KR100277548B1 - 광섬유격자센서와그의온도/스트레인측정방법 - Google Patents

광섬유격자센서와그의온도/스트레인측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 격자 센서와 그의 온도/스트레인 측정 방법에 관한 것으로 특히, 두 광섬유 격자로부터의 반사 파장을 검출함에 의해 두 반사 파장의 피크치의 차이로 스트레인을 측정하고 두 반사 파장의 이동량으로 온도를 측정하도록 창안한 것이다. 이러한 본 발명은 동일한 광섬유 모재에서 제작된 외경이 다른 두 광섬유에 반사 파장이 같거나 다른 두 광섬유 격자를 제작하여 이를 용융 접착하고 광섬유 격자쌍의 브래그(Bragg) 공명파장을 일치시켰을 때에도 일치된 브래그 공명 파장의 반사율의 변화로부터 스트레인을 측정하고 공명 파장의 이동량으로부터 온도를 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 격자 센서와 그의 온도/스트레인 측정 방법{SENSOR USING FIBER BRAGG GRATING AND TEMPERATURE/STRAIN MEASURING METHOD THEREOF}
본 발명은 광섬유 격자 센서에 관한 것으로 특히, 광섬유 격자쌍을 이용하여 온도 또는 스트레인을 측정하는 광섬유 격자 센서와 그의 온도/스트레인 측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유 격자 센서는 온도의 변화 또는 스트레인의 크기가 변화하는 경우 광섬유 격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화한다.
따라서, 특정 물리량을 측정하기 위한 장치에 광섬유 격자 센서를 적용한 경우 광섬유 격자에서 반사되는 빛의 파장 변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 스트레인, 압력등의 물리량이 가해졌는지를 측정할 수 있다.
그러나, 종래의 광섬유 격자 센서를 적용한 측정 장치는 온도 및 스트레인의 두 가지 물리량이 동시에 가해지는 경우 광섬유 격자 센서가 두 물리량에 대해 동시에 반응함으로 반사 파장의 변화량만을 측정하여서는 온도 및 스트레인이 얼마만큼씩 변화되었는지를 알 수 없는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위하여 서로 다른 온도 및 스트레인 민감성을 갖는 2개의 광섬유 격자를 접속한 센서를 이용하는 방법이 제시되었다.
본 발명은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 동일한 모재에서 제작된 외경이 다른 두개의 광섬유에 반사 파장이 같거나 다른 두 광섬유 격자를 제작하고 이를 용융 접착하여 광섬유 격자쌍을 형성시킴으로써 스트레인, 온도, 압력 등의 여러 물리량을 독립적으로 측정하도록 창안한 광섬유 격자 센서와 그의 온도/스트레인 측정 방법을 제공함에 목적이 있다.
즉, 본 발명은 광섬유 격자 센서를 제공함과 아울러 그 광섬유 격자 센서를 이용하여 여러 물리량을 독립적으로 측정하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유 격자 센서의 구성도.
도 2는 도 1에서 외경비에 따른 스트레인(비례계수)의 변화를 보인 파형도.
도 3은 도 1에서 스트레인에 따른 브래그 파장의 차이를 보인 파형도.
도 4는 도 1에서 온도 변화에 따른 브래그 파장의 변화를 보인 파형도.
도 5는 도 1에서 스트레인에 대한 반응을 측정한 파형도.
도 6은 도 1에서 온도에 대한 반응을 측정한 파형도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
201,202 : 광섬유 210,220 : 광섬유 격자
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 동일한 광섬유 모재에서 제작된 외경이 다른 두 광섬유에 반사 파장이 같거나 다른 2개 이상의 복수개의 광섬유 격자를 제작하고 이를 용융 접착하여 광섬유 격자 센서를 제작함으로써 광파장 분석기 또는 파브리 페롯 복조기 등으로 그 광섬유 격자 센서에서의 반사 파장을 검출하여 스트레인(strain), 온도, 압력 등의 물리량을 독립적으로 측정하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 광섬유 격자쌍의 브래그(Bragg) 공명파장을 일치시켰을 때에도 그 일치된 브래그 공명 파장의 반사율의 변화로부터 스트레인을 측정하고 그 공명 파장의 이동량으로부터 온도를 측정하는 것으로, 온도 및 스트레인을 가하지 않은 상태에서 광섬유 격자쌍으로부터의 공명 파장의 스펙트럼을 추출하는 단계와, 임의의 온도 및 스트레인을 가한 상태에서 광섬유 격자쌍으로부터의 공명 파장의 스펙트럼을 추출하는 단계와, 상기에서 추출된 2개의 브래그(Bragg) 공명 파장의 일치 여부를 판단하는 단계와, 상기에서 광섬유 격자쌍의 브래그(Bragg) 공명파장이 일치하는 경우 그 일치된 브래그 공명 파장의 반사율의 변화로부터 스트레인을 측정하고 공명 파장의 이동량으로부터 온도를 측정하는 단계와, 상기에서 광섬유 격자쌍의 브래그(Bragg) 공명파장이 일치하지 않는 경우 두 피크 파장중 한 파장에 대한 이동량중 스트레인에 의한 이동량을 감산한 결과값으로부터 온도 변화량을 측정하는 단계를 수행함을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 제안하는 광섬유 격자 센서는 동일한 광섬유 모재에서 제작된 외경이 다른 두 광섬유에 반사 파장이 같거나 다른 두 광섬유 격자를 제작하여 이를 용융 접착함에 의해 외부 온도 변화에 무관한 스트레인(strain), 온도, 압력 등의 물리량을 측정하는 것이다.
이러한 광섬유 격자 센서는 온도 변화에 대해서는 두 광섬유 격자의 반사파장 간격이 동일한 간격을 유지하면서 장파장 대역으로 이동하고 스트레인(strain)의 변화에 대해서는 두 광섬유 격자의 반사파장 간격이 변화하게 된다.
따라서, 광섬유 격자쌍의 반사파장의 간격을 광 파장 분석기 또는 파브리 페롯 복조기등으로 측정하여 온도에 무관한 스트레인(strain)을 측정할 수 있고 이 측정치를 수식에 대입하여 스트레인에 무관한 온도 값을 환산해낼 수 있다.
즉, 일반적인 광섬유 격자 센서는 도1 의 구조도에 도시된 바와 같이, 반사파장이 ' lambda _1' 인 광섬유 격자(210)를 구비한 외경(D1)인 광섬유(201)와 반사파장이 ' lambda _2' 인 광섬유 격자(220)를 구비한 외경(D2)인 광섬유(202)를 용융접착하여 제작하게 된다.
상기 광섬유(201)(202)는 동일한 모재로 제작한다.
이와같은 본 발명에 따른 광섬유 격자 센서의 온도와 스트레인(strain)에 대한 측정 원리를 설명하면 다음과 같다.
두 광섬유 격자(210)(220)가 형성되어있는 두 광섬유(201)(202)의 재질이 동일하여 온도변화에 대해서는 두 광섬유(201)(202)가 동일한 반응(열 팽창)을 보이므로 이에 따르는 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사 파장의 변화량(파장이동량)도 동일한 크기를 보인다.
따라서, 온도 변화에 대해서는 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장 ' lambda _1 와 lambda _2'의 차이는 변화가 없으므로 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장의 변화량을 측정하여 온도 변화를 알 수 있다.
그리고, 광섬유 격자 센서의 양 끝단에 가해진 스트레인(strain)에 대해서는 두 광섬유(201)(202)의 외경이 다르므로 외경(D1)이 작은 광섬유(201)가 외경(D2)이 큰 광섬유(202)보다 더 많이 팽창할 것이다.
이때, 광섬유(201)(202)에 제작된 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장( lambda _1, lambda _2)은 그 광섬유 격자(210)(220)의 간격에 의하여 결정되므로 광섬유(201) (202)의 팽창에 의하여 상기 광섬유 격자(210)(220)의 간격이 변하게 된다.
따라서, 외경이 작은 광섬유(201)에 제작된 광섬유 격자(210)의 반사파장(λ1)의 변화량이 외경이 큰 광섬유(202)에 제작된 광섬유 격자(220)의 반사파장(λ2)의 변화량보다 크므로 가해진 스트레인(strain)에 대해서는 두 반사파장의 차이(λ1-λ2)가 변하게 된다.
이에 따라, 두 반사파장의 차이(λ1-λ2)의 변화를 측정하면 가해진 스트레인(strain)의 양을 알아낼 수 있다.
상기에서 두 광섬유(201)(202)의 외경(D1/D2) 비에 따른 스트레인(strain)에 따른 파장 가변성을 도2 의 파형도에서 설명하면 다음과 같다.
두 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장(λ1,λ2)의 차이(Δλ=λ1-λ2)는 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, G는 가해진 스트레인(strain ; ε)의 비례 계수이다.
따라서, 스트레인의 비례 계수(G)값에 따라 센서의 스트레인(strain)에 대한 민감도가 다르게 되는데, 외경의 비(D1/D2)를 증가시키면 비례 계수(G)를 크게 할 수 있다.
만일, 스트레인(strain)이 가해진 경우 광섬유 격자(210)(220)로부터의 반사 파장(λ1,λ2)의 반응으로부터 스트레인을 측정하는 원리를 도3 의 파형도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도3 의 파형도에 표시된 점들은 광섬유 격자 센서에 스트레인(strain)이 가해졌을 때 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장의 차이(λ1-λ2)의 변화를 나타낸다.
이때, 가해진 스트레인(strain)과 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장의 차이(λ1-λ2) 사이에 선형적인 비례관계가 있음을 알 수 있다.
따라서, 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장의 차이(λ1-λ2)를 측정하면 그에 해당하는 가해진 스트레인(strain) 값만을 알 수 있다.
그리고, 온도 변화가 발생한 경우 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장의 변화로부터 온도를 측정하는 원리를 도4 의 파형도에서 설명하면 다음과 같다.
도4 를 살펴보면 온도변화에 대하여 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장의 차이(λ1-λ2)에는 변화가 없고 단지 온도변화에 선형적으로 비례하여 반사파장이 동일한 변화를 보이고 있다.
따라서, 광섬유 격자(210)(220)의 반사파장(λ1,λ2)의 변화량을 측정하여 그 측정된 변화량에서 스트레인(strain)에 의한 변화량을 제거해주면 온도변화에 의한 변화량(파장 이동량)을 알 수 있고 이를 아래의 식과 같이 연산하여 온도를 측정할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, ΔT는 온도변화, α는 광섬유의 선형 팽창계수, ξ는 광섬유의 열 광학 계수, λ10는 외경이 작은 광섬유(201)에 제작된 광섬유 격자(220)의 변화되지않은 상태의 반사파장, Δλ1는 상기 광섬유 격자(210)의 반사파장의 변화량, l2는 외경이 큰 광섬유(202)에서 스트레인(strain)이 가해진 위치로부터 외경이 작은 광섬유(201)와의 용융 접착된 위치까지의 거리, l1은 외경이 작은 광섬유(201)에서 스트레인(strain)이 가해진 위치로부터 외경이 큰 광섬유(202)와 용융 접착된 위치까지의 거리, k는 '1'에서 광탄성 상수를 빼준 양, ε는 가해진 스트레인(strain), D1은 광섬유(201)의 외경, D2는 광섬유(202)의 외경을 나타낸다.
본 발명의 일실시예로서 도1 과 같은 광섬유 격자 센서에서 광섬유 격자(210)(220)의 반사 파장을 하나의 파장으로 일치시켰을 경우 스트레인에 대한 반응을 도5 의 파형도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도5 (a)는 광섬유 격자 센서에 스트레인(strain)이 가해지지않은 상태의 스펙트럼으로 두 개의 반사 피크(peak) 파형이 하나로 겹쳐져 있음을 보여 준다.
도5 (b)는 광섬유 격자 센서에 스트레인(strain)이 가해져 하나로 겹쳐져 있던 피크(peak) 파형이 두 개로 분리됨을 보여 준다.
도5 (c)는 도5 (b)에서의 스트레인(strain) 양보다 더 큰 스트레인(strain)이 가해진 상태의 브래그(Bragg) 공명파장의 스펙트럼을 보인 것으로 피크 파형의 분리된 정도가 커졌다.
즉, 스트레인(Strain)이 가해진 상태에서 광섬유 격자(210)(220)쌍의 스펙트럼을 관찰하면 스트레인(strain)이 가해지지 않은 상태에서의 하나의 반사 피크(peak) 파형이 원래의 두 개의 피크 파형으로 분리되고 반사율도 각각의 광섬유 격자의 반사율로 되돌아가 스트레인(strain)이 가해지지 않은 상태보다 감소한다.
따라서, 분리된 두 반사 피크 파장의 차이는 가해진 스트레인(strain)에 비례하므로 두 반사 피크 파장의 차이를 측정하면 가해진 스트레인의 크기를 알 수 있다.
이를 다시 설명하면 다음과 같다.
먼저, 광섬유 격자(210)(220)쌍의 용융접합점으로부터 50cm 되는 광섬유의 부분을 미세 평행이동장치 위에 고정하여 스트레인(Strain)을 가한 경우 도5 (a)(b) 의 파형에서와 같이 스트레인(strain)이 가해지자 마자 반사율이 7.6 dB 에서 5 dB 으로 감소되어 반사 피크(peak)의 모양이 크게 변하였으며 또한, 하나의 반사 피크가 두 개로 분리되었다.
그리고, 스트레인(strain)을 더 가하자 도5 (c)의 파형에서와 같이 두 반사 피크(peak)은 장파장쪽으로 이동하였는데, 외경이 작은 광섬유(201)에 형성된 광섬유 격자(210)의 반사파장( lambda _1)이 외경이 큰 광섬유(202)에 형성된 광섬유 격자(220)의 반사파장( lambda _2)보다 더 많이 이동하여 두 개로 분리된 반사 피크의 차이가 더욱 커졌고 그 차이는 가해진 스트레인에 비례함을 알 수 있다.
즉, 1000 mu epsilon 이 가해졌을 경우 광섬유(202)의 브래그(Bragg) 격자(220)의 반사파장( lambda _2)은 스트레인이 가해지지 않았을 때의 위치'1549.02nm'에서 '1549.74nm'의 위치로 '720pm' 이동하였고 광섬유(201)의 브래그 격자(210)의 반사파장( lambda _1)은 '1549.02nm'에서 '1550.12nm'로 '1100pm' 이동하여 두 브래그 격자(210)(220)의 반사파장의 차이(λ1-λ2)는 380pm 였다.
이때, 가해진 스트레인에 대한 두 브래그 격자(210)(220)의 반사파장의 차이(λ1-λ2)는 0.38pm/ mu epsilon 였다.
따라서, 두 광섬유 격자(210)(220)의 공명파장의 차이(λ1-λ2)가 가해진 스트레인에 대해 선형적인 반응을 보임으로 이 광섬유 격자(210)(220)쌍의 구조가 스트레인에 대해 센서로서의 좋은 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서 도1 과 같은 두 광섬유 격자(210)(220)의 반사 파장(λ1,λ2)을 하나의 파장으로 일치시켰을 경우 온도에 대한 반응을 도6 의 파형도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
광섬유 센서는 온도에대한 두 격자(210)(220)의 반응이 같으므로 온도의 변화가 있어도 일치된 하나의 반사파장은 유지되면서 온도변화량에 따라 이동함을 도6 (b)(c)에서 알 수 있다.
만일, 온도 변화와 스트레인이 동시에 가해진 경우 먼저 두 반사 피크 파장의 차이(λ1-λ2)로부터 가해진 스트레인을 알아내고 다음으로 온도 변화를 측정하기위해 두 개의 반사 피크 파장중에서 어느 하나의 반사 피크 파장의 이동량을 측정하여 스트레인에의한 파장의 이동량을 빼주면 남는 파장 이동량은 온도만에 의한 변화량이므로 이로부터 온도 변화를 계산해낼수 있다.
도6 의 파형도는 도2 와 같은 광섬유 격자(210)(220)쌍의 외부 환경에 온도 변화를 상온(22.8℃)에서부터 100℃까지 변화시키면서 '22.8℃, 42℃, 58℃, 76℃, 88℃, 100℃'에서 파장 이동량을 측정한 경우 '58℃ 와 100℃'에서의 광섬유 격자(210)(220)쌍에 의한 반사 파장을 보여준다.
예를 들어, 22.8℃의 상온에서 58℃로 35.2℃를 상승시켰을 경우 두 광섬유 격자(210)(220)의 브래그 반사파장은 똑같이 340pm를 이동하였다.
즉, 브래그 반사 파장의 모양은 변함없이 하나의 피크 파장만이 나타나며 반사율도 7.6 dB으로 변하지 않았다.
이 경우 온도 1℃ 변화에 대해 브래그 반사 파장의 변화는 10 pm 이다.
따라서, 온도변화에 대하여 선형적인 반응을 보임으로써 센서로서 좋은 특성을 가지고 있음을 알 수 있다.
상기에서 두 광섬유 격자(210)(220)가 동일한 반사파장을 가지기 때문에 온도 변화만 있고 가해진 스트레인이 없는 경우 하나의 반사 피크 파장을 형성하지만 스트레인이 가해지면 파장 이동량의 차이로 인하여 반사 피크 파장이 두 개로 분리되면서 동시에 반사율은 40%이상 낮아진다.
따라서, 본 발명은 스트레인이 가해진 경우 반사 피크 파장의 분리와 반사율의 감소를 통하여 매우 민감하게 알 수 있으므로 온도변화에 관계없이 스트레인의 존재를 진단하려는 경우에 특히 적합하다.
상기에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 외경이 서로 다른 두 광섬유 격자 센서로부터의 반사 파장을 검출하여 두 파장의 차이로부터 스트레인을 측정하고 또한, 임의의 한 파장의 이동량으로부터 온도를 측정함으로써 온도 또는 스트레인에 관계없이 하나의 물리량을 정확히 측정할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 동일한 광섬유 모재에서 제작된 외경이 다른 두 광섬유에 반사 파장이 같거나 다른 두 광섬유 격자를 제작하여 이를 용융 접착함으로써 광 파장 분석기 또는 파브리 페롯 복조기 등으로 상기 광섬유 격자쌍으로부터의 반사 파장을 검출하여 스트레인(strain), 온도, 압력 등의 물리량을 독립적으로 측정하도록 구성한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
  2. 제1항에 있어서, 광섬유의 외경을 가변하여 스트레인에 대한 민감도를 조절한 복수의 외경이 다른 광섬유를 연결함으로써 여러 가지의 물리량을 동시, 독립적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
  3. 온도 및 스트레인을 가하지 않은 상태에서 광섬유 격자쌍으로부터의 브래그(Bragg) 공명 파장의 스펙트럼을 추출하는 제1 단계와, 임의의 온도 및 스트레인을 가한 상태에서 광섬유 격자쌍으로부터의 브래그(Bragg) 공명 파장의 스펙트럼을 추출하는 제2 단계와, 상기에서 추출된 2개의 브래그(Bragg) 공명 파장의 일치 여부를 판단하는 제3 단계와, 상기에서 광섬유 격자쌍의 브래그(Bragg) 공명파장이 일치하는 경우 그 일치된 브래그 공명 파장의 반사율의 변화로부터 스트레인을 측정하고 공명 파장의 이동량으로부터 온도를 측정하는 제4 단계와, 상기에서 광섬유 격자쌍의 브래그(Bragg) 공명파장이 일치하지 않는 경우 두 피크 파장중 한 파장에 대한 이동량중 스트레인에 의한 이동량을 감산한 결과값으로부터 온도 변화량을 측정하는 제5 단계를 수행함을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서의 온도/스트레인 측정 방법.
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