KR100368122B1 - 반사대역폭이 외부 인가 스트레인에 따라 변하는 처핑된 광섬유 격자 센서 및 이를 이용한 스트레인 측정 장치 - Google Patents

Abstract

이 발명에 따른 광섬유 격자 센서는 상대적 장주기 격자부와 상대적 상대적 단주기 격자부가 형성되어 있는 코어를 포함하는 광섬유; 및 상기 상대적 장주기 격자부에 대응하는 광섬유의 외부를 감싸고 있는 차단 부재를 포함한다. 차단 부재가 외부로부터 가해지는 스트레인을 차단함에 따라 상대적 상대적 단주기 격자부에 의한 반사 파장과 상대적 장주기 격자부에 의한 반사 파장이 스트레인이 가해지면 서로 겹치게 되어 반사 대역이 줄어들게 되고, 전체적으로 반사되는 빛의 파워가 감소된다. 이와 같이 광섬유 격자 센서로부터 반사되고 외부의 스트레인에 따라 파워가 가변되는 빛을 검출하여 외부에서 가해지는 스트레인을 용이하게 검출할 수 있으므로, 파장 분석 장비 등의 별도 장치가 필요하지 않게 되어 구조가 간단해진다. 또한, 검출되는 빛의 파워는 온도에 무관하므로 온도의 영향을 배제한 광섬유 격자 스트레인 센서 시스템의 기능을 하게 된다.

Description

반사대역폭이 외부 인가 스트레인에 따라 변하는 처핑된 광섬유 격자 센서 및 이를 이용한 스트레인 측정 장치{Chirped fiber grating sensor with variable reflection bandwidth according to strain and strain measurement system using the sensor}

이 발명은 광섬유 격자 센서 및 이를 이용한 스트레인(strain) 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 외부에서 인가되는 스트레인에 따라 반사 대역폭이 가변되는 광섬유 격자 센서 및 이를 이용한 스트레인 측정 장치에 관한 것이다.

광통신용 및 광섬유 센서용으로 널리 쓰이고 있는 광섬유 격자는 일반적으로 광섬유에 강한 자외선 레이저를 조사하여 발생되는 광섬유 코어 내에서의 굴절률 변화에 의해 만들어진다.

이 때, 발생되는 광섬유의 굴절률 변조 주기 등의 특성에 따라 단주기 광섬유 격자, 장주기 광섬유 격자 등으로 분류되고, 각기 특성에 따라 파장에 따른 반사 및 투과 필터 등으로 연구 및 사용되고 있다. 또한, 굴절률 변화의 변조 주기가 광섬유의 길이에 따라 다르게 제작한 처핑된(chirping) 광섬유 격자는, 광통신에서의 분산보상, 광섬유 센서 등의 소자로 이용이 되어왔다.

도 1에 종래의 자외선 레이저를 사용하여 처핑된 광섬유 격자를 제조하는 과정이 도시되어 있다. 첨부한 도 1에 도시되어 있듯이, 광섬유(1) 위에 처핑된 위상 마스크(phase mask)(2)를 위치시킨 후에 위상 마스크(2)로 자외선을 조사하며, 이에 따라 위상 마스크(2)에서 발생된 회절빔에 의하여 광섬유(1)의 코어에 간섭 무늬 즉, 격자가 형성된다.

이와 같이 제조된 광섬유 격자는 처핑된 광섬유 격자이며, 광섬유의 코어를 통해 진행하는 빛을 반사시킨다는 점에서는 단주기 광섬유 격자와 같은 특성을 가지나, 단주기 광섬유 격자에 비하여 반사 대역이 매우 크다는 차이점이 있다. 일반적으로 단주기 격자의 반사 대역은 0.6㎚ 이하이며, 처핑된 광섬유 격자는 응용 분야에 따라 다양한 반사 대역을 가지며 대략적으로 1㎚ 이상이다.

이러한 처핑된 광섬유 격자를 센서로 사용할 수 있다. 즉, 처핑된 광섬유 격자에서는 스트레인(광섬유의 길이 방향으로의 인장) 또는 온도 등의 외부 영향에 따라서 오직 반사 파장만이 바뀌게 되며, 반사 대역폭 및 반사 파워는 변하지 않는다. 따라서 이러한 파장의 변화를 광 스펙트럼 분석기 등의 장비로 측정하여 외부의 영향을 정량적으로 파악할 수 있으므로, 처핑된 광섬유 격자를 센서로서 사용할 수 있다.

그러나 종래의 처핑된 광섬유 격자 센서는 반드시 온도의 영향을 분리해 내는 별도의 장치가 필요하다. 이는 반사 파장이 스트레인 뿐만 아니라 온도에 의해서도 변하기 때문이다.또한, 많은 응용에 있어서 스트레인을 측정하기 위해서는 온도에 의한 영향을 구별하거나 배제시켜야 하는데, 종래에는 이를 위하여 두가지 이상의 파라미터를 측정하여 분석하는 복잡한 방법을 사용하였다.

한편, 두 개의 단주기 광섬유 격자를 사용하여 온도와 스트레인을 동시에 측정하는 광섬유 격자 센서 구조가 발표된 바 있다. 이 구조는 두 개의 격자 중 하나의 광섬유 격자의 외부 전체에 유리관을 부착하여 온도에만 영향을 받게 만든 구조이다. 이러한 구조로 이루어진 광섬유 격자 센서는 외부에서 가해지는 스트레인에 따라 두 광섬유 격자에서 반사되는 파장의 차이가 변하게 된다. 그러나 이러한 센서도 파장 변화를 알아야만 하기 때문에 부가적인 파장분석 장비가 필요하게 된다.

그러므로 이 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 부가적인 복잡한 파장 변화 측정 장비 없이도 외부에서 가해지는 스트레인을 측정할 수 있는 광섬유 격자 센서를 제공하고자 하는데 있다.

또한 이 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 외부의 온도 변화에 무관하게 외부에서 가해지는 스트레인을 정확하게 측정할 수 있는 광섬유 격자 센서를 제공하고자 하는데 있다.

또한, 이 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 이러한 광섬유 격자 센서를 이용한 스트레인 측정 장치를 제공하고자 하는데 있다.

도 1은 종래의 자외선 레이저를 사용한 광섬유 격자 제조 과정을 나타낸 단면도이다.

도 2는 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 구조를 나타낸 도이다.

도 3은 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 이용한 스트레인 측정 장치의 구조를 나타낸 도이다.

도 4는 도 3에 도시된 장치를 이용하여 측정된, 인가되는 외부 스트레인에 대해 변하는 반사 신호 대역을 나타낸 도이다.

도 5는 도 3에 도시된 장치를 이용하여 측정된, 외부 스트레인에 따른 반사 신호 세기의 변화를 나타낸 도이다.

도 6은 도 3에 도시된 장치를 이용하여 측정된, 외부 온도와 스트레인을 함께 변화시켰을 때 이에 따른 신호 상태를 나타낸 도이다.

도 7은 도 3에 도시된 장치를 이용하여 측정된, 외부의 동적 스트레인이 인가되는 경우에 출력되는 신호의 상태도이다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 이 발명의 특징에 따른 광섬유 격자 센서는,

상대적 장주기 격자부와 상대적 상대적 단주기 격자부가 형성되어 있는 코어를 포함하는 광섬유; 및

상기 상대적 장주기 격자부에 대응하는 광섬유의 외부를 감싸고 있는 차단 부재를 포함한다.

여기서, 차단 부재는 외부로부터 가해지는 스트레인을 차단하며, 유리관으로 이루어질 수 있다.

이 발명의 다른 특징에 따른 스트레인 측정 장치는,

설정 파장의 광신호만을 선택적으로 반사시키는 상대적 장주기 격자부와 상대적 상대적 단주기 격자부가 형성되어 있는 코어를 포함하는 광섬유와,상기 상대적 장주기 격자부에 대응하는 광섬유의 외부를 감싸고 있는 차단 부재를 포함하며, 외부로부터 인가되는 스트레인에 따라 상기 반사되는 광신호의 반사 대역폭이 가변되는 광섬유 격자 센서;

상기 광섬유 격자 센서로 광신호를 출력하는 광원;및

상기 광섬유 격자 센서로부터 반사되어 출력되는 광신호를 검출하여 해당하는 전기적인 신호를 출력하는 광검출기를 포함한다.

이러한 스트레인 측정 장치는 상기 광원으로부터 출력되는 광신호를 상기 광섬유 격자 센서로 전송하고, 상기 광섬유 격자 센서로부터 반사되는 광신호를 상기 광검출기로 전송하는 방향성 결합기를 더 포함할 수 있으며, 여기서 사용되는 차단 부재는 유리관일 수 있다.

이하, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도 2에 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 구조가 도시되어 있다.

첨부한 도 2에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서는, 코어(11), 코어(11)의 외부를 감싸고 있는 클래딩(12) 및 코어(11) 내부에 형성된 격자부(13)로 이루어진 광섬유(10)와, 외부로부터 인가되는 영향을 차단하기 위하여 광섬유(10)의 외부를 감싸고 있는 차단 부재(20)로 이루어진다.

격자부(13)에는 광섬유(10) 길이 방향으로 주기가 변화된 격자가 형성되어 있으며, 상대적으로 격자 주기가 짧은 상대적 상대적 단주기 격자부(131)와 상대적으로 격자 주기가 긴 상대적 장주기 격자부(132)로 이루어진다. 그리고 차단 부재(20)는 광섬유(10) 외부 전체를 감싸고 있지 않으며 상대적 장주기 격자부(132)에 대응하는 광섬유(10)의 외부만을 감싸고 있다.

여기서 차단 부재(20)는 유리관으로 이루어지나 이에 한정되지는 않는다. 또한 차단 부재(20)는 온도 변화에 반응하는 성질을 가지는 부재가 사용될 수 있으며, 특히 온도 변화에 대하여 광섬유와 동일하게 반응하는 성질을 가지는 부재가 사용되는 것이 바람직하다.

이 발명의 실시예에서는, 상대적 상대적 단주기 격자부(131) 및 상대적 장주기 격자부(132)가 형성되어 있는 즉, 처핑된 광섬유 격자의 총길이의 반에 해당하는 부분에 유리관 혹은 외부 스트레인의 영향 (광섬유의 인장, 혹은 휨)을 막을 수 있는 도구 등의 차단 부재를 부착한다. 이 때, 차단 부재가 부착되는 부분은 광섬유의 반사 대역의 장파장 부분(상대적 장주기 격자부(132))이고, 차단 부재가 부착되지 않은 부분은 단파장 부분(상대적 상대적 단주기 격자부(131))이다.

따라서 외부에서 스트레인이 가해지면 차단 부재(20)가 부착되지 않은 부분은 영향을 받아서 광섬유가 늘어나거나 휘게 되어, 이 부분에 새겨진 광섬유 격자(상대적 상대적 단주기 격자부(131))의 반사 파장이 장파장 쪽으로 이동하게 된다. 한편 차단 부재(20)가 부착된 부분은 외부의 스트레인에 영향을 받지 않게 됨으로써, 이 부분의 광섬유 격자(상대적 장주기 격자부(132))는 항상 일정한 반사 파장을 갖게 된다.

그 결과, 스트레인에 대해 차단 부재(20)가 부착된 부분인 상대적 장주기 격자부(132)와 차단 부재(20)가 부착되지 않은 부분인 상대적 상대적 단주기 격자부(131)의 반사 파장들이 서로 겹치게 되어, 전체 처핑된 광섬유 격자의 반사 파장의 대역은 줄어들게 된다. 이와 같이 줄어든 반사 파장 대역은 광섬유 격자에서 반사되는 빛의 파워를 감소시킨다. 그러므로, 반사되는 파워의 변화를 광 검출기로 감지하여 광섬유 격자에 가해진 외부의 스트레인 값을 정량적으로 산출할 수 있게 된다.

한편, 외부의 온도 변화에 대해서는 유리관 즉, 차단 부재(20)가 부착된 부분과 차단 부재(20)가 부착되지 않은 부분 둘 다 같은 온도를 경험하게 되므로, 반사 파장이 동시에 장파장 영역으로 이동하여 서로 겹치지 않게 되며, 이로 인해 반사 파장 대역폭의 변화가 발생되지 않는다. 따라서, 반사되는 빛의 파워도 변하지 않게 된다.

그러므로, 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서는 오직 스트레인 등의 광섬유의 인장 혹은 휨에 대해서만 반응하게 된다. 이 실시예에서, 차단 부재(20)로 유리관을 사용한 이유는 유리와 광섬유의 재질이 실리카로서 동일하고, 온도에 대한 반응이 같기 때문이다.

이러한 구조로 이루어지는 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 이용하여 다음과 같이 스트레인을 측정하는 장치를 구현할 수 있다.

도 3에 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 이용하여 외부의 스트레인을 측정하는 장치의 구조가 도시되어 있다. 첨부한 도 3에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시예에 따른 스트레인 측정 장치는, 광원(200), 광원(200)에 연결된 방향성 결합기(300), 방향성 결합기(300)의 일측에 연결된 광섬유 격자 센서(100), 방향성 결합기(300)의 타측에 연결되어 광섬유 격자 센서(100)로부터 반사되어 출력되는 빛을 검출하는 광 검출기(400)를 포함한다.

이러한 구조로 이루어지는 스트레인 측정 장치에서, 광원(200)에서 나온 광대역 빛이 방향성 결합기(300)를 통해서 광섬유 격자 센서(100)로 진행하고, 광섬유 격자 센서(100)에서 반사된 다음에 다시 방향성 결합기(300)를 통해광검출기(400)로 입력된다. 광검출기(400)에서는 검출되는 빛의 파워를 파워 미터나 오실로스코프 등을 통해서 값을 측정한다.

여기서, 사용된 처핑된 광섬유 격자 센서(100)는 격자의 길이가 2.5 cm이고, 반사도는 99 %, 반사 파장은 중심이 1552.3㎚이고 반사 대역은 2.1 ㎚이었다. 이러한 광섬유 격자의 장파장 영역에 해당하는 1552.3㎚에서 1553.35㎚ 부분에 차단 부재인 유리관을 부착하였다. 유리관이 부착된 부분의 길이는 1.25 cm이다.

도 4에 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서(100)에 스트레인을 가했을 때의 반사 대역의 변화 상태가 도시되어 있다. 위에 기술된 바와 같이, 스트레인을 가하면, 광섬유 격자 센서(100)의 단파장 부분이 장파장 부분과 겹치기 되어 전체적인 반사 대역은 줄어들게 된다. 그러나 광섬유 격자의 반사 대역의 절반인 1.05㎚에 해당하는 스트레인 값(실험에서는 약 950μstrain)보다 큰 스트레인에 대해서는 당초의 단파장 부분이 장파장 부분을 지나감에 따라서 다시 반사 대역이 커지게 된다. 이러한 경우에는 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 보다 넓은 반사 대역을 가지도록 제작하여 사용하면 되기 때문에, 측정 한계는 없다고 할 수 있다.

도 5에 외부 스트레인에 따른 반사 파워의 변화를 광검출기로 측정한 결과가 도시되어 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이, 반사되는 빛의 파워가 가해진 스트레인에 대해 거의 선형적으로 그 값이 감소되는 것을 알 수 있다. 이는 반사 대역폭이 감소하기 때문이다. 이러한 반사 파워의 변화를 이용하면 가해진 스트레인 값을 별도의 장비(파장 분석 장치)가 없이도 측정할 수 있다.

도 6에는 외부로부터 가해지는 스트레인 및 온도 변화에 따라서 반사 파워가 변화되는 상태가 도시되어 있으며, 첨부한 도 6에 도시된 바와 같이, 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서에서 측정되는 반사 파워는 온도 변화에 거의 무관하며, 스트레인의 영향만을 받음을 알 수 있다.

도 7에는 500 Hz의 동적인 스트레인 변화에 대한 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 반응이 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 이 발명의 실시예에 따른 광섬유 격자 센서는 가해진 스트레인을 정확하게 측정함을 알 수 있다.

따라서 이 발명에 따른 광섬유 격자 센서는 동적, 정적인 스트레인을 온도에 무관하게 측정할 수 있다.

비록, 이 발명이 가장 실제적이며 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이 발명은 상기 개시된 실시예에 한정되지 않으며, 후술되는 특허 청구 범위 내에 속하는 다양한 변형 및 등가물들도 포함한다.

이상에서와 같이 위에 기술된 이 발명의 실시예에 따라 부분적으로 유리관이 부착되어 있는 처핑된 광섬유 격자를 센서로 이용함으로써, 온도에 무관하며, 별도의 파장 분석 장비의 도움 없이 격자에서 반사되는 빛의 파워 변화에 따라 외부에서 가해지는 스트레인을 측정할 수 있다.

따라서 스트레인 측정 장치도 별도의 파장 분석 장비가 요구되지 않으므로 구조가 간단해지고, 제조 원가를 절감시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 상대적 장주기 격자부와 상대적 단주기 격자부가 형성되어 있는 코어를 포함하는 광섬유; 및

   상기 상대적 장주기 격자부에 대응하는 광섬유의 외부를 감싸고 있는 차단 부재

   를 포함하는 광섬유 격자 센서.
2. 제1항에 있어서,

   상기 차단 부재는 유리관으로 이루어지는 광섬유 격자 센서.
3. 설정 파장의 광신호만을 선택적으로 반사시키는 상대적 장주기 격자부와 상대적 단주기 격자부가 형성되어 있는 코어를 포함하는 광섬유와,상기 상대적 장주기 격자부에 대응하는 광섬유의 외부를 감싸고 있는 차단 부재를 포함하며, 외부로부터 인가되는 스트레인에 따라 상기 반사되는 광신호의 반사 대역폭이 가변되는 광섬유 격자 센서;

   상기 광섬유 격자 센서로 광신호를 출력하는 광원;및

   상기 광섬유 격자 센서로부터 반사되어 출력되는 광신호를 검출하여 해당하는 전기적인 신호를 출력하는 광검출기

   를 포함하는 스트레인 측정 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 차단 부재는 유리관으로 이루어지는 스트레인 측정 장치.
5. 제3항에 있어서,

   상기 광원으로부터 출력되는 광신호를 상기 광섬유 격자 센서로 전송하고, 상기 광섬유 격자 센서로부터 반사되는 광신호를 상기 광검출기로 전송하는 방향성 결합기를 더 포함하는 스트레인 측정 장치.