KR100963169B1 - Bending sensor using rf signals and bend sensing method using the same - Google Patents
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Abstract
RF 변조된 광신호를 생성하는 광원부; 서로 이격되며 상기 광원부의 광신호를 반사하는 기준 광섬유격자 및 센싱 광섬유격자를 구비하고, 양 방향으로 구부려지는 변형부; 상기 기준 광섬유격자에 의해 반사된 광신호 및 상기 센싱 광섬유격자에 의해 반사된 광신호에 파장에 따른 분산을 제공하는 광섬유 스풀; 및 상기 광섬유 스풀로부터 상기 기준 광섬유격자에 의해 반사된 광신호 및 상기 센싱 광섬유격자에 의해 반사된 광신호를 수신하고, 수신된 광신호들을 전기신호로 변환하는 광 검출부를 포함하되, 상기 광 검출부에 의해 변환된 전기신호의 세기는 상기 변형부의 곡률에 대응되는 구부림 센서 및 이를 이용한 구부림 측정 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서는 저손실의 광섬유를 이용하여 장거리 전송이 가능하므로 분포형 센서에 유용하게 사용될 수 있으며, 변조하는 RF 신호의 주파수를 바꿈으로서 측정감도와 측정범위를 자유로이 조절할 수 있는 이점이 있다.A light source unit generating an RF modulated optical signal; A deformable part spaced apart from each other and having a reference optical fiber lattice and a sensing optical fiber lattice reflecting an optical signal of the light source unit and bent in both directions; An optical fiber spool providing dispersion according to wavelengths to the optical signal reflected by the reference optical fiber grating and the optical signal reflected by the sensing optical fiber grating; And an optical detector configured to receive an optical signal reflected by the reference optical fiber grating and the optical signal reflected by the sensing optical fiber grating from the optical fiber spool, and convert the received optical signals into electrical signals. A bending sensor corresponding to the curvature of the electrical signal converted by the deformable portion and a bending measuring method using the same are disclosed. The bending sensor according to an embodiment of the present invention can be used in a distributed sensor because it can be transmitted over a long distance by using a low loss optical fiber, and can freely adjust the measurement sensitivity and measurement range by changing the frequency of the modulated RF signal. There is an advantage to that.
외팔보, 캔틸레버, 구부림 센서, 광섬유격자 Cantilever, Cantilever, Bend Sensor, Fiber Optic Grating
Description
본 발명은 RF 신호를 이용한 구부림 센서 및 이를 이용한 구부림 측정 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 RF 변조된 광대역 광원의 광신호를 외팔보 등의 변형부에 구비된 기준 광섬유격자(optical fiber grating) 및 센싱 광섬유격자에 전달하고, 양 광섬유격자로부터 반사된 광신호를 변환한 전기신호의 세기로부터 변형부의 곡률을 산출하는 구부림 센서 및 이를 이용한 구부림 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a bending sensor using an RF signal and a bending measurement method using the same. Specifically, an optical fiber grating and a sensing optical fiber provided in a deformation part such as a cantilever beam of an optical signal of an RF modulated broadband light source. The present invention relates to a bend sensor for transmitting a grid and calculating a curvature of a deformation part from an intensity of an electric signal converted from an optical signal reflected from both optical fiber gratings, and a bending measuring method using the same.
광섬유격자 기반 광센서는 전자기파에 의한 간섭현상이 없고, 대역폭이 크며, 손실이 적어 멀리 떨어진 곳의 물리량 측정이 가능한 등 많은 장점을 갖고 있다. 그러나 기존의 광섬유격자 기반 센서는 주로 파장 변화를 기반으로 하기 때문에 파장 가변 레이저, 파장 가변 필터 또는 광 스펙트럼 분석기 등 고가의 장비를 필요로 하며, 측정 속도도 kHz 이상은 어려운 단점이 있다. Optical fiber grating-based optical sensors have many advantages, such as no interference from electromagnetic waves, large bandwidths, and low loss, so that physical quantities can be measured at far distances. However, the conventional fiber grating-based sensor mainly requires expensive equipment such as a tunable laser, a tunable filter, or an optical spectrum analyzer because the sensor is mainly based on the wavelength change, and the measurement speed is difficult over kHz.
한편, 세기 조절(intensity modulated) 광섬유 센서는 구조가 간단하여 가격을 낮출 수 있고, 상대적으로 측정 속도도 높은 장점이 있다. 그리하여 특수하게 설계된 필터를 사용하여 광섬유격자의 파장변화를 광신호의 세기 변화로 바꾸는 방법이 제안되었지만(S. Kim et al., IEEE Photon.Technol. Lett. vol.13, 839-841, 2001) 제한된 파장 변화 범위에서만 측정이 가능하며, 온도와 스트레인에 의한 효과가 혼합되어 분리할 수 없는 단점이 있다.On the other hand, the intensity modulated optical fiber sensor has a simple structure that can lower the price, and has a relatively high measurement speed. Therefore, a method of converting the wavelength change of the optical fiber grating into the change of the intensity of the optical signal using a specially designed filter has been proposed (S. Kim et al., IEEE Photon. Technology. Lett. Vol. 13, 839-841, 2001). Measurements can only be made in a limited range of wavelength variations, and the effects of temperature and strain are mixed and cannot be separated.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 외팔보 및 기준 광섬유격자(optical fiber grating)와 센싱 광섬유격자를 이용하여, RF 변조된 광신호가 두 광섬유격자에서 반사된 신호로부터 온도변화에 영향을 받지 않고 구부림 정도를 정확하게 측정할 수 있는 RF 신호를 이용한 광섬유격자 기반의 구부림 센서 및 이를 이용한 구부림 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention for solving the problems of the prior art, by using a cantilever and an optical fiber grating and a sensing fiber grating, the RF-modulated optical signal is not affected by temperature changes from the signal reflected from the two optical fiber gratings It is an object of the present invention to provide a bending sensor based on an optical fiber grating using an RF signal capable of accurately measuring the degree of bending without using the same, and a bending measuring method using the same.
본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서는, RF 변조된 광신호를 생성하는 광원부; 서로 이격되며 상기 광원부의 광신호를 반사하는 기준 광섬유격자 및 센싱 광섬유격자를 구비하고, 양 방향으로 구부려지는 변형부; 상기 기준 광섬유격자에 의해 반사된 광신호 및 상기 센싱 광섬유격자에 의해 반사된 광신호에 파장에 따른 분산을 제공하는 광섬유 스풀; 및 상기 광섬유 스풀로부터 상기 기준 광섬유격자에 의해 반사된 광신호 및 상기 센싱 광섬유격자에 의해 반사된 광신호를 수신하고, 수신된 광신호들을 전기신호로 변환하는 광 검출부를 포함하여 구성된다. 이때, 상기 광 검출부에 의해 변환된 전기신호의 세기는 상기 변형부의 곡률에 대응된다.According to an exemplary embodiment, a bending sensor may include: a light source unit generating an RF modulated optical signal; A deformable part spaced apart from each other and having a reference optical fiber lattice and a sensing optical fiber lattice reflecting an optical signal of the light source unit and bent in both directions; An optical fiber spool providing dispersion according to wavelengths to the optical signal reflected by the reference optical fiber grating and the optical signal reflected by the sensing optical fiber grating; And an optical detector configured to receive the optical signal reflected by the reference optical fiber lattice and the optical signal reflected by the sensing optical fiber lattice from the optical fiber spool, and convert the received optical signals into electrical signals. In this case, the intensity of the electrical signal converted by the light detector corresponds to the curvature of the deformable portion.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 측정 방법은, RF 변조된 광신호를, 서로 이격된 기준 광섬유격자 및 센싱 광섬유격자를 구비하며 양 방향으로 구부려지는 변형부에 전송하는 단계; 상기 기준 광섬유격자에 의해 반사된 광신호 및 상기 센싱 광섬유격자에 의해 반사된 광신호 각각에 파장에 따른 분산을 제공하는 단 계; 상기 기준 광섬유격자에 의해 반사된 광신호 및 상기 센싱 광섬유격자에 의해 반사된 광신호를 전기신호로 변환하는 단계; 및 변환된 전기신호로부터 상기 변형부의 곡률을 산출하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the bending measurement method according to an embodiment of the present invention, transmitting the RF-modulated optical signal, the deformable portion having a reference optical fiber grid and a sensing optical fiber grid spaced from each other and bent in both directions; Providing dispersion according to a wavelength to each of the optical signal reflected by the reference optical fiber grating and the optical signal reflected by the sensing optical fiber grating; Converting the optical signal reflected by the reference optical fiber grating and the optical signal reflected by the sensing optical fiber grating into an electrical signal; And calculating a curvature of the deformation part from the converted electrical signal.
본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서 및 구부림 측정 방법은, 기존의 센서에서 사용하는 고가의 광 스펙트럼 분석기 또는 파장가변 레이저를 사용하지 않고 저가의 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier; SOA) 및 수백 MHz의 신호제공이 가능한 저가의 진동자를 사용하여 경제적으로 곡률을 측정할 수 있으며, 손실이 적은 광섬유를 이용할 수 있어 장거리에서도 측정이 가능하고, 변조하는 RF 신호의 주파수를 바꿈으로서 측정감도와 측정범위를 자유로이 조절할 수 있는 이점이 있다.The bending sensor and the bending measuring method according to an embodiment of the present invention, a low-cost semiconductor optical amplifier (SOA) and hundreds of MHz without using an expensive optical spectrum analyzer or a wavelength variable laser used in a conventional sensor The low-cost vibrator can be used to measure the curvature economically, and the optical fiber with low loss can be used for long distance measurement, and the measurement sensitivity and measuring range can be changed by changing the frequency of the modulated RF signal. There is an advantage that can be adjusted freely.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능이나 구성에 대한 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 경우에는 이를 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings looks at in detail with respect to the preferred embodiment of the present invention. In the following description of the present invention, the description of related known functions or configurations will be omitted when the description may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서를 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 상기 실시예에 따른 구부림 센서는 광대역 광원(111)을 구비한 광원부(110), 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155)를 구비한 변형부(140), 광섬유 스풀(160) 및 광 검출부(170)를 포함하여 구성된다. 1 is a block diagram illustrating a bending sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the bending sensor according to the embodiment includes a
광원부(110)의 광대역 광원(111)은 자발 방출광(Amplified Spontaneous Emission; ASE)을 RF 신호에 의해 변조하여, RF 변조된 광신호를 생성한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 광대역 광원(111)으로는 반도체 광 증폭기(Semiconductor Optical Amplifier; SOA), 반사형 반도체 광 증폭기(Reflective Semiconductor Optical Amplifier; RSOA), 또는 광신호가 출력되는 면이 무반사 코팅된 패브리-패롯 레이저(Fabry-Perot laser) 등이 사용될 수 있다.The
본 발명의 일 실시예에서, 광원부(110)는 상기 광대역 광원(111)에 공급되는 전류를 변조함으로써 RF 변조된 광신호를 생성할 수 있다. 이 경우, 광원부(110)는 광대역 광원(111)의 RF 신호원으로서 전압 제어 오실레이터(Voltage Controlled Oscillator; VCO)(112)와 같은 저가의 오실레이터를 사용할 수 있으며, 또는 통상적으로 사용되는 RF 발생기(113)를 사용할 수도 있다. VCO(112) 또는 RF 발생기(113)에서 발생된 RF 신호는, 인덕터 및 커패시터로 구성된 회로(114)를 통하여 DC 신호와 더해져 광대역 광원(111)에 공급전류로 인가된다.In one embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시예에서, 광원부(110)로부터 생성된 RF 변조된 광신호는 광 순환기(120)에 의해 변형부(140)로 전달된다. 변형부(140)에는 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155)를 구비된다.In one embodiment of the present invention, the RF modulated light signal generated from the
광신호가 전달되면, 서로 이격된 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155)는 전달된 광신호 중 각각 고유의 브랙(Bragg) 파장에 해당하는 파장의 광신호만을 반사한다. 본 발명의 일 실시예에서, 기준 광섬유격자(150)에서 반사되는 광신호의 파장 및 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호의 파장은 서로 상이하게 구성될 수도 있다.When the optical signal is transmitted, the reference optical fiber grating 150 and the sensing optical fiber grating 155 spaced apart from each other reflect only an optical signal having a wavelength corresponding to a unique Bragg wavelength among the transmitted optical signals. In one embodiment of the present invention, the wavelength of the optical signal reflected from the reference
본 명세서에서 기준 광섬유격자(150)에서 반사되는 광신호와 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호의 파장 간격이라 함은, 기준 광섬유격자(150)의 브랙(Bragg) 파장과 센싱 광섬유격자(155)의 브랙(Bragg) 파장 사이의 차이를 의미한다.In the present specification, the wavelength gap between the optical signal reflected from the reference
한편, 도 1에 도시된 실시예에서 변형부(140)는 외팔보(cantilever) 형태로 구성된다. 예컨대, 변형부(140)는 얇은 금속판으로 형성된 외팔보일 수 있다. 변형부(140)의 한쪽 끝은 고정부(130)에 의하여 고정되며, 고정된 한쪽 끝 반대편의 다른쪽 끝은 도 1에 점선으로 도시되는 것과 같이 고정된 한쪽 끝을 기준으로 하여 양 방향(D1)으로 구부려질 수 있다. On the other hand, in the embodiment shown in Figure 1
본 발명에서는, 기준 광섬유격자(150)에서 반사된 광신호와 센싱 광섬유격자(155)에서 반사된 광신호를 이용하여 변형부(140)의 곡률에 대응되는 신호를 출력하며, 이는 광 검출부(170)와 관련하여 상세히 후술한다.In the present invention, the signal corresponding to the curvature of the
변형부(140)에 구비된 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155) 각각에 의해 반사된 광신호는 다시 광 순환기(120)로 전달된다. 광 순환기(120)는 반사된 광신호를 단일모드 광섬유 스풀(160)로 전달한다. The optical signal reflected by each of the reference
기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155)는 각 광섬유격자의 브랙 파장에 해당하는 단일 파장의 광신호를 반사하는데, 반사된 단일 파장의 광신호는 광섬유 스풀(160)을 통과하면서 파장에 따른 분산을 갖게 된다. 본 발명의 일 실시예에서, 광섬유 스풀(16)은 기준 광섬유격자(150)에 의해 반사된 광신호 및 센싱 광섬유격자(155)에 의해 반사된 광신호에 서로 상이한 분산값을 제공할 수도 있다. 광섬유 스풀(160)을 통과하여 파장에 따른 분산을 갖는 두 광신호는 광 검출부(170)로 전달된다.The reference optical fiber grating 150 and the sensing
광 검출부(170)는 광섬유 스풀(160)로부터 파장에 따른 분산을 갖는 광신호들을 수신한다. 이때, 광대역 광원(111)에서 RF 변조된 광신호의 주파수를 f 라고 할 경우, 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155) 각각에 의해 반사되며 광섬유 스풀(160)을 거쳐 광 검출부(170)에 수신되는 광신호의 세기는 하기 수학식 1에 의하여 표현될 수 있다.The
상기 수학식 1에서, 은 기준 광섬유격자(150)에서 반사된 광신호의 위상을 나타내며, 는 센싱 광섬유격자(155)에서 반사된 광신호의 위상을 나타내고, 은 기준 광섬유격자(150)에서 반사된 광신호의 세기를 나타내며, 는 센싱 광섬유격자(155)에서 반사된 광신호의 세기를 나타낸다. In
상기 수학식 1에서, 기준 광섬유격자(150)에서 반사된 광신호와 센싱 광섬유격자(155)에서 반사된 광신호의 파장 간격이 수 nm 정도이고, 두 광섬유격자(150, 155)의 반사율이 동일한 경우, 광신호의 세기 및 는 실질적으로 으로 서로 동일할 수도 있다.In
한편, 광 검출부(170)는 수신된 광신호들을 변환하여 전기 신호의 형태로 RF 신호를 생성할 수 있다. 이때, 광 검출부(170)에 의해 변환된 전기신호의 세기는 하기 수학식 2에 의해 표현될 수 있다.Meanwhile, the
상기 수학식 2에서 는 광 검출부(170)에 의해 변환된 전기신호의 위상을 나타나며 아래 수학식 3에 의해 정의된다. In Equation 2 Denotes the phase of the electrical signal converted by the
한편, 상기 수학식 2에서 는 광 검출부(170)에 수신된 두 광신호의 위상차를 나타내며 아래 수학식 4에 의해 정의된다.Meanwhile, in Equation 2 Denotes a phase difference between two optical signals received by the
상기 수학식 4에서 c 는 진공에서의 빛의 속도, n 은 광섬유격자를 구성하는 광섬유의 굴절률, d 는 기준 광섬유격자(150)와 센싱 광섬유격자(155) 사이의 거리, D 는 광섬유 스풀(160)의 분산값, L 은 광섬유 스풀(160)의 길이, 는 기준 광섬유격자(150)에서 반사되는 광신호와 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호 사이의 파장 간격을 나타낸다. In
상기 수학식 4의 우변 괄호 안에서, 앞쪽 항인 는 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155)에서 반사된 두 광신호가 서로 다른 위치에서 반사되기 때문에 일어나는 진행 경로의 차이로 인한 위상차를 나타낸다. In the right parenthesis of
또한 상기 수학식 4의 우변 괄호 안에서 뒤쪽 항인 는 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155)에서 반사된 두 광신호의 파장이 서로 다르기 때문에, 길이가 충분히 긴 단일모드 광섬유 스풀(160)을 지나는 동안 색분산으로 인한 광신호의 진행차로 인해 발생하는 위상차이다. Also, the rear term in the right parenthesis of
상기 수학식 2 및 수학식 4로부터, 광 검출부(170)에서 출력되는 전기신호의 세기는 위상차 에 따라 변화하며, 위상차 는 다시 값에 따라 변화하는 것을 확인할 수 있다. 그러므로, 광 검출부(170)에서 출력되는 전기신호의 세기 로부터 의 값을 산출할 수 있다.From the
한편, 기준 광섬유격자(150) 또는 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호의 파장인 브랙(Bragg) 파장 는 온도와 스트레인(strain)에 따라 하기 수학식 5와 같이 변화하게 된다.On the other hand, the Bragg wavelength, which is the wavelength of the optical signal reflected from the reference
상기 수학식 5에서, pe 는 각 광섬유격자를 구성하는 광섬유의 광탄성 계수로서, 실리카 유리의 경우 대략 0.22이고 광섬유의 물성에 따라 값이 조금씩 달라진다. 또한 상기 수학식 5에서 은 광섬유격자에 가해지는 스트레인의 크기이고, 는 광섬유의 온도에 따른 팽창 계수이며, 는 광섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열광학 계수이고, 는 온도 변화량이다. In Equation 5, p e Is the photoelastic coefficient of the optical fiber constituting each optical fiber grid, and is about 0.22 in the case of silica glass, the value varies slightly depending on the physical properties of the optical fiber. Also in Equation 5 Is the size of strain applied to the optical fiber grid, Is the expansion coefficient according to the temperature of the optical fiber, Is a thermo-optic coefficient representing the change in refractive index of the optical fiber, Is the temperature change amount.
따라서 각 광섬유격자(150, 155)에서 반사되는 광신호의 파장의 변화값 만으로는 온도에 의한 영향인지 구부림에 의한 스트레인에 의한 영향인지 구분할 수 없다. 즉, 브래그(Bragg) 파장 변화로부터 구부림 정도를 정확히 측정하기 위해서는 온도에 의한 파장변화를 제거해야 한다.Therefore, the change of the wavelength of the optical signal reflected by each of the
이를 위하여, 본 발명에서는 두 개의 광섬유격자(150, 155)를 사용하여, 변형부(140)의 구부림 변형의 정도에 비례하지만 온도와는 무관한 두 브래그(Bragg) 파장 사이의 간격의 변화를 측정한다. 따라서, 온도 변화에 영향을 받지 않고 변형부(140)의 구부림 곡률을 정확하게 측정할 수 있다. 이하에서, 도 2를 참조하여 이를 상세히 살펴본다.To this end, in the present invention, two
도 2a는 변형부(14)가 구부러지는 경우를 도시한 개략도이다. 도 2a를 참조하면, 변형부(140)에 수직방향으로 힘이 가해진 경우, 변형부(140)는 도 2a에 도시된 바와 같은 방향으로 구부려진다. 이때, 변형부(140)에 인가되는 스트레인 은 하기 수학식 6으로 표현된다. 2A is a schematic diagram showing the case where the deformable portion 14 is bent. Referring to FIG. 2A, when a force is applied to the
상기 수학식 6에서, l 은 변형부(140)가 고정되지 않은 부분의 길이, T는 변형부(140)의 두께, 는 변형부(140)의 곡률 반경을 나타낸다. 즉, 상기 수학식 6으로부터 변형부(140)에 인가되는 스트레인은 변형부(140)가 구부려진 곡률에 비례한다는 것을 알 수 있다. In Equation 6, l is the length of the portion where the
한편, 도 2b는 변형부(140)가 변형된 정도를 곡선으로 근사하여 도시한 개략 도이다. 이때, 변형부(140)의 변형곡선은 하기 수학식 7에 의해 표현될 수 있다.On the other hand, Figure 2b is a schematic diagram showing an approximation of the degree of deformation of the
상기 수학식 7에서, z(x)는 고정되지 않은 부분의 길이가 l 인 변형부(14)의 끝이 z 만큼 구부러졌을 경우, 고정부(13)로부터 x 만큼 떨어진 지점에서의 변형 정도를 나타낸다. 한편 고정부(13)로부터 x 만큼 떨어진 지점에서의 곡률은 상기 수학식 7을 적용하면 하기 수학식 8에 의해 표현될 수 있다.In Equation 7, z (x) represents the degree of deformation at a point away from the fixing part 13 when the end of the deformation part 14 having the length of the non-fixed part is bent by z. . On the other hand, the curvature at the point x away from the fixing portion 13 can be expressed by the following equation (8) by applying the equation (7).
변형부(14)에 인가되는 스트레인은 상기 수학식 6과 같이 곡률에 비례하고, 곡률은 상기 수학식 8에 의해 결정된다. 따라서, 변형부(14)에 인가되는 스트레인은 변형부(14)가 고정부(13)에 의해 고정되는 한쪽 끝에서 가장 크고, 반대쪽 끝에서는 0 이 된다.The strain applied to the deformation unit 14 is proportional to the curvature as shown in Equation 6, and the curvature is determined by Equation 8. Thus, the strain applied to the deformable portion 14 is greatest at one end where the deformable portion 14 is fixed by the fixing portion 13, and zero at the opposite end.
도 1을 참조하면, 기준 광섬유격자(150)는 변형부(140)가 고정부(130)에 의하여 고정된 부분에 인접하여 위치한다. 따라서, 변형부(140)가 구부려지더라도 기 준 광섬유격자(150)의 위치는 변화하지 않는다. 한편, 센싱 광섬유격자(155)는 변형부(140)의 중앙에 위치하므로, 변형부(140)가 구부려짐에 따라 센싱 광섬유격자(155)의 위치도 변화한다. Referring to FIG. 1, the reference optical fiber grating 150 is positioned adjacent to a portion where the
따라서, 변형부(140)가 도 1에 점선으로 도시된 것과 같이 구부러지는 경우 기준 광섬유격자(150)는 스트레인을 받지 않지만, 변형부(140) 중간에 위치한 센싱 광섬유격자(155)는 인장되는 방향의 장력을 받게 된다. 따라서, 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호의 파장이 이동하게 되어, 결과적으로 기준 광섬유격자(150)에서 반사되는 광신호와 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호의 파장 간격 가 변하게 된다. Therefore, when the
하지만, 변형부(140)가 구부러지지 않고 온도만 변화하는 경우에는, 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155) 각각의 브랙(Bragg) 파장은 변화하지만, 양 광섬유격자(150, 155)의 브랙(Bragg) 파장의 변화량이 동일하므로, 양 광섬유격자(150, 155)에서 반사되는 광신호의 파장 간격 는 변화하지 않는다.However, when the
따라서, 기준 광섬유격자(150)에서 반사되는 광신호와 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호의 파장 간격 는 온도 변화에 의해 영향을 받지 않으며, 상기 수학식 8과 같이 변형부(140)가 구부러지는 것으로 인해 센싱 광섬유격자(155)에 인가되는 스트레인에 의해서만 영향을 받게 된다. 그러므로, 광 검출부(170)에 의해 측정되는 신호의 세기로부터 변형부(140)의 곡률을 산출할 수 있다.Therefore, the wavelength gap between the optical signal reflected from the reference
도 3은 도 1에 도시된 구부림 센서에서 광 검출부(170)에 전달되는 광신호의 세기를, 기준 광섬유격자(150)에서 반사되는 광신호와 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호의 파장 간격 에 따라 도시한 그래프이다. 본 발명가들은, 기준 광섬유격자(150)와 센싱 광섬유격자(155) 사이의 거리 d 가 20cm, 광섬유 스풀(160)의 분산값 D 가 17ps/km nm, 광섬유 스풀(160)의 길이 L 이 25km 인 구부림 센서에 대해서 계산을 수행하였다. 3 shows the intensity of the optical signal transmitted to the
도 3을 참조하면, 광대역 광원(111)의 변조 주파수 f 가 350MHz 인 경우, 파장 간격 가 0nm 에서 1nm 로 증가하면 정규화된(normalized) 전체 광신호의 세기는 0.5에서 0.1로 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서, 전체 광신호의 세기로부터 파장 간격 를 산출할 수 있으며, 상기 수학식 5로부터 다시 센싱 광섬유격자(155)가 위치한 지점의 스트레인을 산출할 수 있다. 또한 산출된 스트레인을 상기 수학식 6에 대입하여 변형부(14)의 곡률을 산출할 수 있다.Referring to FIG. 3, when the modulation frequency f of the
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구부림 센서의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 도 4에 도시된 실시예에서 변형부(140)는 변형부(140)의 저면 중앙에 위치하는 기준 광섬유격자(150) 및 변형부(140)의 상면 중앙에 위치하는 센싱 광섬유격자(155)를 구비한다. 변형부(140)에서 기준 광섬유격자(150)의 위치를 제외하면 광 원부(110), 광섬유 스풀(160) 및 광 검출부(170)의 구성 및 기능은 도 1을 참조하여 전술한 실시예와 동일하므로 자세한 설명을 생략한다. 4 is a block diagram of a bending sensor according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, in the embodiment illustrated in FIG. 4, the
도 4에 도시된 실시예에서 변형부(140)가 양 방향(D1)을 따라 구부러지는 경우, 변형부(140)의 상면에 위치한 센싱 광섬유격자(155)는 인장되는 방향의 스트레인(tension)을 받게 되지만 변형부(140)의 저면에 위치한 기준 광섬유격자(150)는 압축되는 방향의 스트레인(compression)을 받게 된다. In the embodiment shown in FIG. 4, when the
따라서, 도 1에 도시된 실시예와 비교할 경우, 도 4에 도시된 실시예에서는 기준 광섬유격자(150) 및 센싱 광섬유격자(155)에 인가되는 스트레인이 반대 방향이므로, 변형부(140)의 변형에 따라 기준 광섬유격자(150)에서 반사되는 광신호 및 센싱 광섬유격자(155)에서 반사되는 광신호의 파장 간격의 변화량이 2배가 된다. 따라서 도 1에 도시된 실시예와 비교할 때, 향상된 측정 정밀도를 얻을 수 있는 이점이 있다. Therefore, in comparison with the embodiment shown in FIG. 1, since the strains applied to the reference optical fiber grating 150 and the sensing optical fiber grating 155 are in opposite directions, the deformation of the
도 4에 도시된 실시예에서는 기준 광섬유격자(150)는 변형부(140)의 저면에 형성되고 센싱 광섬유격자(155)는 변형부(140)의 상면에 형성되었으나, 이는 예시적인 것으로서, 본 발명의 다른 실시예에서는 기준 광섬유격자(150)와 센싱 광섬유격자(155)의 위치를 도 4에 도시된 것과 반대로 형성할 수도 있다.In the embodiment shown in FIG. 4, the reference optical fiber grating 150 is formed on the bottom of the
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구부림 센서를 도시한 구성도이다. 도 5를 참조하면, 상기 실시예에 따른 구부림 센서에서 광원부(110)는 광대역 광원(111) 및 외부 광변조기(115)를 포함하여 구성된다. 광원부(110)의 구성을 제외 하면 변형부(140), 광섬유 스풀(160) 및 광 검출부(170)의 구성 및 기능은 도 1을 참조하여 전술한 실시예와 동일하므로 자세한 설명을 생략한다. 5 is a block diagram illustrating a bending sensor according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 5, in the bending sensor according to the embodiment, the
전술한 도 1 및 도 4에 도시된 실시예에서는 광대역 광원(111)의 광신호를 직접 RF 변조하여 RF 변조된 광신호를 생성하였다. 그러나, 장거리 센서로 이용하기 위해서 고출력의 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium-Doped Fiber Amplifier; EDFA) 등을 이용하는 경우에는 광대역 광원(111)의 광신호를 직접 RF 변조하는 것이 어렵다. 1 and 4 described above, RF signals are directly generated by RF modulation of the optical signal of the
따라서, 상기 실시예에서는, 도 5에 도시된 바와 같이 광원부(110)가 광대역 광원(111) 및 외부 광변조기(115)를 포함하도록 구성한다. 광대역 광원(111)에 의해 생성된 광신호는 외부 광변조기(115)를 통과하면서 RF 변조되며, RF 변조된 광신호가 광원부(110)로부터 출력되어 광 순환기(120)로 전달된다.Accordingly, in the above embodiment, as shown in FIG. 5, the
도 6은 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서에서 곡률에 따른 광 검출부(170)로부터 출력되는 RF 신호의 크기를 도시한 그래프이다. 이때, 기준 광섬유격자(150)와 센싱 광섬유격자(155) 사이의 거리 d 가 48 cm 이며, 구부림이 없을 때 두 브랙파장의 차이는 2.7 nm 정도 였다. 도 6을 참조하면, 그래프 상에 사각형(□)으로 표시되는 것은 곡률을 나타내며, 그래프 상에 원(○)으로 표시되는 것은 파장간격을 나타낸다. 곡률이 0 m- 1 에서 2 m- 1 로 커질 경우의 RF 신호 세기가 감소함을 확인할 수 있다. FIG. 6 is a graph illustrating the magnitude of an RF signal output from the
한편, 도 6의 그래프에서 곡률값이 음수인 경우는 구부림의 방향이 반대인 경우에 해당된다. Meanwhile, in the graph of FIG. 6, the negative curvature corresponds to the opposite direction of bending.
이상에서 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서는 저손실의 광섬유를 이용하여 장거리 전송이 가능하므로 분포형 센서에 유용하게 사용될 수 있으며, 변조하는 RF 신호의 주파수를 바꿈으로서 측정감도와 측정범위를 자유로이 조절할 수 있는 이점이 있다.The bending sensor according to an embodiment of the present invention described above can be used for a distributed sensor because it can be transmitted over a long distance by using a low loss optical fiber, and the measurement sensitivity and measurement range can be changed by changing the frequency of the modulated RF signal. There is an advantage that can be adjusted freely.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.Although the present invention described above has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and variations may be made therefrom. However, such modifications should be considered to be within the technical protection scope of the present invention. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구부림 센서의 구성도이다.1 is a block diagram of a bending sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 구부림 센서에서 변형부의 변형 곡선으로부터 곡률을 구하는 원리 및 곡률과 스트레인의 관계를 도시한 개략도이다.2A and 2B are schematic diagrams illustrating a principle of obtaining curvature from a deformation curve of a deformation part in the bending sensor illustrated in FIG. 1 and a relationship between curvature and strain.
도 3은 도 1에 도시된 구부림 센서를 사용한 실험 결과를 도시한 그래프이다. 3 is a graph showing the results of experiments using the bending sensor shown in FIG. 1.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구부림 센서의 구성도이다.4 is a block diagram of a bending sensor according to another embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구부림 센서의 구성도이다.5 is a block diagram of a bending sensor according to another embodiment of the present invention.
도 6은 도 4에 도시된 구부림 센서를 사용한 실험 결과를 도시한 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating an experiment result using the bending sensor illustrated in FIG. 4.
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