can be applied to various fields by exposing to various disturbances. In the above description, the present invention has been described only as a method of detecting an abnormal state by simply shaking the sensing optical fiber, but it can be used for detecting various abnormal conditions using various methods.

본 발명에서 제안된 방식에 의해 이중모드 간섭형 광섬유 센서의 출력을 단순히 일정 시간동안 주파수 분석 데이터를 분석함에 의하여 구조물의 이상상태 또는 외부 침입자의 발생 여부를 감지할 수 있도록 센서와 신호처리 방법이 구성되 었다. 또한, 본 발명은 구조물의 이상상태를 탐지하기 위하여 균열 발생 위치, 토사의 흘러내림 등을 탐지하기 위하여 설치하거나, 침입자의 탐지를 위하여 바닥에 임의 모양으로 설치할 수 있기 때문에 카펫, 타일, 목재 등의 바닥 밑에 설치하여 침입자를 반영구적으로 장기간 사용하기 위하여 효율적으로 사용할 수 있다.By the method proposed in the present invention, the sensor and the signal processing method are configured to detect the abnormal state of the structure or the occurrence of an external invader by simply analyzing the frequency analysis data of the output of the dual mode interference type optical fiber sensor for a predetermined time. Became. In addition, the present invention can be installed to detect the occurrence of cracks, the flow of earth and sand to detect abnormal conditions of the structure, or can be installed in any shape on the floor for the detection of intruders, such as carpet, tile, wood, etc. Installed under the floor, it can be used efficiently for long-term use by intruders semi-permanently.

Claims (3)

연속파형으로 빛을 발생시키는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드로 부터 도파 광섬유로 입사된 빛을 감지 광섬유로 입사시키는 코어의 중심이 정확하게 일치하게 융착 접속한 부위와; 상기 감지 광섬유의 다른 끝단으로 나오는 빛이 광모드 패턴을 형성하면 그 패턴중의 일부를 볼 수 있도록 도파 광섬유를 감지 광섬유에 대하여 편심을 두어 융착 접속한 부위와; 도파 광섬유를 통과하여 나오는 최종적인 광출력 신호를 검출하는 광수신기로 구성되는 것을 특징으로 하는 이상상태 검출을 위한 광섬유 이중모드 간섭형 센서.A laser diode for generating light in a continuous waveform; A portion in which the center of the core for injecting light incident from the laser diode into the waveguide optical fiber to the sensing optical fiber is exactly fused and connected; A portion in which the waveguide is fused and eccentrically oriented with respect to the sensing optical fiber so that a part of the pattern can be seen when the light exiting the other end of the sensing optical fiber forms an optical mode pattern; An optical fiber dual mode interference type sensor for detecting an abnormal state, characterized by comprising an optical receiver for detecting the final light output signal passing through the waveguide optical fiber. 감지 광섬유를 지나는 빛의 편광 등의 변화에 따른 이중모드의 간섭을 광출력 신호로 얻게되는 이중모드 간섭형 광섬유 센서를 이용한 이상 탐지 신호처리 방법에 있어서,In the anomaly detection signal processing method using a bimodal interference type optical fiber sensor that obtains a bimodal interference as an optical output signal according to the change of polarization of light passing through the sensing optical fiber, 상기 이중모드 간섭형 센서는 연속파형으로 빛을 발생시키는 레이저 다이오드와; 상기 레이저 다이오드로부터 도파 광섬유로 입사된 빛을 감지 광섬유로 입사시키는 코어의 중심이 정확하게 일치하게 융착 접속한 부위와; 감지 광섬유의 다른 끝단으로 나오는 빛이 광모드 패턴을 형성하면 그 패턴중의 일부를 볼 수 있도록 도파 광섬유를 감지 광섬유에 대하여 편심을 두어 융착 접속한 부위와; 도파 광섬유를 통과하여 나오는 최종적인 광출력 신호를 검출하는 광수신기를 포함하여 구성되고, The dual mode interference sensor includes a laser diode that generates light in a continuous waveform; A portion in which the center of the core for injecting light incident from the laser diode into the waveguide optical fiber to the sensing optical fiber is exactly fused and connected; A portion in which the waveguide optical fiber is eccentrically fused to the sensing optical fiber so that a part of the pattern can be seen when light emitted from the other end of the sensing optical fiber forms an optical mode pattern; An optical receiver for detecting a final light output signal passing through the waveguide optical fiber, 상기한 감지 광섬유를 이상을 탐지하고자 하는 구조물 또는 시설물에 설치하는 1단계와; 상기한 이중모두 간섭협 센서로부터 일정한 시간간격동안 데이터를 취득하는 2단계와; 일정시간간격동안 취득된 데이터로부터 신호의 절대 레벨 및 이상신호의 주파수 분석을 수행하기 위한 기준레벨, 저주파 차단주파수 f1, 고주파 차단 주파수 f2, 경고레벨, 위험레벨을 설정하는 3단계와; 주파수 분석 데이터의 신호중 f1과 f2 사이의 신호 레벨이 사용자에 의하여 미리 설정되어 있는 기준 레벨보다 작은가를 검토하는데, 만약 신호의 절대 레벨이 기준 레벨보다 작으면 광섬유 절단으로 판정하고, 신호의 절대 레벨이 기준 레벨보다 크면 정상으로 판정하는 4단계와; 주파수 분석 데이터의 신호 레벨이 정상으로 판정된 때에는 주파수 분석 데이터의 신호를 사용자가 미리 설정하여 놓은 저주파 차단 주파수 1과 고주파 차단 주파수 f2 사이의 데이터를 기준으로 경고 레벨까지 신호 레벨이 올라가는지 또는 위험레벨로 신호 레벨이 올라가는지를 보고 경고 또는 위험을 알리는 5단계와; 만약 주파수 분석 데이터의 신호 레벨이 경고 레벨보다 낮으면 안전 상태로 판정하고, 만약 주파수 분석 데이터 신호 레벨이 경고 레벨보다 크면 다음 단계로 이동하는 6단계와; 만약 주파수 분석 데이터 신호레벨이 경고 레벨보다 크고, 주파수 분석 데이터의 신호 레벨이 사용자가 미리 설정하여 놓은 위험 레벨보다 작으면 경고상태로 판정하는 7단계와; 만약 주파수 분석 데이터의 신호 레벨이 위험 레벨보다 크면 위험상태로 판정하는 8단계와; 시스템 오프 명령이 있으면 신호처리를 끝내고, 만약 시스템 오프 명령이 없으면 일정시간간격동안 신호를 취득하여 처리하는 제2단계로 되돌아가는 제9단계를 포함하며 이루어진 것을 특징으로 하는 이상상태 검출을 위한 광섬유 이중모드 간섭형 센서를 이용한 이상 탐지 신호처리 방법.Installing the sensing optical fiber in a structure or facility to detect an abnormality; Acquiring data from both of the interference coherence sensors for a predetermined time interval; Three steps of setting a reference level, a low frequency cutoff frequency f1, a high frequency cutoff frequency f2, a warning level, and a danger level for performing an absolute level of the signal and frequency analysis of the abnormal signal from the data acquired during a predetermined time interval; Among the signals of the frequency analysis data, whether the signal level between f1 and f2 is smaller than the preset reference level set by the user is examined. If the absolute level of the signal is smaller than the reference level, it is determined by the optical fiber disconnection, and the absolute level of the signal is Four steps of determining normal if greater than the reference level; When the signal level of the frequency analysis data is determined to be normal, whether the signal level rises to the warning level or the dangerous level based on the data between the low frequency cutoff frequency 1 and the high frequency cutoff frequency f2 that the user sets the signal of the frequency analysis data in advance. Step 5 for notifying the user of a warning signal or a danger level; If the signal level of the frequency analysis data is lower than the warning level, determining a safe state; and moving to the next step if the frequency analysis data signal level is greater than the warning level; If the frequency analysis data signal level is greater than the warning level and the signal level of the frequency analysis data is less than a risk level preset by the user, determining the warning state; An eighth step if the signal level of the frequency analysis data is greater than the dangerous level; Signal processing is terminated if there is a system off command, and if there is no system off command, a ninth step of returning to a second step of acquiring and processing a signal for a predetermined time interval is included. Anomaly Detection Signal Processing Method Using Mode Interference Sensor. 감지 광섬유를 도파 광섬유와 편심을 주어 융착 접속하는 부위와; 감지 광섬유의 다른 한쪽 끝단을 거울 코팅하는 부위와; 이러한 감지 광섬유를 두고 레이저 다이오드와 광수신기가 한 방향에서 연결되게 하는 것을 특징으로 하는 이상상태 검출을 위한 광섬유 이중모드 간섭형 센서.A portion which fusion-bonds the sensing optical fiber with the waveguide optical fiber; A portion for mirror coating the other end of the sensing optical fiber; The optical fiber dual mode interference type sensor for detecting an abnormal state, wherein the laser diode and the optical receiver are connected in one direction with the sensing optical fiber.
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