KR100383818B1 - 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템 - Google Patents

광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동일파장의 Fiber Grating Sensor를 이용하여 신호처리 과정을 간단히하여 경제적인 방법으로 오작동이 없고 내구성이 강한 광섬유 격자센서를 이용한 고속자동차량의 무게 측정용 시스템에 대한 것이다.
본 발명에 의한 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템은 차량의 계중을 측정하기 위한 시스템에 있어서, 광원에서 발생한 넓은 범위의 파장을 갖는 빛을 결합하는 커플러; 상기 결합기로부터 출력되는 빛을 전달받아 차량에 의해 가해진 압력에 따라 센서의 반사파장이 변화되는 다수의 광섬유 격자센서를 구비하는 센서부; 상기 센서부로부터 반사되어 오는 파장의 변화에 따라 광량의 비례적 변화가 나타나는 소자를 통하여 파장의 변화위치를 파악하여 차량의 계중을 측정하는 신호처리부를 포함함을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 다중 FBG센서의 구조와 광원으로 사용되는 LED에서 발생하는 빛을 변조하고, 나눗셈연산을 이용한 신호처리를 함으로써 LED의 스펙트럼 불평탄에 의한 파장의 천이에 따른 FBG센서에서의 빛의 전력변화와 LED자체의 출력 광전력 변화등을 보상하여 신호를 안정화할 수 있다.

Description

광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템{Weight measurement system using fiber optic grating sensor}
본 발명은 차량계중 측정장치에 관한 것으로, 특히 동일한 파장을 갖는 다수의 광섬유 격자 센서와 이를 이용한 신호처리장치를 구비하는 고속의 자동 차량계중 측정용 시스템에 관한 것이다.
오늘날 자동차 운송은 다양화, 원거라화, 대형화로 한계에 이르고, 도로손상 등 도로관리상의 문제도 매년 증가하고 있어 도로의 이용상황 및 위반차량의 실태를 주행중에 파악하여 도로, 교통감시 등에 폭 넓게 이용될 시스템 개발이 필요하다.
기존의 저속형 자동 계중 시스템은 급격히 증가하고 있는 화물수송량을 소화하는데 어려움이 있으며, 신속 정확하게 주행차량의 중량을 측정할 수 있는 고속용 자동 계중 시스템이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 동일파장의 Fiber Grating Sensor를 이용하여 신호처리 과정을 간단히하여 경제적인 방법으로 오작동이 없고 내구성이 강한 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템을 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 의한 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 다중 광섬유 브래그 격자센서의 반사 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템에서 신호처리부의 상세한 구성이 포함되는 시스템의 블록도이다.
도 4는 다중 광섬유 브래그 격자센서가 매설되는 위치를 도시한 것이다.
상기 기술적과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템은 차량의 계중을 측정하기 위한 시스템에 있어서, 광원에서 발생한 넓은 범위의 파장을 갖는 빛을 결합하는 커플러; 상기 결합기로부터 출력되는 빛을 전달받아 차량에 의해 가해진 압력에 따라 센서의 반사파장이 변화되는 다수의 광섬유 격자센서를 구비하는 센서부; 상기 센서부로부터 반사되어 오는 파장의 변화에 따라 광량의 비례적 변화가 나타나는 소자를 통하여 파장의 변화위치를 파악하여 차량의 계중을 측정하는 신호처리부를 포함함을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수의 광섬유 격자센서는 에폭시내에 몰딩됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 광섬유 격자센서는 첩(chirp) 브래그 격자 센서를 사용함을 특징으로 한다.
또한, 상기 신호처리부는 상기 다수의 광섬유 격자센서로부터 반사되는 신호를 분리하는 제2커플러; 상기 결합기로부터 분리된 신호를 상기 광섬유 격자센서와 동일한 특성을 갖도록 하는 광섬유 격자필터; 상기 광섬유 격자필터를 통과하는 신호를 수신하는 제1수신부; 상기 광섬유 격자필터로부터 반사된 신호를 상기 제2커플러를 거쳐 수신하는 제2수신부; 상기 제1 수신부와 제2 수신부로부터 수신된 신호를 검파하는 검파부; 상기 검파된 신호를 분리하는 나눗셈부; 상기 나눗셈부에서 출력되는 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 A/D변환부; 및 상기 디지털 값들 중에서 소정 개수의 피크값을 검출하고 각 피크값을 더하여 데이터를 PC로 전송하는 중앙처리장치를 포함함을 특징으로 한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 사용되는 광섬유 격자센서에 대하여 설명하기로 한다.
광섬유 격자 센서는 광민감성 광섬유와 UV광원 및 위상마스크등을 이용하여 광섬유센서를 만들 수 있다. 190nm-250nm대의 파장을 발생하는 레이저로 빛의 회절 및 간섭현상을 일으킬 수 있는 위상 마스크를 광섬유에 일정한 주기로 굴절율의 변조를 발생시킨다. 발생된 일정한 주기의 격자는 특정한 조건에 따라 브레그 파장이라고 하는 반사파장을 만들어 낸다. 이를 이용하여 광통신용소자 즉, 대역통과필터, 대역저지필터, 파장분별기, 광섬유 레이저, 분산보상용 소자로 사용하거나, 광센서로 사용되는데 브레그 반사파장은 광섬유에 주어지는 스트레인(strain) 및 온도에 따라 변화하는 특징을 이용한다.
도 1은 본 발명에 의한 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템의 구성을 개략적으로 도시한 것으로, 광원(110), 커플러(120), 센서부(130) 및 신호처리부(140)로 이루어진다.
광원(110)은 넓은 대역의 파장을 갖는 빛을 발생한다.
커플러(120)는 광원(110)에서 발생한 넓은 범위의 파장을 갖는 빛을 결합한다.
센서부(130)는 커플러(120)로부터 출력되는 빛을 전달받아 차량에 의해 가해진 압력에 따라 센서의 반사파장이 변화되는 다수의 광섬유 격자센서(140)를 구비한다. 상기 다수의 광섬유 격자센서(140)는 단일 브레그 파장을 가지며, 에폭시내에 몰딩된다.
도 4는 다중 광섬유 브래그 격자센서가 몰딩되어 매설되는 위치를 도시한 것이다. 여기서, 참조번호 410은 스틸, 참조번호 420은 몰드(mold), 참조번호 430은 광섬유를 나타낸다.
상기 다수의 광섬유 격자센서는 첩(chirp) 브레그 격자 센서를 사용하는 것이 바람직하다.
도 2는 다중 FBG센서의 반사 스펙트럼을 도시한 것으로, 다중 FBG센서에 압력이 가하였을 경우와 가하지 않았을 경우를 비교한 반사 스펙트럼이다.
다중 FBG센서는 1534nm의 반사파장을 갖는 FBG를 10cm 간격으로 10개를 직렬연결하였다. 압력을 가하지 않았을 경우 센서의 반사 스펙트럼은 모두 1534nm에서 나타나며, 한 개의 FBG에 압력을 가한 경우 반사 스펙트럼은 1534nm부터 1535nm까지 확장되어 나타나게 된다.
도 2에서 알 수 있듯이 센서에서 반사되는 빛의 크기는 가해진 압력에 비례하여 거의 선형적으로 증가하게 되며 센서의 최대 측정범위는 사용한 센서의 선폭에 의해 결정된다.
신호처리부(140)는 센서부(130)로부터 반사되어 오는 파장의 변화에 따라 광량의 비례적 변화가 나타나는 소자를 통하여 파장의 변화위치를 파악하여 차량의 계중을 측정한다.
도 3은 본 발명에 의한 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템에서 신호처리부의 상세한 구성이 포함되는 시스템의 블록도로서, 광원(310), 제1커플러(320), 제2커플러(325), 광섬유 격자 센서(330), FBG필터(340), 수광소자(350,355), 나눗셈기(360), A/D변환기(370), 중앙처리장치(380) 및 신호발생부(390) 등으로 구성한다.
수신신호의 잡음을 제거하기 위해 신호발생부(390)에 의해 LED(310)를 변조하고, 변조된 빛은 제1커플러(320)를 통하여 에폭시로 고정된 광섬유격자 센서인 FBG센서(330)에서 반사되어 제2커플러(325)에서 둘로 분리되어 한 신호는 센서와 동일한 특성을 갖는 FBG필터(340)를 통하여 제1포토다이오드(350)에서 수신되고 FBG필터(340)에서 반사된 신호는 다시 제2커플러(330)를 통하여 제2포토다이오드(355)에서 수신된다.
FBG필터(340)를 통한 쪽은 차량하중에 의하여 FBG센서(340)의 반사 파장이 변화하며, 이것에 의한 광전력의 변화량이 수신된다. FBG필터(340)에서 반사된 다른쪽은 광전력에 비례하는 양의 빛이 수신된다. 이러한 두 신호를 검파하여 나눗셈한 것은 광원인 LED(310)의 스펙트럼이 평탄하지 않은데서 비롯된 파장의 천이에 따른 FBG센서(330)에서 반사된 빛의 전력변화와 LED(310)자체의 출력광 전력변화 등을 보상한다. 나눗셈기(360)의 출력신호는 A/D변환기(370)를 통해 CPU(380)로 전달되며 CPU(380)는 신호의 피크를 검출하고 PC로 전송하여 차량의 정보를 모니터에 표시한다.
따라서, 도 3을 참조하여 본 발명에 의한 광섬유 격자센서를 이용한 고속차량의 계중을 측정하는 시스템의 일실시예에 대하여 설명하기로 한다.
여기서, 고속으로 진행하는 차량이 광섬유 격자 센서(330)에 압력을 가하게 되면, 이때 발생한 파장의 변화는 압력이 가해지지 않은 브레그 파장과 압력이 가해진 센서에서의 브레그 파장이 중복 또는 겹쳐 있는 형태로 반사되어 온다.
결국 반사된 신호는 압력이 가해지지 않았을 경우는 모든 광섬유 격자 센서(330)에서는 동일한 파장을 반사시키며, 압력이 가해지면 가해진 광섬유 격자센서(330)로부터 브레그 파장이 변화하고 반사되어 오는 신호의 선폭이 변화한다. 변화된 선폭은 수광소자(350,355)에서 수신광전력이 변화하는 값으로 나타나며, 무게가 무겁게 가해질수록 수광소자(350,355)에서는 전력이 증가하게 된다.
결국, 고속으로 진행하는 차량의 무게는 광섬유 격자센서(330)에 가해지면 반사되어 돌아오는 브레그 파장의 파장폭을 변화시켜 이를 무게로 환산하여 차량의 무게를 측정할 수 있도록 중앙처리장치(380)에서 신호처리를 해준다.
상기 일실시예에서 살펴본 바와 같이 압력에 대한 정보는 수광소자(350,355)의 전력에 대한 값으로 나타나게 된다. 그러나 이값이 브래그 파장의 변화에 따라 반사파장이 변화하여 얻어진 것이 아니라 광원이 온도 및 전류의 양에 따라 변화한다면 그레그 파장의 선폭의 변화에 따라 전력이 변화하는 것이 아니라 광원(310)의 전력에 의해 영향을 받게 된다.
이러한 단점을 보안하기 위해 수신전력으로 파장의 변화량을 얻어내는 것이아니라, 파장변별기 및 나눗셈기를 이용하여 광섬유 격자 센서에서 발생한 파장의 변화를 측정하는 장치를 첨가한 것이다.
파장변별기로 사용하는 광소자는 광주기 격자 소자 및 광섬유 격자센서로 사용하는 것과 동일한 브레그 파장을 갖는 광섬유 격자 센서이다.
광섬유 격자 센서로부터 발생한 브레그 파장이 결합기를 통하여 수광소자로 전달될 때 결합기를 삽입하여 파장변별기 부분과 광섬유부분으로 나누어 각각 수광소자로 전달한다. 전달한 신호는 나눗셈기를 거치게 되면 광원의 변화에도 영향이 없이 브레그 파장의 변화를 측정할 수 있다.
여기에 광소자 및 전자소자에서 발생할 수 있는 여러 가지 잡음성분을 제거하고 신호대 잡음비를 향상시키기 위해 광원의 정형파 변조기 및 동기 검파기 적분기를 구성하였다. 이와 같은 구조를 통해 얻어진 신호는 고속으로 진행하는 차량의 무게에 따라 선형적인 변화를 갖는 신호로 검증되며, 이를 통해 프로세서에 전달하여 선형적인 전압의 변화된 값을 분석하여 차량의 무게를 측정한다.
도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
본 발명에 의하면, 다중 FBG센서의 구조와 광원으로 사용되는 LED에서 발생하는 빛을 변조하고, 나눗셈연산을 이용한 신호처리를 함으로써 LED의 스펙트럼 불평탄에 의한 파장의 천이에 따른 FBG센서에서의 빛의 전력변화와 LED자체의 출력 광전력 변화등을 보상하여 신호를 안정화할 수 있다.

Claims (5)

  1. 차량의 계중을 측정하기 위한 시스템에 있어서,
    광원에서 발생한 넓은 범위의 파장을 갖는 빛을 결합하는 커플러;
    차량에 의한 압력이 없을 때에는 서로 동일한 값의 파장을 반사하는 다수의 광섬유 격자 센서를 포함하며, 상기 결합기로부터 출력되는 빛을 전달받아 차량에 의해 가해진 압력에 따라 압력을 받은 상기 일부 광섬유 격자 센서의 반사 파장이 변화되는 센서부; 및
    상기 센서부에 포함된 일부의 광섬유 격자 센서로부터 반사되어 오는 파장을 상기 관섬유 격자 센서의 원파장의 값과 비교하여 파장의 변화에 따라 광량의 비례적 변화가 나타나는 소자를 통하여 파장의 변화위치를 파악하여 차량의 계중을 측정하는 신호처리부를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다수의 광섬유 격자센서는
    에폭시내에 몰딩됨을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 광섬유 격자센서는
    첩(chirp) 브래그 격자 센서를 사용함을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를이용한 계중시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 신호처리부는
    상기 다수의 광섬유 격자센서로부터 반사되는 신호를 분리하는 제2커플러;
    상기 결합기로부터 분리된 신호를 상기 광섬유 격자센서와 동일한 특성을 갖도록 하는 광섬유 격자필터;
    상기 광섬유 격자필터를 통과하는 신호를 수신하는 제1수신부;
    상기 광섬유 격자필터로부터 반사된 신호를 상기 제2커플러를 거쳐 수신하는 제2수신부;
    상기 제1 수신부와 제2 수신부로부터 수신된 신호를 검파하는 검파부;
    상기 검파된 신호를 분리하는 나눗셈부;
    상기 나눗셈부에서 출력되는 아날로그 값을 디지털 값으로 변환하는 A/D변환부; 및
    상기 디지털 값들 중에서 소정 개수의 피크값을 검출하고 각 피크값을 더하여 데이터를 PC로 전송하는 중앙처리장치를 포함함을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    광원에서 발생하는 빛을 변조하여 잡음을 제거하는 신호발생부를 더 구비함을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 계중시스템.
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