KR100324118B1 - optical frequency modulated fiber optic interferometric sensor and the strain measurement methods - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서 및 이를 이용한 변형률 측정방법에 관한 것으로, 특히 톱니파 형태로 주파수가 변조된 빛을 출력하는 레이저기 (10)와; 상기 레이저기(10)로 부터 입사된 빛을 감지 광섬유(33)와 기준 광섬유 (34)로 분기하는 2x2 광섬유 연계기(32)와; 상기 감지 광섬유(33)와 기준 광섬유 (34)의 단부에 형성되며 입사된 빛을 반사시키는 거울코팅된 반사면(33a,34a)과; 상기 반사면(33a,34a)에 의해 되돌아 나오는 빛을 검출하는 광검출기(20)를 구비하되; 상기 감지 광섬유(33)의 길이가 변형되면 그 변형의 크기와 방향에 따라 일정한 시간동안 출력되는 광신호의 파형갯수가 가변되는 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서의 출력신호를 일정한 시간동안 주기적으로 취득하고 대역 통과기로 여과한 후, 구형파로 변환하여 계수하면 별도의 장치를 부가하지 않고서도 외부 물리량의 변화량과 증감을 손쉽게 파악할 수 있다.The present invention relates to an optical frequency modulated optical fiber interference type sensor and a strain measuring method using the same, and particularly, a laser device (10) for outputting light modulated with a sawtooth wave; A 2x2 optical fiber linker 32 for splitting the light incident from the laser machine 10 into the sensing optical fiber 33 and the reference optical fiber 34; Mirror-coated reflecting surfaces (33a, 34a) formed at the ends of the sensing optical fiber (33) and the reference optical fiber (34) for reflecting incident light; A photodetector 20 for detecting light returned by the reflective surfaces 33a and 34a; When the length of the sensing optical fiber 33 is deformed, the output signal of the optical frequency modulated optical fiber interference type sensor, in which the number of waveforms of the optical signal outputted for a predetermined time varies according to the size and direction of the deformation, is periodically acquired for a predetermined time. After filtering with a band pass, converting to a square wave and counting, it is possible to easily grasp the amount of change and increase and decrease of the external physical quantity without adding a separate device.
Description
본 발명은 광섬유를 이용한 간섭형 센서에 관한 것으로, 특히 변형률, 압력 등의 다양한 물리량의 측정이 가능하여 구조물의 안전성 측정에 사용되는 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서와 이를 이용한 변형률 측정방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an interference type sensor using an optical fiber, and more particularly, to an optical frequency modulated optical fiber interference type sensor and a strain measuring method using the same, which can measure various physical quantities such as strain and pressure.
일반적으로, 광섬유를 이용한 센서는 그 크기가 작아서 측정 대상물의 표면에 부착하거나 구조물의 내부에 매설하기 용이하며, 또한 광섬유의 재질이 유리임에 따라 내부식성이 우수하고 전자기파의 영향을 받지 않는다. 특히, 광섬유 간섭형 센서는 민감도와 분해능이 우수하여 산업용 기계 구조물과 교량, 빌딩 등과 같은 건설 구조물에 대한 손상이나 노후화에 따른 피로손상을 감지하는 센서로 사용이 유망시되고 있다.In general, the sensor using the optical fiber is small in size, so that it is easy to attach to the surface of the measurement object or embed it inside the structure. Also, since the optical fiber is made of glass, the sensor has excellent corrosion resistance and is not affected by electromagnetic waves. In particular, the optical fiber interference type sensor has excellent sensitivity and resolution, and thus it is promising to be used as a sensor for detecting fatigue damage due to aging or damage to construction structures such as industrial mechanical structures, bridges, and buildings.
상기와 같은 광섬유 센서로는 간섭형, 파장형 및 광강도형 센서 등이 있는데, 간섭형 센서는 파장형 센서에 비해 간단하고 저렴하게 시스템을 구현할 수 있으며, 또한 광강도형 센서에 비해 민감도가 우수하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 간섭형 센서에는 마크-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 마이켈슨(Michelson) 간섭계, 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 등을 이용한 광섬유 센서가 있다.Such optical fiber sensors include interference type, wavelength type, and light intensity type sensors, and the interference type sensor can implement a system simpler and cheaper than wavelength type type sensors, and also has higher sensitivity than light intensity type sensors. Has the advantage. Such interference type sensors include fiber optic sensors using a Mach-Zehnder interferometer, a Michelson interferometer, a Fabry-Perot interferometer, and the like.
패브리-페로 간섭계 센서는 가까운 간섭거리(coherence length) 내에서 간섭이 일어나도록 제작됨에 따라 광특성의 변조가 불가능하지만, 마크-젠더 간섭계나 마이켈슨 간섭계를 이용한 광섬유 센서는 2개의 광섬유, 즉 기준 광섬유와 감지 광섬유를 사용하기 때문에 광간섭이 발생되는 구간의 광섬유를 변형하거나 길이차를 두면 광특성의 변조가 가능하다.Since Fabry-Perot interferometer sensors are designed to cause interference within a close coherence length, optical properties cannot be modulated.However, fiber-optic sensors using Mark-Gender interferometers or Michelson interferometers have two optical fibers, that is, reference fiber. Since optical fiber and sensing fiber are used, optical properties can be modulated by deforming or lengthening optical fiber in the section where optical interference occurs.
도 6은 일반적인 마이켈슨 간섭형 센서를 도시한 것으로, 광섬유로 입사된 일정한 파장을 갖는 빛은 2x2 광섬유 연계기(130)를 통과한 후, 1:1의 비율로 분할되어 기준 광섬유(141)와 감지 광섬유(142)로 각각 전파된다. 이와같이 전파된 빛은 측정대상인 구조물(150)에 부착된 기준 광섬유(141)와 감지 광섬유(142)의 단부, 즉 거울코팅된 반사면(141a,142a)에 의해 각각 반사되어 2x2 광섬유 연계기 (130)로 되돌아 나와 광검출기(120)에 의해 검출된다.FIG. 6 illustrates a typical Michelson interference type sensor, and light having a predetermined wavelength incident to the optical fiber passes through the 2x2 optical fiber linker 130 and is split at a ratio of 1: 1 to sense the reference optical fiber 141. Each propagates through the optical fibers 142. The propagated light is reflected by the end of the reference optical fiber 141 and the sensing optical fiber 142, that is, the mirror-coated reflective surfaces 141a and 142a, respectively, attached to the structure 150 to be measured, and thus the 2x2 optical fiber linkage 130 It is returned to and detected by the photodetector 120.
이때, 감지 광섬유(142)의 외부에서 변형이 가해지지 않으면 일정한 광강도를 갖는 신호가 광검출기(120)에 의해 검출되고, 구조물(150)에 변형이 가해져 감지 광섬유(142)의 길이가 변하면 길이의 변화량(ΔL)에 비례하는 정현파 신호가 광검출기(120)에 의해 검출된다.In this case, if the deformation is not applied outside the sensing optical fiber 142, a signal having a constant light intensity is detected by the photodetector 120, and if the deformation is applied to the structure 150, the length of the sensing optical fiber 142 changes. A sinusoidal signal proportional to the amount of change ΔL is detected by the photodetector 120.
즉, 구조물(150)에 변형이 가해지면 구조물(150)에 부착된 감지 광섬유(142)의 길이가 변하게 되는데, 기준 광섬유(141)의 빛과 만나서 간섭을 일으키는 감지 광섬유(142)의 반사광은 편광의 영향을 무시하는 경우에 [수학식 1]과 같은 정현파 형태로 입력된다. 미설명된 도면부호 120은 광원을 나타낸 것이다.That is, when the deformation is applied to the structure 150, the length of the sensing optical fiber 142 attached to the structure 150 is changed. The reflected light of the sensing optical fiber 142 that meets the light of the reference optical fiber 141 and causes interference is polarized. In case of ignoring the effect of the equation, it is input in the form of sine wave as shown in [Equation 1]. Unexplained reference numeral 120 denotes a light source.
[수학식 1][Equation 1]
도 7은 일반적인 마이켈슨 간섭형 센서와 변형률 게이지의 출력신호를 비교하여 나타낸 것으로, 변형률이 증가 또는 감소함에 따라 위상이 선형으로 증가하거나 감소하는 [수학식 1]과 같은 정현파 신호가 광검출기(120)에서 출력됨을 확인할 수 있다.FIG. 7 shows a comparison of the output signal of a typical Michelson interference type sensor and a strain gauge. A sinusoidal signal such as [Equation 1] in which the phase increases or decreases linearly as the strain increases or decreases is detected by the photodetector 120. You can see the output from).
간섭계 센서에서 생기는 위상차(ΔΦ)는 일반적으로 [수학식 2]와 같이 외부물리량(ΔL)과 비례하므로, 각 간섭계 센서의 고유 위상차(ΔΦ)와 외부물리량 (ΔL)과의 비례상수를 알고 간섭계 센서의 출력세기(I)로 부터 위상차(ΔΦ)를 구하면 외부 물리량(ΔL)의 크기를 산출할 수 있다.Since the phase difference (ΔΦ) generated by the interferometer sensor is generally proportional to the external physical quantity (ΔL) as shown in [Equation 2], the interferometer sensor knows the proportional constant between the intrinsic phase difference (ΔΦ) and the external physical quantity (ΔL) of each interferometer sensor. By calculating the phase difference ΔΦ from the output intensity I of, it is possible to calculate the magnitude of the external physical quantity ΔL.
[수학식 2][Equation 2]
그러나, 간섭계 센서의 출력세기(I)와 위상차(ΔΦ)가 비례하지 않고 증감 방향 또한 일치하지 않으므로 간섭계 센서의 출력으로 부터 직접 위상차(ΔΦ)를 구할 수는 없다. 이와같은 문제점을 해결하기 위하여 간섭계 센서에 일정한 위상변조를 행하는 방법이 널리 사용되고 있다.However, since the output intensity I and the phase difference ΔΦ of the interferometer sensor are not proportional and the increase and decrease directions do not coincide, the phase difference ΔΦ cannot be directly obtained from the output of the interferometer sensor. In order to solve such a problem, a method of performing constant phase modulation on an interferometer sensor is widely used.
그중 한 가지의 방법은 레이저 다이오드를 입력광원으로 사용하는 경우에 구동전류를 주기적으로 변조시키는 방법이다. 즉, 변조주파수(fm)에 맞추어 레이저 다이오드의 구동전류를 문턱전류 이상에서 톱니파 형태로 변조시키면 출력 광주파수 역시 근사적으로 톱니파 형태로 변하는데, 이것을 수식으로 나타내면 [수학식 3]과 같다.One method is to periodically modulate the driving current when using a laser diode as an input light source. In other words, when the driving current of the laser diode is modulated in the sawtooth wave shape above the threshold current according to the modulation frequency f m , the output optical frequency is also changed into the sawtooth wave form. This is expressed by Equation 3 below.
[수학식 3][Equation 3]
여기서 ν0는 전류변조가 시작되는 시점의 광주파수이고, α는 사용되는 레이저 다이오드의 고유상수로서 레이저의 특성과 구동전류의 변화율에 관련된 양이며, t0는 전류변조가 시작되는 시점이다.Where ν 0 is the optical frequency at the start of current modulation, α is the intrinsic constant of the laser diode used, and is related to the laser characteristics and the rate of change of the drive current, and t 0 is the point at which current modulation starts.
이와같이 주파수 변조된 빛을 간섭계 센서에 입사시켜 길이차(ΔL)를 갖는 두 광경로를 지나게 한 후, 간섭을 시키면 간섭하는 두 광은 Δt만큼 서로 다른 시간에 광원에서 나온 빛이므로 주파수차가 생기는데, Δt는 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.The frequency-modulated light is incident on the interferometer sensor and passes through two optical paths having a length difference (ΔL). When the interference occurs, the two interfering lights are light emitted from the light source at different times by Δt. Can be expressed as shown in [Equation 4].
[수학식 4][Equation 4]
여기서, n은 광섬유의 유효 굴절률이고, c는 진공에서의 빛의 속도이다.Where n is the effective refractive index of the optical fiber and c is the speed of light in vacuum.
[수학식 4]를 [수학식 3]에 대입하면 간섭하는 두 광의 주파수차(Δν)는 다음의 [수학식 5]와 같이 표현할 수 있다.Substituting [Equation 4] into [Equation 3], the frequency difference [Delta] v of the two interfering lights can be expressed as Equation 5 below.
[수학식 5][Equation 5]
상기와 같이 주파수차를 갖는 두 빛을 간섭시키면 간섭계 센서의 출력(I)은 레이저 다이오드의 구동전류를 변조하기 위한 주기(T=1/fm)의 시작과 끝 부분을 제외한 대부분의 시간동안 [수학식 6]과 같은 형태를 갖는다.Interfering two lights having a frequency difference as described above, the output (I) of the interferometer sensor is most of the time except for the beginning and end of the period (T = 1 / f m ) for modulating the driving current of the laser diode. Equation 6] has the form.
[수학식 6][Equation 6]
즉, 주기(T)의 처음과 끝 부분에서만 급격한 위상변화와 세기변화가 발생하게 된다. 따라서, 주어진 길이차(ΔL)에 대하여 전류 변화율을 적절히 조절하여 [수학식 7]과 같은 관계가 성립되면 도 4a에 도시된 것처럼 주기(T)의 처음과 끝 부분에서만 급격한 변화가 생기고 처음과 끝 부분에서 조금 떨어진 곳에서는 서로 연속되는 듯한 형태의 출력을 얻을 수 있다.That is, a sudden phase change and intensity change occur only at the beginning and the end of the period T. Therefore, when the rate of change of current is properly adjusted for a given length difference ΔL and a relationship as shown in Equation 7 is established, a sudden change occurs only at the beginning and the end of the period T as shown in FIG. At some distance from the part, you can get output that looks like it is continuous with each other.
[수학식 7][Equation 7]
중심 주파수가 fm인 대역 통과기에 상기와 같은 간섭계 센서의 출력을 통과시키면 도 4b에 도시된 것처럼 [수학식 8]로 표시되는 외부 물리량에 의해 위상이 변조되고 레이저 구동 주파수와 같은 주파수(fm)을 갖는 완전한 반송파 형태의 출력을 얻을 수 있다는 사실은 이미 공지되어 있으며, 또한 [수학식 6]을 엄격히 만족하지 않더라도 이러한 관계가 성립한다는 것은 이미 알려져 있다.The center frequency of the phase by an external physical quantity groups pass-band f m, as shown in Figure 4b is passed through the output of the interferometer sensor as described above represented by the following [Equation 8] modulated and frequency equal to the laser driving frequency (f m It is already known that a full carrier-shaped output with) is known, and it is already known that this relationship holds even if the equation (6) is not strictly satisfied.
[수학식 8][Equation 8]
일반적인 FM 복조기술을 이용하여 [수학식 8]로 표시되는 간섭계 센서의 출력신호의를 구한 후, 적분하면 외부 물리량에 의해 발생되는 위상차(ΔΦ)를 정확히 구할 수 있으나, 이를 위해서는 별도의 전자회로를 추가하여야 한다는 불편함이 있다.Using the general FM demodulation technique, the output signal of the interferometer sensor represented by [Equation 8] After integrating, it is possible to accurately calculate the phase difference ΔΦ generated by the external physical quantity, but there is an inconvenience in that a separate electronic circuit must be added.
또한, 간섭계 센서내에 위상 변조기를 설치하고 적절하게 위상변조를 가하여 [수학식 8]과 같은 형태의 신호를 얻기도 하는데, 이러한 방법도 광섬유 회로에 부가적인 장치를 설치해야 함에따라 변조를 위한 충분한 길이의 광섬유가 존재하는 경우에만 가능하다는 문제점이 있다.In addition, a phase modulator is installed in the interferometer sensor and appropriately phase-modulated to obtain a signal of the form (Equation 8). This method also has a sufficient length for modulation as additional devices must be installed in the optical fiber circuit. There is a problem that is possible only when the optical fiber of the present.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 광원의 위상을 주기적으로 변조하여 측정대상인 물리량에 의해 생긴 간섭계 센서의 위상차가 2π 라디안 이상이고 최대 허용 오차 범위가 2π 라디안인 경우에 일정한 시간동안 간섭계 센서에서 출력되는 간섭무늬의 갯수를 계수하면 별도의 장치를 부가하지 않고서도 물리량의 크기를 손쉽게 파악할 수 있는 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서와 이를 이용한 변형률 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Accordingly, the present invention has been invented to solve the above problems, which is constant when the phase difference of the interferometer sensor caused by the physical quantity to be measured by periodically modulating the phase of the light source is 2π radians or more and the maximum allowable error range is 2π radians. It is an object of the present invention to provide an optical frequency modulated optical fiber interference type sensor and strain measurement method using the same, by counting the number of interference fringes output from the interferometer sensor for a long time without additional equipment. .
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서는, 톱니파 형태로 주파수가 변조된 빛을 출력하는 레이저기와; 상기 레이저기로 부터 입사된 빛을 감지 광섬유와 기준 광섬유로 분기하는 2x2 광섬유 연계기와; 상기 감지 광섬유와 기준 광섬유의 단부에 형성되며 입사된 빛을 반사시키는 거울코팅된 반사면과; 상기 반사면에 의해 되돌아 나오는 빛을 검출하는 광검출기를 구비하되; 상기 감지 광섬유의 길이가 변형되면 그 변형의 크기와 방향에 따라 일정한 시간동안 출력되는 광신호의 파형갯수가 가변되는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an optical frequency modulated optical fiber interference sensor according to the present invention includes a laser device for outputting light modulated with a sawtooth wave; A 2x2 optical fiber linker for splitting light incident from the laser into a sensing optical fiber and a reference optical fiber; A mirror-coated reflective surface formed at the ends of the sensing optical fiber and the reference optical fiber to reflect incident light; A photodetector for detecting light returned by the reflective surface; When the length of the sensing optical fiber is deformed, the number of waveforms of the optical signal output for a predetermined time varies according to the size and direction of the deformation.
또한 본 발명에 따른 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서를 이용한 변형률 측정 방법은, 간섭형 센서의 탐촉자를 측정 대상물에 부착하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 측정 대상물에 부착된 간섭형 센서의 출력신호를 일정한 시간동안 주기적으로 취득하는 제 2 단계; 상기 제 2 단계에서 취득된 데이터를 대역 통과기로 여과하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 여과된 신호의 크기가 0보다 크면 1로 하고, 0보다 작으면 -1로 하여 신호파형을 구형파로 변환하는 제 4 단계; 상기 제 4 단계에서 변환된 구형파의 갯수(N)를 일정한 시간동안 계수하고 이를 변형률이 없는 경우의 기준갯수 (N0)와 비교하여 차(ΔN)를 구하는 제 5 단계; 상기 제 5 단게에서 구해진 구형파의 갯수(N)와 기준갯수(N0)의 차(ΔN)를 계속하여 누적하고 이를에 대입하여 변형률을 구하는 제 6 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.In addition, the strain measurement method using the optical frequency modulated optical fiber interference sensor according to the present invention, the first step of attaching the transducer of the interference sensor to the measurement object; A second step of periodically acquiring an output signal of the interference type sensor attached to the measurement object in the first step for a predetermined time; A third step of filtering the data obtained in the second step with a band pass; A fourth step of converting the signal waveform into a square wave by setting it as 1 when the magnitude of the signal filtered in the third step is larger than 0 and -1 when it is smaller than 0; A fifth step of counting the number N of square waves converted in the fourth step for a predetermined time and comparing the result with a reference number N 0 when there is no strain to obtain a difference ΔN; The difference ΔN between the number N and the reference number N 0 of the square wave obtained in the fifth stage is continuously accumulated and is It is characterized by comprising a sixth step of obtaining a strain by substituting for.
도 1은 본 발명에 따른 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서의 구조도,1 is a structural diagram of an optical frequency modulated optical fiber interference sensor according to the present invention;
도 2는 도 1에 도시된 탐촉자의 측면도,2 is a side view of the transducer shown in FIG.
도 3은 도 1에 도시된 광섬유 센서의 출력신호와 변형률의 관계를3 is a diagram illustrating a relationship between an output signal and a strain rate of an optical fiber sensor illustrated in FIG. 1;
나타낸 도면,Shown,
도 4는 도 1에 도시된 광섬유 센서의 출력신호의 처리과정을 나타낸4 is a diagram illustrating a process of processing an output signal of the optical fiber sensor illustrated in FIG. 1;
도면으로,As the drawing,
도 4a는 광섬유 센서의 출력신호를 나타낸 도면,4A is a view showing an output signal of an optical fiber sensor;
도 4b는 도 4a에 도시된 출력신호를 대역통과시킨 여과신호를FIG. 4B illustrates a filtration signal obtained by band-passing the output signal shown in FIG. 4A.
나타낸 도면,Shown,
도 4c는 도 4b에 도시된 여과신호를 변환한 구형파 변환신호를FIG. 4C illustrates a square wave converted signal obtained by converting the filtered signal shown in FIG. 4B;
나타낸 도면,Shown,
도 5는 도 1에 도시된 광섬유 센서에 의해 측정된 변형률을 나타낸 도면,5 is a view showing a strain measured by the optical fiber sensor shown in FIG.
도 6은 일반적인 마이켈슨 간섭형 센서의 개념도,6 is a conceptual diagram of a typical Michelson interference type sensor,
도 7은 일반적인 마이켈슨 간섭형 센서와 변형률 게이지의 출력신호를Figure 7 shows the output signal of a typical Michelson interference sensor and strain gauge
비교하여 나타낸 도면,Compared to the drawings,
도면의 주요한 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
10 : 레이저기 20 : 광검출기10: laser machine 20: photodetector
30 : 탐촉자 31 : 베이스판30: probe 31: base plate
32 : 광섬유 연계기 33 : 감지 광섬유32: fiber optic linker 33: sensing optical fiber
33a,34a : 반사면 34 : 기준 광섬유33a, 34a: reflecting surface 34: reference optical fiber
35 : 모세 유리관 36 : 에폭시 수지35 capillary glass tube 36 epoxy resin
이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명에 따른 간섭형 센서의 구조를 살펴보기에 앞서, [수학식 8]을 보면 코사인항의 전체 위상이 2π 라디안 변할때 마다 간섭계 센서의 출력은 0점을 두번 지나게 된다. 만약, 시간 t-τ에서 t 동안 간섭계 센서에서 출력되는 교류 출력 성분(Iac)과 0점이 교차(zero crossing)하는 갯수(N)를 계수하면 외부 물리량에 의한 영향이 없는 경우에는로 일정하고, 외부 물리량에 의한 영향이 있는 경우에는가 된다. 여기서 [ x ]는 x보다 작은 최대 정수이다.Prior to examining the structure of the coherent sensor according to the present invention, in Equation 8, whenever the total phase of the cosine term changes by 2π radians, the output of the interferometer sensor passes two zero points. If, at time t-τ, the AC output component I ac outputted from the interferometer sensor and the number N of zero crossings are counted, and there is no influence by external physical quantity, If constant, and there is influence by external physical quantity Becomes Where [x] is the largest integer less than x.
를 구하면 시간 t-τ에서 t 동안 외부 물리량에 의해 생긴 위상변화가 2π 라디안의 몇 배로 발생하였는지 파악할 수 있다. 따라서 τ시간동안의 측정오차는 2π 라디안이 되고, 외부 물리량에 의한 구조물의 변형률은 [수학식 9]를 통해 측정할 수 있다. 즉, ΔN을 τ 시간간격으로 구한 다음 누적하여 게이지 상수(G)를 곱하면 변형률을 구할 수 있다. We can find out how many times the phase change caused by the external physical quantity during time t-τ is 2π radians. Therefore, the measurement error during τ time is 2π radians, the strain of the structure due to the external physical quantity can be measured by the equation (9). In other words, the strain can be obtained by calculating ΔN at the τ time interval and then accumulating and multiplying the gauge constant (G).
[수학식 9][Equation 9]
본 발명은 외부 물리량의 변화에 따라 가변되는 간섭신호의 파형갯수를 이용하여 변형률을 측정하는 것으로, 도 1은 이와같은 방식으로 구조물의 변형률을 측정하는 본 발명에 따른 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 탐촉자의 측면도이다.The present invention is to measure the strain using the number of waveforms of the interference signal that is variable in accordance with the change of the external physical quantity, Figure 1 is a optical frequency modulation optical fiber interference sensor according to the present invention for measuring the strain of the structure in this way 2 is a side view of the transducer shown in FIG. 1.
도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 간섭계 센서는 레이저기인 광원(10)과 광검출기(20) 및 탐촉자(30)로 구성되어 있는데, 상기 탐촉자(30)는 광원(10)으로 부터 광섬유로 입사된 톱니파의 빛을 감지 광섬유(33)와 기준 광섬유(34)로 분기하는 2x2 광섬유 연계기(32)와, 상기 기준 광섬유(34)에 가해지는 외부 물리량을 차단시키는 모세 유리관(35)을 구비한다. 아울러, 상기 감지 광섬유(33)와 기준 광섬유 (34)는 베이스판(base plate)(31)에 에폭시 수지(36)로 고정되어 있으며, 단부에는 거울코팅된 반사면(33a,34a)이 각각 형성되어 있다.As shown in the figure, the interferometer sensor according to the present invention is composed of a laser light source 10, a photodetector 20 and a probe 30, the probe 30 is incident to the optical fiber from the light source 10 And a 2x2 optical fiber linker 32 for splitting the light of the sawtooth wave into the sensing optical fiber 33 and the reference optical fiber 34, and a capillary glass tube 35 for blocking an external physical quantity applied to the reference optical fiber 34. In addition, the sensing optical fiber 33 and the reference optical fiber 34 are fixed to the base plate 31 by an epoxy resin 36, and mirror-coated reflective surfaces 33a and 34a are formed at the ends, respectively. It is.
상기 감지 광섬유(33)와 기준 광섬유(34)의 단부에 형성된 반사면(31a,34a)은 수직으로 절단된 광섬유의 단부에 금이나 은 또는 알루미늄을 진공증착의 방식으로 코팅하여 형성한다.Reflecting surfaces 31a and 34a formed at the ends of the sensing optical fiber 33 and the reference optical fiber 34 are formed by coating gold, silver, or aluminum on the end of the vertically cut optical fiber by vacuum deposition.
따라서, 톱니파 형태로 주파수 변조된 레이저 광원(10)의 빛이 광섬유에 입사되면 2x2 광섬유 연계기(32)를 지나면서 입사광은 감지 광섬유(33)와 기준 광섬유(34)로 1:1의 비율로 분기된다. 상기 감지 광섬유(33)는 외부 물리량에 따라 길이의 변화를 겪게되고 그로인해 감지 광섬유(33)의 내부를 통과하는 빛의 광경로가 변하게 된다.Therefore, when the light of the laser light source 10 frequency-modulated in the form of sawtooth wave is incident on the optical fiber, the incident light passes through the 2x2 optical fiber linker 32 at a ratio of 1: 1 between the sensing optical fiber 33 and the reference optical fiber 34. do. The sensing optical fiber 33 undergoes a change in length according to an external physical quantity, thereby changing the optical path of the light passing through the sensing optical fiber 33.
반면, 기준 광섬유(34)는 외부 물리량에 의한 길이변화가 없으므로 기준 광섬유(34)의 내부를 통과하는 빛의 광경로에는 변화가 없다. 이와같이, 감지 광섬유(33)와 기준 광섬유(34)를 통과한 빛이 반사면(33a,34a)에 의해 반사된 후, 2x2 광섬유 연계기(32)에서 다시 합성되면 보강 또는 상쇄간섭이 발생하게 되어 광출력은 [수학식 8]과 같은 정현파의 형태를 갖는다.On the other hand, since the reference optical fiber 34 has no length change due to an external physical quantity, there is no change in the optical path of light passing through the inside of the reference optical fiber 34. In this way, when the light passing through the sensing optical fiber 33 and the reference optical fiber 34 is reflected by the reflecting surfaces 33a and 34a, and then recombined in the 2x2 optical fiber linker 32, constructive or destructive interference occurs. The output has the form of a sine wave as shown in [Equation 8].
이러한 현상은 Jackson D. A.가 1985년 Journal of Physics, E: Instrument Science and Technology의 제18권에 발표한 논문인 "Mono-mode optical fiber interferometers for precision measurements"에 상세하게 기술되어 있다.These phenomena are described in detail in 1985, "Mono-mode optical fiber interferometers for precision measurements," published in the 18th issue of Journal of Physics, E: Instrument Science and Technology.
도 3은 변형률의 변화에 따라 본 발명의 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서에서 일정한 시간동안 출력되는 신호를 파형의 갯수로 개념적으로 나타낸 것이다.Figure 3 conceptually shows the signal output for a predetermined time in the optical frequency modulated optical fiber interference sensor of the present invention in accordance with the change of the strain as the number of waveforms.
변형률이 가해지지 않은 구간(41)에서의 ΔN은 0이고, 변형률이 증가하는 구간(42)에서는 ΔN이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 변형률에 변화가 없는 정점(43)에서는 파형의 갯수가 다시 변형률이 가해지지 않는 구간(41)과 같아지고, 변형률이 감소하는 구간(44)에서는 ΔN이 오히려 감소하는 것을 볼 수 있다. 따라서 ΔN은 외부물리량, 즉 변형률의 변화률과 비례하며, [수학식 9]를 통해 외부 물리량, 다시말해 변형률의 산출이 가능함을 알 수 있다.It can be seen that ΔN in the section 41 to which the strain is not applied is 0, and ΔN increases in the section 42 where the strain increases. In addition, it can be seen that in the vertex 43 having no change in strain, the number of waveforms is the same as that in which the strain is not applied again, and ΔN decreases in the region in which the strain is reduced. Therefore, ΔN is proportional to the external physical quantity, that is, the rate of change of the strain, and it can be seen that the external physical quantity, that is, the strain can be calculated through Equation (9).
본 발명에 따른 광주파수 변조 광섬유 간섭형 센서를 보에 부착하고, 만능시험기로 하중을 증가시키거나 감소시키면서 변형률을 측정하여 도 4a와 같은 결과를 얻었다. 도 4a는 레이저 광원(10)의 구동전류를 400Hz의 톱니파로 변조한 경우에 광섬유 센서에서 출력되는 신호를 0.125초 동안 취득한 파형의 1/2인 0.625초 동안 취득한 광섬유 센서의 출력신호의 파형이다.The optical frequency modulated optical fiber interference sensor according to the present invention was attached to the beam, and the strain was measured while increasing or decreasing the load with a universal testing machine to obtain a result as shown in FIG. 4A. 4A is a waveform of an output signal of an optical fiber sensor acquired for 0.625 seconds, which is 1/2 of a waveform obtained for 0.125 seconds when the drive current of the laser light source 10 is modulated with a sawtooth wave of 400 Hz.
상기와 같은 광섬유 센서의 출력신호를 중심주파수가 100Hz인 대역 통과기로여과하면 도 4b와 같은 신호를 얻을 수 있으며, 이 신호의 크기가 0보다 크면 1로 하고, 작으면 -1로 하여 구형파로 변환하면 도 4c와 같은 구형파를 얻을 수 있는데, 이 구형파의 갯수를 계수하면 변형률을 산출할 수 있다.When the output signal of the optical fiber sensor is filtered through a band pass with a center frequency of 100 Hz, a signal as shown in FIG. 4B can be obtained. If the magnitude of the signal is greater than 0, the signal is converted to 1 and the smaller is -1 to convert the square wave. If the square wave as shown in Figure 4c can be obtained, the strain can be calculated by counting the number of square waves.
즉, 변형률이 가해지지 않는 동안에는 광주파수 변조 주파수와 동일한 갯수의 구형파가 존재함에 따라 기준갯수는 광주파수 변조 주파수의 역수로 일정하지만, 변형률이 가해진 경우에는 파형의 갯수가 가변된다. 따라서, 변형률이 가해진 경우에 구해진 구형파의 갯수와 기준갯수의 차이를 구하여 [수학식 9]에 적용하면 변형률을 구할 수 있다.That is, while the strain is not applied, as the number of square waves equal to the optical frequency modulation frequency is present, the reference number is constant as the inverse of the optical frequency modulation frequency, but when the strain is applied, the number of waveforms is varied. Therefore, the strain can be obtained by applying the difference between the number of square waves and the reference number obtained when the strain is applied to Equation 9.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 센서와 일반적인 변형률 게이지에 의해 측정된 변형률을 비교하여 나타낸 것으로, 만능시험기를 사용하여 하중을 증가시키거나 감소시키며 측정한 결과이다. 도면에 도시된 것처럼, 광섬유 센서를 통해 얻은 변형률이 변형률 게이지를 통해 얻은 변형률과 거의 일치하고 있음을 볼 수 있다.Figure 5 shows a comparison of the strain measured by the optical fiber sensor and the general strain gauge according to the present invention, the result of measuring by increasing or decreasing the load using a universal testing machine. As shown in the figure, it can be seen that the strain obtained through the optical fiber sensor almost matches the strain obtained through the strain gauge.
한편, 변형률 측정시 온도변화에 의해 발생되는 열팽창의 보상은 [수학식 10]을 이용하면 된다. 즉, 측정 대상물의 표면에 부착된 본 발명에 따른 광섬유 센서의 변형률과 온도에 대한 위상변화는 아래의 [수학식 10]과 같다.On the other hand, to compensate for the thermal expansion caused by the temperature change in the strain measurement can be used [Equation 10]. That is, the phase change with respect to strain and temperature of the optical fiber sensor according to the present invention attached to the surface of the measurement object is expressed by Equation 10 below.
[수학식 10][Equation 10]
이때, 광섬유 굴절률의 온도 및 응력에 대한 변화율을 기준량으로 하면 일정한 시간동안에 발생되는 파형갯수의 변화량(ΔN)을 [수학식 9]와 같이 표현할 수있다. 또한, 온도변화와 외부 하중에 의한 변형률은 [수학식 11]과 같이 정리할 수 있다.At this time, if the change rate with respect to the temperature and stress of the optical fiber refractive index as a reference amount can be expressed as the change amount ΔN of the number of waveforms generated during a certain time as shown in [Equation 9]. In addition, the strain due to temperature change and external load can be summarized as in [Equation 11].
[수학식 11][Equation 11]
여기서, α는 측정 대상물의 열팽창 계수이며, 본 발명의 광섬유 센서에서 사용되는 모세 유리관(35)과 광섬유(33,34)의 열팽창 계수 보다 크다. Δεstress는 외부 하중에 의한 변형률이고, 온도변화를 별도로 측정할 수 있거나 온도는 변하지만 외부 하중이 가해지지 않는 측정 대상물에 동일한 조건으로 적용한 광섬유 센서의 출력신호를 이용하면 그 값을 얻어, 온도보상을 수행할 수 있다.Here, α is the coefficient of thermal expansion of the measurement object, which is larger than the coefficients of thermal expansion of the capillary glass tube 35 and the optical fibers 33 and 34 used in the optical fiber sensor of the present invention. Δε stress is the strain caused by external load, and the value can be obtained by using the output signal of the optical fiber sensor that can be measured separately or the temperature change is applied to the measurement target under the same conditions. Can be performed.
따라서, 본 발명에 따른 광섬유 센서는 변형률의 측정과 같이 게이지의 길이변화를 이용한 물리량의 측정 이외에 상기된 온도 보상 방법을 이용하여 외부 하중과 열응력이 적용되지 않는 측정 구조물의 온도변화에 따른 열팽창을 감지하여 구조물의 온도도 측정할 수 있다.Accordingly, the optical fiber sensor according to the present invention uses the temperature compensation method described above in addition to the measurement of the physical quantity using the change in the length of the gauge, such as the measurement of the strain, and the thermal expansion according to the temperature change of the measuring structure to which the external load and the thermal stress are not applied. Sensing can also measure the temperature of the structure.
이상에서 본 발명은 게이지의 길이변화를 이용하여 구조물의 변형률을 측정하는 방법만을 실시예로 기술하였으나, 그 외의 여러가지 방법을 이용하여 다양한 물리량을 측정할 수도 있다.In the above description, the present invention describes only a method of measuring a strain of a structure using a change in length of a gauge, but various physical quantities may be measured using various other methods.
상기된 것처럼 본 발명은, 주파수가 변조된 광이 입사되는 간섭계 센서의 출력을 일정한 시간동안 계수하면 별도의 장치를 부가하지 않고서도 외부 물리량의변화량과 증감을 손쉽게 파악할 수 있다.As described above, the present invention can easily grasp the change amount and increase and decrease of the external physical quantity by adding a separate device if the output of the frequency-modulated interferometer sensor is counted for a predetermined time.
또한, 측정 대상물의 변형률의 증감 방향을 구별할 수 있으므로, 교량이나 대형건물, 발전설비 등의 상시적인 건전성 감시를 보다 효과적으로 수행할 수 있으며, 특히 장기간 사용에 따른 피로손상을 예측하는데 효율적이다.In addition, since the direction of increase and decrease of the strain of the measurement object can be distinguished, it is possible to more effectively monitor the integrity of the bridge, large buildings, and power generation facilities, and is particularly effective in predicting fatigue damage caused by long-term use.
Claims (3)
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