KR100234007B1 - 스트레인 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스트레인 측정 장치에 관한 것으로 특히, 온도에 대한 민감성은 동일하고 스트레인(strain)에 대한 민감성은 서로 다른 두 개의 광섬유 격자와 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 접속하여 간섭계 출력의 크기 변화를 측정함에 의해 센서에 가해진 온도의 변화와는 무관하게 스트레인만을 정밀하게 측정할 수 있도록 함에 목적이 있다. 이러한 목적의 본 발명은 특정 파장의 광을 주사하는 광 주사기(210)와, 이 광 주사기(210)에서의 광을 센서(200)에 입사시키고 그 센서(200)에서의 반사광을 결합하는 광 간섭계(220)와, 이 광 간섭계(220)에서 결합한 광을 검출하여 간섭 신호를 출력하는 광 검출기(230)와, 이 광 검출기(230)의 출력 신호를 디지털 변환하는 아날로그/디지털 변환기(240)와, 이 아날로그/디지털 변환기(240)의 출력 신호를 연산하여 간섭 신호의 크기 변화를 판별함에 의해 상기 센서(200)에 가해진 스테레인의 크기를 산출하는 물리량 산출부(250)와, 상기 광 검출기(230)의 출력 신호의 파형을 표시하는 오실로스코프(260)로 구성한다.

Description

스트레인 측정 장치
본 발명은 인장력 측정에 관한 것으로 특히, 간섭신호의 크기 변화를 검출하여 인장력에 의한 스트레인(strain)을 측정하는 스트레인 측정 장치에 관한 것이다.
광섬유 격자란 광섬유의 코어에 주기적으로 영구적인 굴절률 변화를 가하여 제작하는 광통신 관련 소자로서, 격자부위를 통과하는 광신호중에서 브래그 조건을 만족하는 파장의 빛만을 선택적으로 반사시키는 특성을 가지고 있다.
상기 브래그 조건은 광섬유의 코어에 새겨진 평균 굴절율과 그 평균 굴절율 변화의 주기에 의해서 결정된다.
광섬유 격자에서 반사되는 파장(
Figure kpo00001
)은 아래의 식(1)과 같이 표현된다.
(브래그 조건, Bragg condition) ............ (1)
여기서,
Figure kpo00003
는 격자에서 반사되는 광신호의 파장이고, n 은 광섬유 코어의 평균굴절율이며,
Figure kpo00004
는 코어에 새겨진 굴절율 변화의 공간적 간격이다.
만일, 광섬유 격자에 광섬유의 축방향으로 인장력(잡아당기는 힘)을 작용시키는 경우 광섬유는 작은 양이나마 그 길이가 신장되어 광섬유 안에 새겨진 굴절률 변화의 간격(
Figure kpo00005
)도 신장됨으로 브래그 조건이 변화하여 격자에서 반사되는 파장이 변하게 된다.
또한, 격자의 온도가 변화하는 경우 온도 변화에 따른 광섬유의 열적팽창에 의해서 굴절율 변화의 간격(
Figure kpo00006
)이 변화하거나 또는 온도 변화에 의한 평균 굴절률(n) 값의 상승으로 인하여 브래그 조건이 변화함에 의해 격자에서 반사되는 광신호의 파장이 변화하게 된다.
따라서, 광섬유 격자에서 반사되는 빛의 파장 변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 물리량이 광섬유격자 센서 부위에 가해졌는지를 알 수 있다.
그러나, 이러한 광섬유 격자 센서는 온도와 스트레인(strain)에 대해서 동시에 반응한다는 문제점이 있다.
즉, 온도의 변화 또는 스트레인(길이의 변화)이 가해지는 경우 센서로부터 얻을 수 있는 변화량은 반사되는 광신호의 파장 변화이다.
따라서, 특정 물리량을 측정하기 위한 장치에 광섬유 격자 센서를 적용하는 경우 두 가지 물리량이 동시에 가해지는 상황에서는 파장의 변화량만을 측정하는 것으로는 온도 및 스트레인이 얼마만큼의 온도 및 얼마만큼의 스트레인이 인가되었는지를 알 수 없는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여 서로 다른 온도 및 스트레인 민감성을 갖는 2개의 광섬유 격자를 접속한 센서를 이용하는 방법이 제시되었다.
이러한 방법에는 기존의 하나의 브래그 격자의 파장을 측정하는 방법을 적용할 수 없는데, 그 이유는 두 격자에서 나오는 광신호가 중첩되어 해석할 수 없는 형태의 신호를 발생시키기 때문이다.
도1 은 종래의 스트레인 측정 장치의 구성도로서 이에 도시된 바와 같이, 광섬유인 센서(100)에 광을 주사하는 광 주사기(110)와, 광이 주사된 상기 센서(100)에서의 브래그 파장의 변화를 측정하는 분광스펙트럼 분석기(130)와, 이 분광스펙트럼 분석기(130)에서 측정한 파장의 변화를 역으로 계산하여 상기 센서(100)에 가해진 물리량을 산출하는 물리량 산출부(140)로 구성된다.
상기 센서(100)는 도2 와 같이 서로 다른 민감도를 갖는 광섬유 격자(101)(102)로 이루어진 광섬유로서, 상기 광섬유 격자(101)(102)의 온도와 스트레인에 대한 민감도(단위 물리량에 대한 브래그 파장의 변화량)를 다르게 하는 방법은 여러 가지가 있다.
이와같은 종래 장치의 동작 과정을 설명하면 다음과 같다.
광 주사기(110)에서 광섬유인 센서(100)에 특정 파장의 광을 주사하면 도2 와 같이 서로 다른 민감도를 갖는 격자(101)(102)로 이루어진 상기 센서(100)는 브래그 조건을 만족하는 파장의 광을 선택적으로 반사시키게 된다.
이에 따라, 분광스펙트럼 분석기(optical spectrum analyzer)(130)에서 센서(100)를 이루는 격자(101)(102)의 브래그 파장의 변화를 측정하면 물리량 산출부(140)는 그때의 파장 변화를 역으로 계산하여 상기 센서(100)에 가해진 물리량을 산출하게 된다.
상기에서 센서(100)를 이루는 2개의 격자(101)(102)는 서로 다른 민감도를 갖음으로 온도와 스트레인이 동시에 가해진 경우 상기 각 격자(101)(102)의 브래그 파장 변화량은 서로 다르게 된다.
따라서, 각 광섬유 격자(101)(102)의 브래그 파장의 변화량과 그 광섬유 격자(101) (102)의 온도 및 스트레인(strain)에 대한 민감도 계수들을 아래의 식(2)와 같이 연산함에 의해 센서(100)에 가해진 스트레인과 온도를 분리하여 계산할 수 있다.
Figure kpo00007
.............. (2)
여기서,
Figure kpo00008
은 i번째 격자의 브래그 파장 변화량,
Figure kpo00009
은 i번째 격자의 스트레인 민감도,
Figure kpo00010
는 i번째 격자의 온도 민감도,
Figure kpo00011
은 격자에 가해진 스트레인,
Figure kpo00012
는 격자에 가해진 온도이다.
이러한 광섬유 격자 센서는 그 측정 원리가 갖는 여러 장점으로 인하여 건축물, 도로, 교량, 비행체등과 같은 복합 구조물에 삽입되어 구조물의 변형을 측정하는 기술에 적용될 수 있다.
그러나, 종래 기술은 분광스펙트럼 분석기를 구비하여야 하는데 그 분광스펙트럼 분석기의 가격이 고가이며 또한, 처리 속도가 매우 느려서 동적으로 빠르게 변화하는 신호는 측정할 수가 없는 문제점이 있다.
본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 온도에 대한 민감성은 동일하고 스트레인(strain)에 대한 민감성은 서로 다른 두 개의 광섬유 격자와 마하-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계를 접속하여 간섭계 출력의 크기 변화를 측정함에 의해 센서에 가해진 온도의 변화와는 무관하게 스트레인만을 정밀하게 측정할 수 있도록 창안한 자 센서 및 그의 스트레인 측정 장치를 제공함에 목적이 있다.
도 1은 종래의 스트레인 측정 장치의 구성도.
도 2는 도 1에서 센서의 구조를 보인 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 실시예를 보인 구성도.
도 4는 도 3에서 스트레인에 따른 간섭신호의 크기 변화를 보인 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
200 : 센서201,202 : 광섬유 격자
210 : 광 주사기220 : 광 간섭계
230 : 광 검출기240 : 아날로그/디지털 변환기
250 : 물리량 산출부260 : 오실로스코프
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 특정 파장의 광을 주사하는 광 주사기와, 이 광 주사기에서의 광을 센서에 입사시키고 그 센서에서의 반사광을 결합하는 광 간섭계와, 이 광 간섭계에서 결합한 광을 검출하여 간섭 신호를 출력하는 광 검출기와, 이 광 검출기의 출력 신호를 디지털 변환하는 아날로그/디지털 변환기와, 이 아날로그/디지털 변환기의 출력 신호를 연산하여 간섭 신호의 크기 변화를 판별함에 의해 상기 센서에 가해진 스테레인의 크기를 산출하는 물리량 산출부로 구성한다.
이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
도3 은 본 발명의 실시예를 보인 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 특정 파장의 광을 주사하는 광 주사기(210)와, 이 광 주사기(210)에서의 광을 센서(200)에 입사시키고 그 센서(200)에서의 반사광을 결합하는 광 간섭계(220)와, 이 광 간섭계(220)에서 결합한 광을 검출하여 간섭 신호를 출력하는 광 검출기(230)와, 이 광 검출기(230)의 출력 신호를 디지털 변환하는 아날로그/디지털 변환기(240)와, 이 아날로그/디지털 변환기(240)의 출력 신호를 연산하여 간섭 신호의 크기 변화를 판별함에 의해 상기 센서(200)에 가해진 스테레인의 크기를 산출하는 물리량 산출부(250)와, 상기 광 검출기(230)의 출력 신호의 파형을 표시하는 오실로스코프(260)로 구성한다.
상기 센서(200)는 도2 와 같이 광섬유 격자(101)(102)가 제작되어진다.
상기 광 간섭계(220)는 마하젠더(mach-zehnder) 간섭계이다.
이와같이 구성한 본 발명의 실시예에 대한 동작 및 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일실시예에서 센서(200)는 온도에 대한 민감도는 동일하고 스트레인에 대한 민감도는 서로 다른 두 개의 광섬유 격자(101)(102)로 이루어지며 이때 상기 센서(200)는 여러 형태로 구성할 수 있는데 그 대표적인 경우는 동일한 모재(preform)로 제조된 굵기가 다른 광섬유를 용융 접착(fusion splicing)하여 제작한다.
따라서, 광섬유의 온도에 대한 민감성은 모재의 성분에 의해서 결정되므로 동일한 모재로 제작된 광섬유 격자(101)(102)는 동일한 온도 민감성을 갖는다.
그리고, 스트레인(strain)이란 광섬유가 늘어난 정도를 뜻하는 양으로 동일한 힘이 가해진 경우 광섬유의 굵기에 따라 늘어나는 정도가 다르게 된다.
따라서, 굵기가 다른 광섬유를 접착한 센서(200)는 축방향으로 인장력을 가할 경우 각 광섬유 격자(101)(102)가 겪게 되는 스트레인은 달라진다.
이렇게 구성한 센서(200)에 온도와 스트레인을 동시에 가하면 각 격자(101)(102)는 가해진 물리량에 대해서 각기 브래그 파장이 변화하게 되며 상기 각 격자(101) (102)의 브래그 파장의 변화량은 온도에 대해서는 동일하고 스트레인(strain)에 대해서는 서로 다르다.
따라서 ,두 격자(101)(102)에서 반사되는 브래그 파장의 상대적인 차이만을 정밀하게 측정할 수 있다면 온도에 무관한 스트레인 측정이 가능하다.
본 발명은 광 주사기(210)에서 특정 파장의 광을 발생시키면 광 간섭계(220)를 통해 센서(200)로 주사되어진다.
이때, 센서(200)는 서로 다른 민감도를 갖는 격자(101)(102)에서 브래그 조건을 만족하는 파장의 광을 선택적으로 반사시키게 된다.
이에 따라, 광 간섭계(220)는 센서(200)에서 반사된 광들을 결합하며 광 검출기(230)는 상기 광 간섭계(220)에서의 광신호를 검출하여 간섭 신호를 발생시키게 된다.
상기에서 광 검출기(230)에서의 간섭신호는 아래의 식(3)과 같이 표현되어진다.
간섭신호 = (
Figure kpo00013
..... (3)
여기서,
Figure kpo00014
는 상대 파장 차이에 의해서 결정되는 것으로 2개의 브래그 파장의 상대적인 차이가 변화하여
Figure kpo00015
가 증가하면 간섭신호의 크기가 변화한다.
따라서, 상대 파장의 변화는 센서(200)에 가해진 스트레인에 의해서 발생하는 것이므로 간섭신호의 크기 변화로부터 상기 센서(200)에 가해진 스트레인을 알 수 있다.
즉, 광 검출기(230)가 광 간섭계(220)에서 결합된 광을 검출하여 간섭 신호를 출력하면 아날로그/디지털 변환기(240)에서 디지털 신호로 변환되고 이 디지털 신호를 입력받은 물리량 산출부(250)는 크기 변화를 점검하여 가해진 스트레인을 산출하게 된다.
예로, 간섭 신호의 크기 변화는 도4 의 파형도와 같이 센서(200)에 가해진 스트레인에 따라 다르다.
그리고, 광 검출기(230)가 간섭 신호를 출력하는 경우 오실로스코프(260)를 접속하여 간섭 신호의 파형을 표시하게 된다.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 온도에 대한 동일한 민감도를 갖는 광섬유 격자를 사용함으로 온도에 의한 영향력을 제거할 수 있고 또한, 기존과 같이 분광스펙트럼 분석기와 같은 기계적인 동작을 요구하지 않아 그 응답 속도가 빠르므로 동적인 신호에 대한 해석이 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 특정 파장의 광을 주사하는 광 주사기와, 이 광 주사기에서의 광을 센서에 입사시키고 그 센서에서의 반사광을 결합하는 광 간섭계와, 이 광 간섭계에서 결합된 광을 검출하여 간섭 신호를 출력하는 광 검출기와, 이 광 검출기의 출력 신호를 디지털 변환하는 아날로그/디지털 변환기와, 이 아날로그/디지털 변환기의 출력 신호를 연산하여 간섭 신호의 크기 변화를 판별함에 의해 상기 센서에 가해진 스테레인의 크기를 산출하는 물리량 산출부로 구성한 것을 특징으로 하는 스트레인 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 센서는 온도에 대한 민감도는 동일하고 스트레인에 대한 민감도는 서로 다른 광섬유 격자쌍으로 구성한 것을 특징으로 하는 스트레인 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서, 광 검출기의 출력 신호를 파형으로 표시하는 오실로스코프를 접속하여 구성한 것을 특징으로 하는 스트레인 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서, 광 간섭계는 마하젠더(mach-zehnder) 간섭계인 것을 특징으로 하는 스트레인 측정 장치.
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