KR101498381B1 - System for monitoring three-dimension shape of pipe-structure using fiber bragg grating sensor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 파이프 구조의 3차원 형상 모니터링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 파이프 구조의 3차원 형상 모니터링 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a three-dimensional shape monitoring system of a pipe structure, and more particularly, to a three-dimensional shape monitoring system of a pipe structure using an optical fiber Bragg grating sensor.
교량, 빌딩 등 구조물의 응력은 구조물의 상태를 평가하기 위하여 매우 중요한 측정항목이며, 일반적으로 구조물의 응력은 스트레인 게이지를 이용하여 변형률(strain)을 측정한 다음 탄성계수를 곱하여 응력으로 환산한다.The stresses of structures such as bridges and buildings are very important for evaluating the condition of structures. Generally, the stresses of structures are measured by strain gauges and then converted into stress by multiplying the elastic modulus.
이러한 변형률 측정을 위하여 종래에는 전기저항식 변형률 게이지를 많이 사용하였으나, 전기저항식 센서류는 케이블 길이에 따라서 노이즈가 증가되는 단점이 있어, 대형 구조물 측정시 많은 단점을 내포하고 있으며, 장기 계측시 자기열 효과에 의하여 센싱부가 부식되는 등 장기적인 내구성에 적지 않은 문제점이 있었다. 또한, 하나의 센서마다 각각 수십에서 수백 미터의 케이블 포설이 필요하기 때문에 많은 인력이 필요할 뿐만 아니라, 획득된 신호의 품질도 양호하지 못한 단점이 있었다.In order to measure such a strain, an electric resistance type strain gauge has been widely used. However, the electric resistance type sensor has a disadvantage of increasing the noise according to the cable length, and has many disadvantages when measuring a large structure. There is a problem in long-term durability such as corrosion of the sensing part due to the effect. In addition, since cables need to be installed several tens to several hundreds of meters for each sensor, not only a lot of manpower is required but also the quality of acquired signals is not good.
이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에는 교량, 댐, 빌딩과 같은 산업기간 시설물의 장기계측시 FBG(Fiber Bragg Grating) 광섬유센서를 적용하는 사례가 점점 늘어가고 있는 추세이다.Recently, in order to overcome these shortcomings, FBG (Fiber Bragg Grating) fiber optic sensors are increasingly used for long-term measurement of industrial facilities such as bridges, dams, and buildings.
현재, 광섬유 센서(Optical Fiber Sensor)로 응응하여 활발한 연구가 진행되고 있는 광섬유 브래그 격자(FBG; Fiber Bragg Grating)은 광섬유 레이저 및 필터, 펄스압축 등에 이용되고 있으며, 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 장점은 단일 센서를 이용한 측정뿐만 아니라 단일 광섬유 안에 여러 개의 센서를 삽입하여 여러 지점의 물리적 변화량을 측정할 수 있고, 센서에서 반사되어 돌아온 파장을 측정하기가 용이하다는 것이다.Fiber Bragg Grating (FBG), which has been actively researched in response to optical fiber sensors, is currently being used for fiber laser, filter, and pulse compression. Advantages of fiber Bragg Grating (FBG) sensors It is possible to measure the amount of physical change at various points by inserting several sensors in a single optical fiber as well as measurement using a single sensor and it is easy to measure the wavelength reflected from the sensor.
FBG 광섬유센서는 광케이블에 특정파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시켜 인장-압축 또는 온도변화에 따라서 반사되는 파장이 달라지기 때문에, 초기 파장에서 변화된 반사파장의 변화량을 인장-압축 또는 온도로 환산함으로써 센서로서 활용하는 것으로, 하나의 케이블에 파장이 다른 여러 개의 센서를 동시에 설치할 수 있어 멀티플레싱이 가능하고, 빛이 소스이기 때문에 케이블 길이가 길어진다 하더라도 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않으며, 수십 km까지 증폭기 없이 신호를 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자기파에 영향이 거의 없으며, 유리재질이기 때문에 습기 등에 의한 부식의 영향이 거의 없어 장기적인 내구성이 매우 뛰어난 센서이다.The FBG optical fiber sensor generates a Bragg grating that reflects a specific wavelength in the optical cable and changes the wavelength reflected by the tensile-compression or temperature change. Therefore, by converting the change amount of the reflected wavelength at the initial wavelength into tensile- , It is possible to install multiple sensors with different wavelengths on one cable at the same time so that it can be multiplexed and the noise is not generated in the signal even if the cable length is long because the light is a source, It has the advantage of transmitting signals without amplifiers. In addition, it has almost no influence on electromagnetic waves, and it is a sensor which is excellent in long-term durability because it is made of glass and hardly affected by corrosion due to moisture or the like.
광섬유 브래그 격자(FBG) 센서는 광섬유 코어 안에 주기적인 굴절률을 만들어 구성하며, 외부의 물리적 변화에 의해 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서에 의해 반사된 광신호의 중심 파장이 물리적 변화량만큼 변화한다. 따라서, 파장 변화량을 검출한다면 물리적 변화량을 계산할 수 있는 것이다.
A fiber Bragg grating (FBG) sensor generates a periodic refractive index in an optical fiber core. The center wavelength of an optical signal reflected by a fiber Bragg grating (FBG) sensor changes by a physical change due to an external physical change. Therefore, if the wavelength change amount is detected, the physical change amount can be calculated.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 파이프의 형상을 용이하게 모니터링할 수 있는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a system for easily monitoring the shape of a pipe using an optical fiber Bragg grating sensor.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광섬유가 내장된 파이프, 상기 파이프 내의 광섬유가 형성된 선을 따라 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성되는 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber Bragg Grating sensor), 상기 파이프에 내장된 광섬유에 광원을 입력하고, 상기 광섬유 브래그 격자 센서로부터 반사되는 파장 신호 데이터를 수신하기 위한 광원 송수신 장치 및 상기 광원 송수신 장치에서 수신한 파장 신호 데이터를 이용하여, 상기 파이프의 3차원 형상과 위치를 추정하여 모니터링하는 컴퓨터를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a fiber Bragg grating sensor including a pipe having an optical fiber therein, a fiber Bragg grating sensor spaced apart from the pipe along a line formed with the optical fiber in the pipe, Dimensional shape and position of the pipe are estimated by using a light source transmission / reception device for inputting a light source to the optical fiber Bragg grating sensor and receiving wavelength signal data reflected from the fiber Bragg grating sensor, and wavelength signal data received by the light source transmission / Includes computers to monitor.
상기 파이프는 120도 간격으로 길이 방향으로 형성된 3개의 광섬유가 내장될 수 있다. The pipe may include three optical fibers formed in the longitudinal direction at intervals of 120 degrees.
상기 컴퓨터는 파장 신호 데이터를 이용하여 x축, y축, z축의 좌표 정보를 획득하고, 좌표 정보를 이용하여 파이프의 3차원 형상을 추정할 수 있다. The computer obtains coordinate information of the x-axis, the y-axis, and the z-axis using the wavelength signal data, and estimates the three-dimensional shape of the pipe using the coordinate information.
상기 컴퓨터는 상기 파이프에 형성된 3개의 광섬유 중에서 제1 광섬유로부터 x축 좌표 정보를 획득하고, 제2 광섬유로부터 y축 좌표 정보를 획득하고, 제3 광섬유로부터 z축 좌표 정보를 획득할 수 있다. 왜냐하면, 구해야 할 값이 r, θ, α 3개가 필요하기 때문에 광섬유 센서 3개를 이용한다.The computer may obtain x-axis coordinate information from the first optical fiber among the three optical fibers formed in the pipe, obtain y-axis coordinate information from the second optical fiber, and obtain z-axis coordinate information from the third optical fiber. Because three values of r, θ and α are required to be obtained, three optical fiber sensors are used.
곡률반지름을 r, 곡률각을 θ, 그리고 파이프 단면에서의 곡률의 기울어진 정도를 나타내는 각을 α라고 하면, 각각의 광섬유 브래그 격자 센서가 위치한 단면의 중심을, (수학식 5)로 나타낼 수 있다.The radius of curvature is r, the curvature angle is θ, and the angle indicating the degree of tilting of the curvature in the pipe section is α, the center of the cross section on which each fiber Bragg grating sensor is located is defined as (Equation 5).
광섬유 브래그 격자 센서의 길이를 s, 변형률을 ε이라 할 때, (수학식 6)의 수식으로 나타낼 수 있고, 이때 (수학식 7)이다.When the length of the fiber Bragg grating sensor is s and the strain is ε, (Equation 6), where < RTI ID = 0.0 > (Equation 7).
120°는 3개의 광섬유 브래그 격자 센서들이 서로 이루는 각도라고 할 때, 상기 수학식 7에서 r1, r2, r3의 값을 상기 수학식 5 및 상기 수학식 6에 적용하여 연립시키면, (수학식 8)의 수식으로 나타낼 수 있다.When the values of r 1 , r 2 , and r 3 in Equation (7) are applied to Equation (5) and Equation (6) by combining the three optical fiber Bragg grating sensors, (8). ≪ / RTI >
ε12=ε2-ε1, ε13=ε3-ε1, ε23=ε3-ε2이고, σ1=1+ε1, σ2=1+ε2, σ3=1+ε3라고 하면, 수학식 8은 (수학식 9)의 α에 관한 식으로 표현하거나, (수학식 10)의 곡률 반경 r에 대한 식으로 표현할 수 있다. ε 12 = ε 2 -ε 1, ε 13 = ε 3 -
광섬유 브래그 격자 센서가 위치한 파이프의 단면 위치인 x, y, z의 좌표값을 표현한 함수 f(x,y,z)를 output이라 하고, n은 위치 데이터의 수라고 하면, (수학식 11)로 나타낼 수 있다.If the function f (x, y, z) expressing the coordinate values of x, y and z, which is the sectional position of the pipe in which the fiber Bragg grating sensor is located, is called output and n is the number of position data, (11). &Quot; (11) "
상기 광원 송수신 장치는 FBG 인테로게이터(Interrogator)일 수 있다.The light source transceiver may be an FBG interrogator.
상기 컴퓨터는 상기 파이프의 변형률과, 이를 근거로 파이프의 3차원 형상을 계산할 수 있다.
The computer can calculate the strain of the pipe and the three-dimensional shape of the pipe based on the strain.
본 발명에 의하면 광섬유 브래그 격자 센서를 이용하여 파이프의 3차원 형상과 변형률을 용이하게 모니터링할 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, it is possible to easily monitor the three-dimensional shape and strain of a pipe by using an optical fiber Bragg grating sensor.
또한, 본 발명에서 광섬유 브래그 격자 센서에서 반사되는 파장을 이용하여 파이프를 포함하는 재료, 구조물 등의 변형률을 측정할 수 있고, 이를 통하여 구조 건전성 모니터링, 형상 추정 등에 관한 연구에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
Also, in the present invention, it is expected that strain can be measured using a wavelength reflected from an optical fiber Bragg grating sensor, such as a material including a pipe, a structure, and the like, .
도 1은 일반적인 광섬유 브래그 격자 센서의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 광섬유 브래그 격자 센서 시스템의 동작과 파형을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 3차원 형상 모니터링 시스템을 보여주는 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 파이프의 3차원 형상과 위치를 표현하는 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a view for explaining a structure and a principle of a general optical fiber Bragg grating sensor.
2 is a diagram showing the operation and waveform of the fiber Bragg grating sensor system.
FIG. 3 and FIG. 4 are views showing a three-dimensional shape monitoring system using an optical fiber Bragg grating sensor according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 5 to 7 are views for explaining an algorithm for expressing a three-dimensional shape and position of a pipe using an optical fiber Bragg grating sensor according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.While the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof are shown by way of example in the drawings and will herein be described in detail. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless expressly defined in the present application Do not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
도 1은 일반적인 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber bragg grating sensor, FBG sensor)의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 1 is a view for explaining the structure and principle of a conventional fiber bragg grating sensor (FBG sensor).
도 1을 참조하면, 광섬유 브래그 격자 센서는 광섬유의 코어(Core)에 주기적인 격자을 만들고, 이에 따른 빛의 굴절률 변화를 이용한다. 즉, 브래그 격자에 광대역 광을 입사시키면 굴절률이 변하는 경계면에서 빛을 반사시키게 되는데, 브래그 조건(Bragg condition)에 해당하는 브래그 파장 λB의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 이 외 다른 파장의 빛은 브래그 격자를 통과하게 된다. 브래그 조건은 다음 수학식과 같다.Referring to FIG. 1, an optical fiber Bragg grating sensor forms a periodic lattice on a core of an optical fiber, and thereby utilizes a refractive index change of light. That is, when a broadband light is incident on the Bragg grating, the light is reflected at the interface where the refractive index changes. The Bragg wavelength λ b corresponding to the Bragg condition is reflected without passing through the Bragg grating, The light of the light passes through the Bragg grating. The Bragg condition is expressed by the following equation.
여기서, ne는 광섬유 격자의 유효 굴절률(effective refractive index)로서 빛이 광섬유 브래그 격자의 한 주기를 진행할 때의 평균 굴절률을 나타내며, Λ는 광섬유 코어에 새겨진 격자의 간격(grating period)을 의미한다.Here, n e is an effective refractive index of the optical fiber grating, which represents the average refractive index when light propagates through one period of the fiber Bragg grating, and A represents a grating period engraved in the optical fiber core.
즉, 수학식 1과 같은 브래그 조건(Bragg Condition)에 해당하는 브래그 파장 의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 이 외에 다른 파장의 빛은 통과하게 되는 것이다.That is, the Bragg wavelength corresponding to the Bragg Condition as shown in Equation (1) is reflected without passing through the Bragg grating, and the light of other wavelengths passes through the Bragg Condition.
수학식 1로 나타낼 수 있는 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수로서, 광섬유 브래그 격자에 단거리 변형률 등의 외부 물리량을 가할 경우, 이들 값에 의하여 브래그 파장이 달라진다. 이 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정함으로써, 광섬유 격자에 가해진 미지의 물리량이 구해질 수 있다.The Bragg wavelength reflected from the optical fiber Bragg grating represented by Equation (1) is a function of the effective refractive index and the lattice spacing. When an external physical quantity such as a short distance strain is applied to the optical fiber Bragg grating, Bragg wavelength is changed by these values. By precisely measuring the change of the Bragg wavelength, an unknown physical quantity applied to the optical fiber grating can be obtained.
광섬유 브래그 격자 센서는 측정량이 브래그 반사 파장의 변화량이므로 측정이 간편하며, 광섬유 브래그 격자의 반사 파장의 선폭이 좁기 때문에 분해능이 높은 센서를 구성할 수 있다. 또한, 브래그 반사 파장이 서로 다른 광섬유들은 서로 영향을 받지 않으므로 하나의 광섬유를 이용한 다중점 측정이 가능하다.The fiber Bragg grating sensor is easy to measure because the amount of change of the Bragg reflection wavelength is measured, and the line width of the reflection wavelength of the fiber Bragg grating is narrow. In addition, since the optical fibers having different Bragg reflection wavelengths are not influenced by each other, multi-point measurement using one optical fiber is possible.
광섬유 브래그 격자 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우, 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 광원의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장 분할 방식이라 한다.In the fiber Bragg grating sensor, a plurality of gratings are used for a single optical fiber. In this case, by making all the reflection wavelengths of the gratings different, it is possible to easily distinguish physical quantities experienced by a specific grating from the spectrum of the reflected light source. This method is called wavelength division method.
격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이며, 광섬유 브래그 격자 센서에 외부 물리량을 인가할 경우, 브래그 파장이 달라지므로, 브래그 파장의 변화를 측정한다면 광섬유 브래그 격자 센서에 인가된 물리량을 구할 수 있다.The Bragg wavelength reflected by the grating is a function of the effective refractive index and the lattice spacing. When an external physical quantity is applied to the optical fiber Bragg grating sensor, the Bragg wavelength is changed. Therefore, if the Bragg wavelength is measured, Can be obtained.
광섬유 브래그 격자 센서의 가장 큰 응용 중의 하나는 구조물의 상태를 진단하는 것이다. 예를 들면, 교량, 댐, 건축물 등의 제작시에 콘크리트 내에 광섬유 센서를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도를 감지하여 구조물의 안전 상태를 진단할 수 있다.One of the biggest applications of fiber Bragg grating sensors is to diagnose the condition of the structure. For example, a fiber optic sensor is installed in a concrete in the manufacture of bridges, dams, buildings, etc., and the safety state of the structure can be diagnosed by sensing the tensile distribution or bending degree inside the structure.
도 2는 광섬유 브래그 격자 센서 시스템의 동작과 파형을 도시한 도면이다.2 is a diagram showing the operation and waveform of the fiber Bragg grating sensor system.
도 2를 참조하면, 광대역 광원(210)에서 광대역 광을 광섬유(230)에 입사시키면, 굴절률이 변하는 경계면에서 빛이 반사되고, 이들 중 수학식 1과 같은 브래그 조건에 해당하는 브래그 파장 λB의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 그 외 다른 빛은 브래그 격자를 통과하여 전송된다. Referring to FIG. 2, when broadband light is input to the
광 검출기(220)는 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되는 빛을 검출하는 역할을 한다. The
도 2에서, 입력 스펙트럼 파형(a), 브래그 격자를 통과하여 전송된 신호 파형(b), 반사된 신호 파형(c)이 도시되어 있다. In Fig. 2, the input spectrum waveform (a), the signal waveform (b) transmitted through the Bragg grating, and the reflected signal waveform (c) are shown.
수학식 1은 유효 굴절률과 격자의 주기로 표시되는데, 이는 온도와 변형률의 함수라고 할 수 있으며, 광섬유 브래그 격자에 온도나 변형률 등의 외란이 가해지면 브래그 파장 λB가 변한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 3차원 형상 모니터링 시스템을 보여주는 도면이다.FIG. 3 and FIG. 4 are views showing a three-dimensional shape monitoring system using an optical fiber Bragg grating sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 3차원 형상 모니터링 시스템은 파이프(Pipe)(100), 광원 송수신 장치(200), 컴퓨터(computer)(300)를 포함한다.3 and 4, a three-dimensional shape monitoring system using an optical fiber Bragg grating sensor of the present invention includes a
도 3 및 도 4에서 A는 파이프(100)의 단면을 확대한 것이다. In Figs. 3 and 4, A is an enlarged cross-section of the
파이프(100)는 120도 간격으로 길이 방향으로 형성된 3개의 광섬유(110)를 포함한다.The
본 발명에서 컴퓨터(300)는 파이프(100)의 x축, y축, z축의 3개의 정보가 필요하므로, 파이프(100)에 광섬유 3개가 형성된다. In the present invention, the
본 발명에서는 파이프(100)에 형성된 3개의 광섬유 센서들을 이용하여 측정되는 변형률을 이용하여 광섬유 센서가 위치한 파이프 지점의 형상을 추정한다. In the present invention, the shape of the pipe point where the optical fiber sensor is located is estimated by using the strain measured using the three optical fiber sensors formed on the
광섬유 브래그 격자 센서(FBG)는 파이프 내의 광섬유(110)가 형성된 선을 따라 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성된다. The fiber Bragg grating sensors FBG are formed at predetermined intervals along a line formed with the
광원 송수신 장치(200)는 파이프(100)에 내장된 광섬유(110)에 광원을 입력하고, 광섬유 브래그 격자 센서로부터 반사되는 파장 신호 데이터를 수신하는 역할을 한다. The
본 발명의 일 실시예에서 광원 송수신 장치(200)는 FBG 인테로게이터(Interrogator)일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the
컴퓨터(300)는 광원 송수신 장치(200)에서 수신한 파장 신호 데이터를 이용하여, 파이프(100)의 3차원 형상과 위치를 추정한다. 또한, 컴퓨터(300)는 파이프(100)의 3차원 형상과 위치를 추정하면서 파이프(100)의 변형률을 계산할 수 있다. The
본 발명에서 컴퓨터(300)는 파장 신호 데이터를 이용하여 x축, y축, z축의 좌표 정보를 획득하고, 좌표 정보를 이용하여 파이프(100)의 3차원 형상을 추정할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터(300)는 파이프(100)에 형성된 3개의 광섬유 중에서 제1 광섬유로부터 x축 좌표 정보를 획득하고, 제2 광섬유로부터 y축 좌표 정보를 획득하고, 제3 광섬유로부터 z축 좌표 정보를 획득할 수 있다. In the present invention, the
본 발명에서 광섬유 브래그 격자 센서(FBG)를 이용하여 파이프(100)의 변형률을 측정하는 원리를 설명하면 다음과 같다. The principle of measuring the strain of the
도 1 및 도 2를 참조하면, 파이프(100)에서 외력에 의한 변형이나 온도 변화가 있으면, 광섬유 브래그 격자 센서에서 반사되는 파장에 변화가 발생한다. 이때 관계식은 다음과 같다.Referring to FIG. 1 and FIG. 2, when the
수학식 2에서 α는 광섬유의 온도에 따른 팽창계수이고, ξ는 광섬유의 온도에 따른 열 광학계수이다. ρe는 광 탄성 계수로서, 다음 수학식 3의 관계를 갖는다. In Equation (2),? Is the expansion coefficient according to the temperature of the optical fiber, and? Is the thermal optical coefficient according to the temperature of the optical fiber. ? e is the photoelastic coefficient, and has the following relationship (3).
통상적으로 ρe는 0.22의 값을 갖는다.Typically, ρ e has a value of 0.22.
만약 온도 변화가 0, 즉, ΔT=0이라고 가정하면, 수학식 2는 다음 수학식 4로 간단히 표현할 수 있다. Assuming that the temperature change is 0, i.e., DELTA T = 0, Equation (2) can be simply expressed by Equation (4).
본 발명에서는 수학식 4를 이용하여 광섬유 브래그 격자 센서에서 발생하는 변형률을 계산할 수 있다. In the present invention, the strain generated in the fiber Bragg grating sensor can be calculated using Equation (4).
결과적으로, 본 발명에서 광섬유 브래그 격자 센서에서 반사되는 파장을 이용하여 파이프를 포함하는 재료, 구조물 등의 변형률을 측정할 수 있고, 이를 통하여 구조 건전성 모니터링, 형상 추정 등에 관한 연구에 활용할 수 있다.
As a result, in the present invention, it is possible to measure the strain of a material, a structure, and the like including a pipe by using a wavelength reflected from an optical fiber Bragg grating sensor, and thereby it can be utilized for studying structural health monitoring, shape estimation, and the like.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 파이프의 3차원 형상과 위치를 표현하는 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다. FIGS. 5 to 7 are views for explaining an algorithm for expressing a three-dimensional shape and position of a pipe using an optical fiber Bragg grating sensor according to an embodiment of the present invention.
도 5 내지 도 7을 참조하여 3줄의 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 파이프의 형상과 위치를 표현하는 알고리즘을 설명하면 다음과 같다. 5 to 7, an algorithm for expressing the shape and position of a pipe using three lines of fiber Bragg grating sensors will be described.
도 5와 같이 파이프의 형상을 나타내기 위해서는 x, y, z의 좌표가 필요하다. 이를 위하여, 좌표점을 계산하고, 이를 계산하기 위해 필요한 파라미터들을 광섬유 브래그 격자 센서의 변형률 값을 이용하여 구한다. As shown in FIG. 5, coordinates of x, y, and z are required to represent the shape of the pipe. For this purpose, the coordinate points are calculated and parameters necessary for calculating them are obtained using the strain value of the fiber Bragg grating sensor.
파이프의 광섬유 브래그 격자 센서가 위치한 단면의 중심은 다음 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.The center of the cross section where the fiber Bragg grating sensor of the pipe is located can be expressed by the following equation (5).
x, y, z의 좌표값을 구하기 위해서는 곡률반지름 r 값, 곡률각 θ값, 그리고 파이프 단면에서의 곡률의 기울어진 정도를 나타내는 각 α값을 구한다.To obtain the coordinate values of x, y and z, we obtain the value of the curvature radius r, the curvature angle θ, and the angle α indicating the degree of tilting of the curvature in the pipe section.
도 6에서 보는 바와 같이, θ값은 변형률 값에 의해서 구해질 수 있으며, 이는 다음 수학식으로 나타낼 수 있다. As shown in FIG. 6, the θ value can be obtained by the strain value, which can be expressed by the following equation.
여기서, 변형률 ε의 값은 광섬유 브래그 격자 센서의 변형률 값으로 알 수 있다. 즉, 광섬유 브래그 격자 센서의 길이 s와 변형률 ε를 알고, 나머지 r1, r2, r3의 값을 구함으로써, θ값을 구할 수 있다.Here, the value of strain ε is known as the strain value of the optical fiber Bragg grating sensor. That is, the length s and the strain ε of the fiber Bragg grating sensor are known, and the values of r 1 , r 2 , and r 3 are obtained, thereby obtaining the θ value.
도 7을 참조하여 r1, r2, r3의 값을 구하는 식을 유도할 수 있다. 이는 다음 수학식 7과 같다. Referring to FIG. 7, it is possible to derive an expression for obtaining the values of r 1 , r 2 , and r 3 . This is shown in Equation (7).
수학식 7에서 r1, r2, r3의 값을 수학식 5 및 수학식 6에 적용하여 연립시키면, 다음 수학식 8과 같이 r과 α에 관한 식을 얻을 수 있다. When the values of r 1 , r 2 , and r 3 are applied to Equation (5) and Equation (6) in Equation (7), equations relating to r and? Can be obtained as Equation (8).
여기서, 120°는 3개의 광섬유 브래그 격자 센서들이 서로 이루는 각도이다. Here, 120 ° is an angle formed by the three fiber Bragg grating sensors.
ε12=ε2-ε1, ε13=ε3-ε1, ε23=ε3-ε2이고, σ1=1+ε1, σ2=1+ε2, σ3=1+ε3라고 하면, 수학식 8은 α에 관한 식인 다음 수학식 9와 같이 표현할 수 있다. ε 12 = ε 2 -ε 1, ε 13 = ε 3 -
또한, 수학식 8은 곡률 반경 r에 대한 식인 수학식 10과 같이 나타낼 수도 있다.Equation (8) can also be expressed as Equation (10), which is an equation for the radius of curvature r.
이상에서 설명한 바와 같이, 수식을 이용하여 r값, θ값과 α값을 구할 수 있다. 또한, 구한 값들을 이용하여 최종적으로 광섬유 브래그 격자 센서가 위치한 파이프의 단면 위치인 x, y, z의 좌표값을 구할 수 있다. As described above, the r value,? Value and? Value can be obtained by using the formula. Also, the coordinate values of x, y, and z, which are the cross-sectional positions of the pipe where the fiber Bragg grating sensor is located, can be finally obtained using the obtained values.
여기서, 아웃풋(output)은 f(x,y,z) 위치에 대한 함수이고, n은 위치 데이터의 수이다. Here, the output is a function for f (x, y, z) position and n is the number of position data.
본 발명에서는 광섬유 브래그 격자 센서가 위치한 파이프의 단면 위치를 구한 후, 광섬유 브래그 격자 센서 위치 간의 정보를 이용하여 파이프의 전체적인 형상을 추정할 수 있다.
In the present invention, the cross-sectional position of the pipe in which the optical fiber Bragg grating sensor is located can be obtained, and then the overall shape of the pipe can be estimated using the information between the positions of the optical fiber Bragg grating sensors.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
While the present invention has been described with reference to several preferred embodiments, these embodiments are illustrative and not restrictive. It will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit of the invention and the scope of the appended claims.
100 파이프 200 광원 송수신 장치
300 컴퓨터 110 광섬유100
300
Claims (11)
상기 파이프 내의 광섬유가 형성된 선을 따라 미리 정해진 간격으로 이격되어 형성되는 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber Bragg Grating sensor);
상기 파이프에 내장된 광섬유에 광원을 입력하고, 상기 광섬유 브래그 격자 센서로부터 반사되는 파장 신호 데이터를 수신하기 위한 광원 송수신 장치; 및
상기 광원 송수신 장치에서 수신한 파장 신호 데이터를 이용하여, 상기 파이프의 3차원 형상과 위치를 추정하여 모니터링하는 컴퓨터를 포함하되,
상기 파이프는 120도 간격으로 길이 방향으로 형성된 3개의 광섬유가 내장되어 있고,
상기 컴퓨터는 파장 신호 데이터를 이용하여 x축, y축, z축의 좌표 정보를 획득하고, 좌표 정보를 이용하여 파이프의 3차원 형상을 추정하며,
상기 컴퓨터는 상기 파이프에 형성된 3개의 광섬유 중에서 제1 광섬유로부터 x축 좌표 정보를 획득하고, 제2 광섬유로부터 y축 좌표 정보를 획득하고, 제3 광섬유로부터 z축 좌표 정보를 획득하고,
곡률반지름을 r, 곡률각을 θ, 그리고 파이프 단면에서의 곡률의 기울어진 정도를 나타내는 각을 α라고 하면, 각각의 광섬유 브래그 격자 센서가 위치한 단면의 중심을,
(수학식 5)
로 나타낼 수 있고,
광섬유 브래그 격자 센서의 길이를 s, 변형률을 ε이라 할 때,
(수학식 6)
의 수식으로 나타낼 수 있고,
(수학식 7)이며,
120°는 3개의 광섬유 브래그 격자 센서들이 서로 이루는 각도라고 할 때, 상기 수학식 7에서 r1, r2, r3의 값을 상기 수학식 5 및 상기 수학식 6에 적용하여 연립시키면,
(수학식 8)
의 수식으로 나타낼 수 있고,
ε12=ε2-ε1, ε13=ε3-ε1, ε23=ε3-ε2이고, σ1=1+ε1, σ2=1+ε2, σ3=1+ε3라고 하면, 수학식 8은,
(수학식 9)의 α에 관한 식으로 표현하거나,
(수학식 10)의 곡률 반경 r에 대한 식으로 표현할 수 있으며,
광섬유 브래그 격자 센서가 위치한 파이프의 단면 위치인 x, y, z의 좌표값을 표현한 함수 f(x,y,z)를 output이라 하고, n은 위치 데이터의 수라고 하면,
(수학식 11)
로 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 파이프 구조의 3차원 형상 모니터링 시스템.
Pipes with fiber optics;
A fiber Bragg grating sensor formed at predetermined intervals along a line formed with an optical fiber in the pipe;
A light source transceiver for inputting a light source to an optical fiber built in the pipe and receiving wavelength signal data reflected from the optical fiber Bragg grating sensor; And
And a computer for estimating and monitoring the three-dimensional shape and position of the pipe using the wavelength signal data received by the light source transmitting / receiving device,
The pipe includes three optical fibers formed in the longitudinal direction at intervals of 120 degrees,
The computer obtains coordinate information of the x-axis, the y-axis, and the z-axis using the wavelength signal data, estimates the three-dimensional shape of the pipe using the coordinate information,
The computer acquires x-axis coordinate information from the first optical fiber among the three optical fibers formed in the pipe, obtains y-axis coordinate information from the second optical fiber, obtains z-axis coordinate information from the third optical fiber,
The radius of curvature is r, the curvature angle is θ, and the angle indicating the degree of tilting of the curvature in the pipe section is α, the center of the cross section on which each fiber Bragg grating sensor is located is defined as
(5)
Lt; / RTI >
When the length of the fiber Bragg grating sensor is s and the strain is ε,
(6)
Can be represented by the following equation,
(7), < / RTI >
When the values of r 1 , r 2 , and r 3 in Equation (7) are applied to Equation (5) and Equation (6) by combining the three optical fiber Bragg grating sensors,
(8)
Can be represented by the following equation,
ε 12 = ε 2 -ε 1, ε 13 = ε 3 -ε 1, ε 23 = ε 3 and -ε 2, σ 1 = 1 + ε 1, σ 2 = 1 + ε 2, σ 3 = 1 + ε 3 , equation (8)
(9) ", or "
Can be expressed in terms of a curvature radius r of Equation (10)
If the function f (x, y, z) expressing the coordinate values of x, y and z, which is the sectional position of the pipe in which the fiber Bragg grating sensor is located, is called output and n is the number of position data,
(11)
Dimensional shape monitoring system of the pipe structure.
상기 광원 송수신 장치는 FBG 인테로게이터(Interrogator)인 것임을 특징으로 하는 파이프 구조의 3차원 형상 모니터링 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the light source transmission / reception device is an FBG interrogator.
상기 컴퓨터는 상기 파이프의 변형률을 계산하고, 계산된 변형률을 근거로 상기 파이프의 3차원 형상을 계산하는 것을 특징으로 하는 파이프 구조의 3차원 형상 모니터링 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the computer calculates a strain of the pipe and calculates a three-dimensional shape of the pipe based on the calculated strain.
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