KR20100090590A - Multiplex physical quantity measuring method and system using optical multiple fiber bragg grating - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 복수개의 광섬유 격자 센서 상호간의 입사광에 의한 반응 파형이 다르게 형성되어 측정대상 물리량의 변화를 센서별로 용이하게 측정할 수 있는 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 방법 및 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for measuring a physical quantity using an optical fiber grating, wherein a response waveform due to incident light between a plurality of optical fiber grating sensors is formed differently so that a change in the physical quantity to be measured can be easily measured for each sensor. It relates to a physical quantity measuring method and system.
광섬유격자는 온도 또는 스트레인(strain)의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 쉬프트 된다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 스트레인, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.As the optical fiber grating changes in temperature or strain, the wavelength of the optical signal reflected from the optical fiber grating is shifted. Therefore, the wavelength change of the light reflected from the optical fiber grating can be measured and used to determine what size of external temperature, strain, pressure, etc. has been applied from the amount of change in the wavelength.
이러한 광섬유격자는 구조물의 진단 등 각종 분야에서 센서로서 이용되고 있다.Such optical fiber gratings are used as sensors in various fields such as diagnosis of structures.
또한, 교량과 같은 구조물의 경우 진단 포인트가 다수인 경우 입사광에 대해 반사되는 중심파장이 상호 다른 광섬유 격자 센서를 상호 일열로 배열시켜 피크파 장의 이동량을 검출하여 각 진단 포인트에 대한 스트레인과 같은 물리량의 변화를 측정하고 있다. Also, in the case of a structure such as a bridge, when a plurality of diagnostic points are used, optical fiber grating sensors with different center wavelengths reflected by incident light are arranged in a row to detect shifts of peak wavelengths, and thus the amount of physical quantity such as strain for each diagnostic point is detected. The change is measured.
그런데, 입사광에 대한 반사광의 중심파장이 상호 다른 광섬유 격자 센서를 상호 일렬로 어레이시킨 경우 각 광섬유 격자 센서에 인가되는 응력이 상호 반대로 작용되어 쉬프트된 파장 중심이 상호 중첩되거나 중심파장의 위치가 역전되는 경우 이를 구별하여 확인하기가 어려운 문제점이 발생한다. 예를 들면 첫 번째 광섬유 격자 센서의 반사광의 중심파장과 두 번째 광섬유 격자센서의 반사광의 중심파장이 1nm만큼 차이가 있도록 제작된 경우 첫 번째 광섬유 격자센서에는 반사 파장이 길어지는 방향으로 파장이 쉬프트되게 응력이 작용하고, 두 번째 광섬유 격자센서에는 반사 파장이 짧아지는 방향으로 파장이 쉬프트되게 응력이 작용하여, 쉬프트된 파장 중심 각각이 상호 중첩되거나 중심파장의 위치가 역전되는 경우 피크검출방식에 의해서는 이를 구별할 수 없는 문제점이 있다.However, in the case of arranging optical fiber grating sensors having different center wavelengths of reflected light with respect to incident light, the stresses applied to the optical fiber grating sensors interact with each other so that the shifted wavelength centers overlap each other or the positions of the center wavelengths are reversed. In this case, it is difficult to identify the problem. For example, if the center wavelength of the reflected light of the first optical fiber grating sensor and the center wavelength of the reflected light of the second optical fiber grating sensor are manufactured to be different by 1 nm, the wavelength of the first optical fiber grating sensor is shifted in the direction in which the reflected wavelength is increased. When the stress is applied and the second optical fiber grating sensor is stressed so that the wavelength is shifted in the direction in which the reflected wavelength is shortened, each of the shifted wavelength centers overlaps each other or the position of the center wavelength is reversed. There is a problem that cannot be distinguished.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 다수의 광섬유 격자 센서 각각에 인가되는 물리량에 대한 응답 파형을 상호 구별가능하게 하여 측정 정밀도를 향상시킬 수 있는 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to improve the above problems, and the physical quantity measurement method using an optical fiber grating which can improve the measurement accuracy by making it possible to distinguish the response waveform for the physical quantity applied to each of the plurality of optical fiber grating sensors and The purpose is to provide a system.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 시스템은 입사된 광에 대해 상호 다른 파형 패턴을 각각 생성하는 복수개의 광섬유 격자센서가 광전송 경로를 따라 상호 일렬로 정렬된 광섬유 센서부와; 상기 광섬유 센서부로 송출되어 상기 광섬유 격자 센서 각각에 의해 반응되어 검출되는 광으로부터 상기 파형패턴 각각의 파장이동량을 검출하여 상기 광섬유 격자센서가 각각 설치된 환경에 대한 측정대상 물리량의 변화를 산출하는 산출기;를 구비한다.In order to achieve the above object, a physical quantity measurement system using an optical fiber grating according to the present invention includes a plurality of optical fiber grating sensors that generate different waveform patterns for incident light, respectively, in which optical fiber gratings are arranged in a line along an optical transmission path. Wow; A calculator for detecting the wavelength shift of each of the waveform patterns from the light transmitted to the optical fiber sensor and reacted by each of the optical fiber grating sensors to calculate a change in a physical quantity to be measured for an environment in which the optical fiber grating sensors are installed; It is provided.
바람직하게는 상기 산출기는 상기 광섬유 센서부에 광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사된 입력광을 상기 광섬유 센서부로 전송하고, 상기 광섬유 센서부의 상기 광섬유 격자 센서 각각으로부터 반사된 광을 상기 입력광과 분리되게 출력하는 광분배기와; 상기 광분배기에서 출력되는 광을 검출하고, 검출된 광으로부터 각 파형패턴의 파장 이동량을 분석하여 상기 측정대상 물리량의 변화를 산출하는 산출부;를 구비한다.Preferably the calculator comprises a light source for emitting light to the optical fiber sensor; An optical splitter which transmits the input light emitted from the light source to the optical fiber sensor unit and outputs the light reflected from each of the optical fiber grating sensors of the optical fiber sensor unit to be separated from the input light; And a calculating unit for detecting the light output from the optical splitter and analyzing the wavelength shift of each waveform pattern from the detected light to calculate a change in the physical quantity to be measured.
더욱 바람직하게는 상기 광섬유 격자센서 각각은 입력광에 대해 반사되는 파형패턴 상호간의 진폭 및 파장 폭이 상호 다르게 형성된다.More preferably, each of the optical fiber grating sensors is formed with different amplitudes and wavelength widths between the waveform patterns reflected on the input light.
또한, 상기 파형 패턴은 동일 환경조건에서 각각 중심파장이 상호 다르고, 중심파장에 대해 비대칭 형상을 갖는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that each of the waveform patterns have different center wavelengths under the same environmental conditions and have an asymmetric shape with respect to the center wavelength.
상기 광분배기는 써큘레이터가 적용될 수 있다.The optical splitter may be applied to a circulator.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 방법은 가. 입사된 광에 대해 상호 다른 파형 패턴을 각각 생성하는 복수개의 광섬유 격자센서를 광전송 경로를 따라 상호 일열로 얼라인되게 배치하는 단계와; 나. 상기 광섬유 격자센서에 입력광을 전송하는 단계와; 다. 상기 광섬유 격자센서들로부터 반사되어 검출된 광으로부터 상기 파형패턴에 대응되는 파장이동량을 산출하여 상기 광섬유 격자센서가 각각 설치된 환경에 대한 측정대상 물리량의 변화를 산출하는 단계;를 포함한다.In addition, the physical quantity measurement method using the optical fiber grating according to the present invention to achieve the above object is a. Arranging a plurality of optical fiber grating sensors each generating a mutually different waveform pattern for incident light in a row along the optical transmission path; I. Transmitting input light to the optical fiber grating sensor; All. Computing a wavelength shift amount corresponding to the waveform pattern from the light reflected from the optical fiber grating sensors to calculate a change in the physical quantity to be measured for the environment in which the optical fiber grating sensor is installed.
본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 방법 및 시스템에 의하면, 각 광섬유 격자 센서에서 반사되는 반응 파형의 패턴이 상호 구별이 가능하게 다르게 형성되어 있어 측정하고자 하는 물리량의 변화를 용이하게 측정할 수 있는 장점을 제공한다.According to the method and system for measuring physical quantity using an optical fiber grating according to the present invention, since the pattern of the response waveform reflected from each optical fiber grating sensor is formed to be distinguishable from each other, it is possible to easily measure the change in physical quantity to be measured. Provide advantages.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 방법 및 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method and system for measuring physical quantity using an optical fiber grating according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 시스템을 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a physical quantity measurement system using an optical fiber grating according to the present invention.
도 1을 참조하면, 측정 시스템은 광원(10), 써큘레이터(20), 다수의 광섬유 격자센서(31 내지 33) 및 산출부(40)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the measurement system includes a
광섬유센서부는 입사된 광에 대해 상호 다른 파형(waveform) 패턴을 각각 생성하는 복수개의 광섬유 격자센서(31 내지 33)가 광전송 경로를 따라 상호 일렬로 정렬되어 있다.The optical fiber sensor unit has a plurality of optical
도시된 예에서 광섬유 센서부는 제1광섬유격자 센서(31), 제2광섬유 격자센서(32) 및 제3광섬유 격자센서(33)가 직렬로 접속된 구조가 예시되어 있고, 적용되는 개수는 도시된 예로 한정하지 않음은 물론이다.In the illustrated example, the optical fiber sensor unit has a structure in which the first optical
광섬유 격자센서(31 내지 33) 각각은 광원(10)으로부터 입력되는 입력광에 대해 반사되는 파형패턴 상호간의 진폭(amplitude) 및 파장(wavelength)의 폭이 상호 다르게 형성된다.Each of the optical
여기서 각 광섬유 격자센서(31 내지 33)의 파형패턴은 동일 환경 예를 들면 동일 온도 및 외력이 인가되지 않은 상태에서 도 1의 제1광섬유격자 센서(31), 제2광섬유 격자센서(32) 및 제3광섬유 격자센서(33) 각각에서 입사광에 대응하여 반사되는 파형패턴이 확대 도시된 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 중심파장(λ1, λ2, λ3)이 상호 다르고, 진폭 및 파장폭이 다르게 형성된다.Here, the waveform patterns of the optical
즉, 각 파형패턴을 보면, 파장의 진폭은 큰 순서대로 보면, 제1광섬유격자 센서(31), 제3광섬유격자(33), 제2광섬유격자센서(32) 순서로 순차적으로 작고, 형 태인식이 가능한 파장폭은 제2광섬유격자 센서(32), 제3광섬유격자(33), 제1광섬유격자센서(31) 순서로 순차적으로 좁게 형성된 형태로 되어 있다. 따라서, 각 파형패턴 상호간이 중첩되거나 위치 이동시 역전되어도 쉽게 분리 구별할 수 있다.In other words, when looking at each waveform pattern, the amplitude of the wavelengths is sequentially smaller in the order of the first optical
각 광섬유 격자센서(31 내지 33)는 광섬유에 상호 이격되게 격자가 다수 형성된 구조로 되어 있다.Each of the optical
여기서, 격자는 광섬유의 일측에 자외선을 상호 이격되게 조사하여 형성된 것이 적용된다. 도면에서는 시각적으로 이해를 돕기위해 세로상으로 격자를 도식화하여 표기하였다. Here, the grating is applied to one side of the optical fiber formed by irradiating the ultraviolet light to be spaced apart from each other. In the drawings, the grid is illustrated vertically for better understanding.
이러한 광섬유격자 센서(31 내지 33)는 자외선을 조사하여 형성하는 방법 등 공지된 방법에 의해 형성하면 된다.The optical
자외선을 조사하여 광섬유 격자를 형성시키는 방법은 통상적인 방법 즉, 레이저 광원(미도시)으로부터 출사된 광을 포커싱렌즈(미도시)를 통해 집속시킨 다음 목적하는 격자 간격에 대응되는 슬릿이 형성된 마스크(미도시)를 거쳐 광섬유에 조사하는 방식을 이용하면 된다.A method of forming an optical fiber grating by irradiating ultraviolet rays is a conventional method, that is, a mask formed by focusing light emitted from a laser light source (not shown) through a focusing lens (not shown), and then forming a slit corresponding to a desired grating spacing ( It is possible to use a method of irradiating the optical fiber through the (not shown).
이때, 각 광섬유격자 센서(31 내지 33) 각각은 입사광에 대한 반사광의 파형패턴이 상호 다르게 되도록 조사되는 자외선의 강도, 조사시간, 격자 간격, 격자 상호간의 간격 변동, 코어에 도핑소재 예를 들면 게르마늄(Ge)의 첨가량 조절과 같은 방법들을 적절하게 조합하여 제조하면 된다.In this case, each of the optical
바람직하게는 이러한 방법에 의해 제조되는 각 광섬유 격자센서(31 내지 33)의 동일환경 예를 들면 동일 온도 조건에서 입사광에 대한 반사되는 파형 패턴은 각각 중심파장이 상호 다르고, 파장패턴 상호간의 분별력을 더욱 높이기 위해 중심파장에 대해 좌우의 파형형상이 비대칭 형상을 갖게 형성되는 것이 바람직하다.Preferably, the reflected wave patterns of the optical
산출기는 광섬유 센서부로 송출되어 광섬유 격자 센서(31 내지 33) 각각에 의해 반응되어 검출되는 광으로부터 알고 있는 각 광섬유 격자 센서(31 내지 33) 고유의 파형패턴의 파장이동량을 검출하여 광섬유 격자센서(31 내지 33)가 각각 설치된 환경에 대한 측정대상 물리량 예를 들면 온도 또는 스트레인의 변화를 산출한다.The calculator detects the wavelength shift of the waveform pattern inherent in each optical
산출기는 광원(10), 써큘레이터(20), 산출부(40)로 되어 있다.The calculator includes a
광원(10)은 광섬유 센서부의 각 파형 패턴의 파장 대역을 커버할 수 있는 다 넓은 파장 대역의 광대역 광을 출사하는 것이 적용된다.The
써큘레이터(20)는 광분배기로서 적용된 것으로서 광원(10)에서 출사된 입력광을 광섬유 센서부로 전송하고, 광섬유 센서부의 각 광섬유 격자 센서(31 내지 33) 각각으로부터 반사된 광을 입력광과 분리되게 출력한다.The
도시된 예와 다르게 광분배기로서 광커플러가 적용될 수 있음은 물론이다.Unlike the illustrated example, the optical coupler may be applied as the optical splitter.
산출부(40)는 광분배기로 적용된 써큘레이터(20)에서 출력되는 광을 검출하고, 검출된 광의 스펙트럼을 분석하여 각 파형패턴의 파장 이동량을 분석하여 측정대상 물리량 예를 들면, 온도 또는 스트레인의 변화를 산출한다.The
산출부(40)는 각 파형패턴의 파장이동에 대응되는 온도 또는 스트레인 값이 미리 기록되어 있는 룩업테이블을 참조하여 검출된 광의 스펙트럼으로부터 물리량을 산출한다.The
산출부(40)는 산출된 물리량을 기억장치에 저장하거나 표시장치를 통해 표시할 수 있도록 구축되고, 원격으로 송출하도록 구축되는 경우 무선으로 측정정보를 송출하도록 구축될 수 있음은 물론이다.The
이하에서는 이러한 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 시스템에 의한 측정과정을 설명한다.Hereinafter, a measurement process by the physical quantity measurement system using the optical fiber grating will be described.
먼저, 입사된 광에 대해 상호 다른 파형 패턴을 각각 생성하는 복수개의 광섬유 격자센서(31 내지 33)를 광전송 경로를 따라 상호 일렬로 정렬되게 배치한다. First, a plurality of optical
여기서 각 광섬유 격자센서(31 내지 33)는 측정대상 위치에 대응되게 각각 배치되면 된다.Here, each of the optical
다음은 광원(10)으로부터 써큘레이터(20)를 통해 광전송경로를 따라 각 광섬유 격자센서(31 내지 33)에 광을 전송한다.Next, light is transmitted from the
이후, 광섬유 격자센서들(31 내지 33)로부터 반사되어 검출된 광으로부터 미리 알고 있는 각 광섬유격자센서(31 내지 33)의 파형패턴으로 파장이동량을 산출하여 광섬유 격자센서(31 내지 33)가 각각 설치된 환경에 대한 측정대상 물리량의 변화를 산출한다.Subsequently, the wavelength shift amount is calculated based on the waveform pattern of each of the optical
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 제1광섬유격자센서(31)는 외부환경에 의해 중심파장 위치가 파장이 증가되는 방향으로 이동되고, 제2광섬유격자센서(32)는 또 다른 외부환경에 의해 중심파장 위치가 파장이 감소되는 방향으로 이동되어 상호 중첩되거나 역전되더라도 피크, 파장폭이 상호 다른 파형에 의해 상호 구별이 가능하다. That is, as shown in FIG. 5, the first optical
마찬가지로, 제3광섬유격자센서(33)가 외부환경에 의해 중심파장 위치가 제1광섬유격자센서(31)의 파형패턴 또는 제2광섬유격자센서(33)의 파장패턴과 중첩되거나 위치가 역전되더라도 상호 다른 파형패턴에 의해 상호 구별이 가능하다. Similarly, even if the third optical
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 물리량 측정 시스템을 나타내 보인 도면이고,1 is a view showing a physical quantity measurement system using an optical fiber grating according to the present invention,
도 2 내지 도 4는 도 1의 광섬유 격자 센서 각각에서 반사되는 파형패턴의 예를 확대해 보인 파형도이고,2 to 4 are enlarged waveform diagrams showing examples of waveform patterns reflected from the optical fiber grating sensors of FIG. 1,
도 5는 도 1의 광섬유 격자센서 각각이 외부로부터 인가되는 물리량의 변화에 따라 고유한 파형패턴이 이동되는 상황의 일 예를 나타내 보인 파형도이다.FIG. 5 is a waveform diagram illustrating an example in which a unique waveform pattern is moved according to a change in a physical quantity applied to each of the optical fiber grating sensors of FIG. 1.
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Legal Events
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J201 | Request for trial against refusal decision | ||
J501 | Disposition of invalidation of trial |