KR100398313B1

KR100398313B1 - 투과형 외인식 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서의 신호처리방법

Info

Publication number: KR100398313B1
Application number: KR10-2000-0053164A
Authority: KR
Inventors: 이정주; 김상훈
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2000-09-07
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2003-09-19
Also published as: KR20020019816A

Abstract

본 발명은 변형률을 측정하는 투과형 외인식 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서(Transmission-type Extrinsic Fabry-Perot Interferometric optical fiber sensor: 이하 "TEFPI 광섬유 센서")의 신호 처리방법에 관한 것이다. TEFPI 광섬유 센서는 일반 간섭계 광섬유 센서에 비해 측정방향의 구분이 용이한 장점을 가지고 있으나, 측정신호로부터 간섭프린지와 함께 방향구분을 위한 신호수준의 변화를 처리해야 하므로 일반 간섭계 광섬유 센서의 신호처리 기법을 적용하기가 어렵다. 본 TEFPI 광섬유 센서 신호 처리방법은 프린지의 정상점과 계곡점의 위치를 찾아내는 1단계, 인접한 정상점과 계곡점의 중간 값인 신호수준점을 비교하여 측정방향을 결정하는 2단계, 측정 방향이 변할 때의 신호 형태를 구분, 인식하는 3단계로 구성되어, 일반 간섭계 광섬유 센서와는 특성이 다른 TEFPI 광섬유 센서의 측정 신호를 효과적으로 처리할 수 있다.

Description

투과형 외인식 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서의 신호 처리방법 {Method of signal processing for transmission-type extrinsic Fabry-Perot interferometric optical fiber sensor}

본 발명은 변형률을 측정하는 투과형 외인식 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서의 신호 처리방법에 관한 것이다.

광섬유 센서는 우수한 민감도와 분해능을 가지면서도 전자기파의 영향을 받지 않는다. 또한 크기가 작고 유연성이 좋아서 측정대상의 표면에 부착하거나 내부에 삽입이 가능한 장점을 가지고 있다. 광섬유 센서의 응용 분야 또한 온도, 내부 변형의 측정, 진동 및 음향 방출 감지, 구조물의 건전성 감시 등 다양하기 때문에, 광섬유 센서는 특히 구조물의 거동을 스스로 감지하여 위험상황에 대처할 수 있는 지능형 구조물 개념의 측정부에 적합한 센서라고 할 수 있다.

특히 간섭계형 광섬유 센서는 민감도와 분해능이 우수하여, 발전 및 생산설비분야의 기계구조물과 교량, 빌딩 등의 건축구조물의 예기치 못한 손상이나 오랜 사용으로 인한 노후화와 피로에 의한 손상을 초기에 감지하는데 적용이 유리하다. 광섬유 센서를 이용한 손상 감지는 기존 기법에 비해 구조물의 건전성 감시를 상시적 혹은 실시간으로 평가할 수 있고, 저 비용으로 광범위한 감시가 가능하여 효율적인 건전성 감시 평가방법으로 유용하게 이용할 수 있다.

한편, 간섭계형 광섬유 센서는 측정 방향의 구분이 어려우며 별도의 신호처리를 필요로 한다.

투과형 외인식 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서(Transmission-type Extrinsic Fabry-Perot Interferometric optical fiber sensor; 이하, "TEFPI 광섬유 센서)는 일반적인 반사형 외인식 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서 시스템을 투과형으로 구성하여 측정 방향의 구분이 용이한 특성을 갖는다. 하지만 TEFPI 광섬유 센서는 센서 신호의 특성이 기존의 간섭형 센서 신호와는 다르기 때문에 일반적인 신호처리 기법의 적용이 어렵다.

TEFPI 광섬유 센서는 김상훈 등에 의해 연구되어 1999년 IEEE 저널 오브 라이트웨이브 테크놀로지(Journal of Lightwave Technology) 제17권 제10호에 논문으로서 발표된 바 있다.

도 1의 (a) 내지 (c)는 TEFPI 광섬유 센서의 개략적 구조를 나타내기 위한 도면들이다.

도 1의 (a)는 TEFPI 광섬유 센서(110)를 이용한 센서신호 검출시스템의 개략도로서, 이를 참조하면, 레이저 다이오드(100)에서 나온 광은 TEFPI 광섬유 센서(110)를 통과하여 수광부(120)에서 검출된다.

도 1의 (b)는 TEFPI 광섬유 센서(110)만의 확대도이다. 도 1의 (b)를 참조하면, 광섬유 피복(jacket)이 제거된 채 클리버에 의해 수직으로 절단된 두 개의 단일모드 광섬유(1, 2)가 센서간극(5)을 형성하면서 모세 유리관(3) 내부에 삽입되어 있다. 모세 유리관(3)의 끝부분과 단일모드 광섬유들(1, 2)은 에폭시 접착제(4)에 의해 고정된다. 광섬유 피복이 제거된 부분(A) 중 모세 유리관(3) 내부에 삽입되지 않은 부분에는 센서 보강을 위한 에폭시(4')가 피복된다. 이와 같은 TEFPI 센서에서의 측정길이는 L_gauge로 나타내었다.

도 1의 (a)에서의 레이저 다이오드로부터 제1 광섬유(1)로 입사된 광은 두 광섬유(1, 2)가 형성하고 있는 길이 s의 센서간극(5)으로 진행하게 된다. 여기서센서 간극(5)은 공기로 이루어진다. 센서 간극(5)을 통과한 광은 공기와 제2 광섬유(2)의 경계면에서 프레넬(Fresnel) 반사에 의해 광 강도의 3.5% 정도는 다시 공기 쪽으로 반사되며 나머지는 제2 광섬유(2)로 투과된다. 반사된 이 광은, 다시 제1 광섬유(1)와 공기의 경계면에서 프레넬 반사를 일으켜 그 광 강도의 3.5% 정도가 다시 제2 광섬유(2) 쪽으로 진행하게 된다. 따라서, 제2 광섬유(2)를 통해 수광부로 진행하는 광들에 대해 간극길이 2배만큼의 경로차를 갖는 광 경로가 발생하게 되며, 이 광들은 서로 간섭하여 간섭프린지(interference fringe)를 형성하게 된다. 간극에서 그 이상의 다중 반사에 의해 발생할 수 있는 광 경로를 지나는 광의 강도는 매우 작게 되기 때문에 이를 무시할 수 있다.

도 1의 (c)는 센서간극부의 확대도로서, 입사된 광이 광 경로 1 및 2로 나뉘어 진행하는 것을 나타내었다.

상기한 바와 같은 TEFPI 광섬유 센서를 측정대상의 표면에 부착하거나 내부에 삽입하면, 측정부에 해당하는 모세 유리관 부분의 길이 방향으로 측정량의 변화가 전달되며 이로 인해 모세유리관 내부의 광섬유 센서간극의 길이가 변화되고 수광부에서는 간섭프린지의 변화가 발생하게 된다.

한편, 센서간극에서 제1 광섬유(1)로부터 공기로 광이 진행할 때 회절에 의해 광이 퍼지게 되어 제2 광섬유(2)로 전달될 때는 광 손실이 발생하게 된다. 이러한 간극에서의 광 손실량은 간극길이가 커질수록 증가한다. 즉, TEFPI 광섬유 센서에서의 두 광경로를 지나는 광들은 간극을 통과할 때 광 손실이 발생하게 되며, 이를 이용하여 측정량의 방향을 구별하게 된다.

이를 이론적으로 정리하면 아래와 같다.

광섬유를 따라 진행하는 광은 일반적으로 맥스웰(Maxwell) 방정식을 기반으로 하는 수학식 1의 파동방정식 형태로 표현된다.

여기에서, ω는 각주파수이고,k는 전파상수를 나타낸다.

TEFPI 광섬유 센서에서 두 광경로를 지나는 광들은 광섬유/공기의 경계면을 통과하면서 프레넬 반사를 일으키게 된다. 각 경로에 대해 광섬유/공기의 반사율 계수를 r, 광섬유/공기의 투과계수를 t₁, 공기/광섬유의 투과계수를 t₂, 두 광경로의 경로차를 2s라고 하면 대수적인 방법으로 간섭광의 강도를 구할 수 있다. 광 강도는 전기장 진폭 E의 제곱에 비례하므로 정규화된(normalized) 광 강도인 투과율 T로 TEFPI 광섬유 센서의 출력신호를 정리하면 수학식 2와 같다.

여기에서, L₁(s)와 L₂(s)는 각 광경로를 지나는 광이 간극을 통과할 때 발생하는 광의 퍼짐에 의한 진폭 손실이며, 그 제곱은 광 강도의 손실을 의미한다.

TEFPI 광섬유 센서의 간극에서의 광 손실은 1977년 벨 시스템 테크니컬 저널(The Bell System Technical Journal)의 논문에서 마커스(Macuse)가 수식화한 두 단일모드 광섬유 간의 광 손실을 이용하여 다음 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, S_p는 광신호가 센서의 공기간극을 통과할 때 진행하는 경로의 길이를, x_R은 레일리이(Rayleigh) 거리를 나타낸다. L₁ ²(s)는 η(s), L₂ ²(s)는 η(3s)로 표현할 수 있다. 레일리이 거리 x_R은 수학식 4와 같이 표현할 수 있으며, 단일모드 광섬유의 끝면에서의 스폿 사이즈(spot size) ω₀는 수학식 5의 마커스의 방법을 이용할 수 있다. 여기서, n은 매질인 공기의 굴절률로서 "1"의 값을 가지며, λ는 광원의 파장, V는 광섬유의 정규화된 주파수이다.

도 2는 수학식 2에 의해 얻어진, TEFPI 광섬유 센서의 이론적 측정신호를 나타낸 그래프이다. 도 2를 참조하면, 센서간극의 길이변화에 따라 일정 폭의 프린지(fringe)가 발생하며, 프린지의 정상점, 계곡점의 중간값에 해당하는 센서 신호의 수준이 일정 간극길이 이상부터는 선형적으로 감소함을 알 수 있다.

TEFPI 광섬유 센서를 이용하여 측정되는 변형률은 ε은 수학식 6과 같이 프린지의 정상점과 계곡적의 개수 m을 이용하여 계산된다.

여기서, λ는 광원의 파장, L_gauge는 TEFPI 센서에서의 측정길이를 각각 나타낸다.

간섭계 광섬유 센서에 있어서 디지털 신호처리는 정확도와 처리속도의 향상, 측정의 자동화 등을 위해 필요하다. 일반적으로 사인파 형태의 프린지를 갖는 간섭계 센서 신호의 처리는 크게 광 강도에 기반한 해석 방법과 위상 측정 간섭계의 방법으로 나뉘어진다. 광 강도를 이용하는 방법은 정해진 기준값에 대해 프린지 신호를 트리거링(triggering)하여 간단하게 신호처리를 수행할 수 있으나, 단순히 180도 위상을 구별할 수 있으며 정상점과 계곡점의 위치를 구별할 수 없다. 가스빅(Gasvik)은 1994년 옵티컬 엔지니어링(Optical Engineering)에 발표한 논문에서 기준값을 정해진 구간에 대한 프린지의 평균값에 의해 결정한 후 그 기준값을 통과하는 신호의 중간위치에서 정상점이나 계곡점을 찾는 제로-크로싱 방법(zero-crossing method)을 제안하였다. 권일범은 1999년 스마트 머티리얼스 앤드 스트럭쳐스(Smart Materials and Structures)에 발표한 논문을 통해 기준값을 프린지의 진행에 따라 이동시키는 신호처리기법을 마이켈슨 간섭계 광섬유 센서에 적용하는 연구를 수행하였다. 위상 측정 간섭계를 이용하는 방법은 보다 정밀한 측정이 가능하다. 이 방법에 대해서는 능동 호모다인, 수동 호모다인 그리고 헤테로다인 시스템 등의 많은 기법이 제안되어 왔다.

TEFPI 광섬유 센서의 간섭 신호는 측정량의 변화에 의해 유발되는 프린지와 측정 방향에 의해 양 혹은 음의 부호로 결정되는 기울기를 갖는 신호수준으로 구성된다. 이러한 신호의 특성 때문에 기존의 신호처리 기법을 이용할 경우 TEFPI 광섬유 센서의 신호를 처리하기가 어렵다. 특히 위상 측정 간섭계의 기법들은 고가의 전기 장비와 광학 회로를 요구하며, 센서의 구조 상 정밀한 위상 이동을 만들어내기 어렵기 때문에 TEFPI 광섬유 센서에 대한 저렴하고 효율적인 신호처리 기법의 개발이 필요하다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 측정 방향 구분이 용이하고 민감도와 분해능이 우수하도록 TEFPI 광섬유 센서의 신호를 처리하는 방법을 제공하는 데 있다.

도 1은 TEFPI 광섬유 센서의 개략적 구조를 나타내기 위한 도면들;

도 2는 TEFPI 광섬유 센서의 이론적 측정신호를 나타낸 그래프;

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법을 나타낸 흐름도;

도 4는 본 발명의 신호처리 알고리즘 첫 단계인 센서 신호에 대한 격자의 도입을 나타낸 도면으로서, (a)는 센서 신호인 간섭 프린지의 정상점이나 계곡점에서 먼 부분에 적용된 격자를, (b)는 간섭 프린지의 정상점이나 계곡점에 가까운 부분에 적용된 격자를 보이고 도면;

도 5는 측정방향 변화 신호형태 1일 경우, 센서 신호인 간섭 프린지의 0과 의 위상에서 측정방향이 변화할 때의 신호 특성을 보이는 도면;

도 6은 측정방향 변화 신호형태 2일 경우, 센서 신호인 간섭 프린지의 π/2과 3π/2의 위상에서 측정방향이 변화할 때의 신호 특성을 보이는 도면;

도 7은 측정방향 변화 신호형태 1인 위상 0에 대한 해석 신호에 적용한 알고리즘의 결과 예를 보인 도면으로서, (a)는 알고리즘에 의해 발견된 각 간섭 프린지의 정상점과 계곡점을, (b)는 알고리즘에 의해 계산된 변형률을 나타낸 도면;

도 8은 측정방향 변화 신호형태 2인 위상 π/2에 대한 해석 신호에 적용한 본 발명의 방법의 적용 결과예를 보인 도면으로서, (a)는 알고리즘에 의해 발견된 각 간섭 프린지의 정상점과 계곡점을, (b)는 알고리즘에 의해 계산된 변형률을 나타낸 도면;

도 9는 본 발명의 본 발명의 신호처리방법의 검증 실험에 사용된 시험편을 나타낸 도면;

도 10은 는 투과형 외인식 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서의 실험에 의한 삼각파형 변형률의 센서 신호에 적용된 본 발명의 결과를 나타낸 도면으로서, (a)는 발견된 각 간섭 프린지의 정상점과 계곡점을, (b)는 계산된 변형률을 나타낸 도면; 및

도 11은 투과형 외인식 패브리-페롯 간섭계 광섬유 센서의 실험에 의한 사인파형 변형률의 센서 신호에 적용된 본 발명의 결과를 나타낸 도면으로서, (a)는 발견된 각 간섭 프린지의 정상점과 계곡점을, (b)는 계산된 변형률을 나타낸 도면이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 신호 처리방법은, (a) TEFPI 광섬유 센서의 센서신호 간섭 프린지의 정상점, 계곡점의 위치를 찾아내는 단계와; (b) 인접한 정상점과 계곡점의 중간값인 신호수준점을 비교하여 측정방향을 결정하는 단계와; (c) 측정방향이 변할 때의 신호형태를 구분, 인식하는 단계를 포함하는것을 특징으로 한다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면들을 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법을 나타낸 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 신호 처리방법은 크게: 간섭 프린지의 정상점과 계곡점의 위치를 찾아내는 단계(300); 인접한 정상점과 계곡점의 중간 값인 신호수준점을 비교하여 측정방향을 결정하는 단계(310); 측정 방향이 변할 때의 신호 형태를 구분, 인식하는 단계(320)를 포함하여 구성된다.

이하에, 흐름도의 각 단계를 상세히 설명하기로 한다.

[프린지의 정상점, 계곡점의 위치 결정(300)]

도 4의 (a)는 TEFPI 광섬유 센서의 출력신호에서 프린지 한 개의 일부분을 나타낸 것이다. 광섬유 센서의 출력신호는 정상점과 계곡점 부근에서 프린지 신호 값의 변화가 작게 나타나기 때문에 프린지 신호의 탐지는 수광부 이후의 전기적인 잡음의 영향을 크게 받는다. 따라서 현재 처리하고 있는 위치(6)를 기준으로 기준 격자(7), 상부 격자(8), 하부 격자(9)를 적용하게 된다. 이후에 처리하게 되는 데이터 중 격자를 벗어나게 되는 첫 번째 것을 감지하여 그 위치(10)를 기준으로 다시 상부, 하부 격자를 적용한다. 이러한 과정을 반복하여 잡음의 영향을 배제하며 프린지의 진행을 탐지하게 된다.

도4의 (b)는 격자를 적용하는 프린지의 탐지가 정상점의 위치에 도달하였을 때의 거동을 나타낸 것이다. 정상점 부분에 도달하기 이전의 프린지 신호는 증가하고 있으며 각 기준 격자에 대해 상부 격자만이 프린지의 탐지에 이용된다. 하지만정상점에 도달하게 되면 처리위치(11)에 대한 상부 격자(12) 값을 넘는 신호가 발생하지 않는다. 이 경우는 기준 격자(13)와 상부 격자(12) 사이에 정상점이 존재하며 정상점 이후 프린지 신호가 감소하면서 위치(14)에서 기준 데이터에 대한 격자를 지나게 된다. 따라서 정상점의 위치는 기준 격자를 지나는 두 위치(11, 14)의 중간으로 근사할 수 있다. 그 이후의 프린지 신호는 하부 격자를 이용하여 탐지하게 된다. 정상점 값이 상부 격자에 일치한 경우는 프린지 신호가 다음 하부 격자를 지나기 때문에 프린지의 탐지에 이용되는 격자가 바뀌는 위치 또한 정상점이 위치하게 된다.

계곡점을 결정할 때에는, 반대로 하부 격자를 이용하여 프린지를 탐지하게 되다가 계곡점에서 하부 격자 이하의 신호가 발생하지 않고 기준 데이터의 격자를 한번 더 지나는 데이터가 나타나게 된다. 또는 계곡점의 값이 하부 격자에 일치하여 사용되는 격자가 하부에서 상부로 바뀌게 되는 위치가 계곡점으로 지정된다.

격자의 폭이 클수록 잡음의 영향을 배제하기가 쉽지만 정상점이나 계곡점의 위치에 대해서 기준 격자를 2번 지나는 위치의 중간 값으로 근사하기 때문에 오차가 커질 수 있다. 따라서 격자의 폭은 잡음의 영향을 배제하기에 어느 정도 여유가 있어야 하지만 정상점과 계곡점의 결정에서의 오차를 줄이기 위해 적절하게 결정되어야 한다.

[측정방향의 결정(310)]

TEFPI 광섬유 센서는 측정부 간극에서의 빛의 퍼짐 손실로 인하여 인장방향에 대해서는 감소, 압축방향에 대해서는 증가하는 신호수준을 갖는 출력신호를 보인다. 이를 이용하여 측정방향을 구별하게 되는데 본 측정방향 결정단계(310)에서는 위치결정단계(300)에서 결정된 정상점과 계곡점에 대해 인접한 것들의 중간 위치와 그 값을 신호수준점으로 정한다. 센서의 프린지 신호를 탐지하면서 차례로 정상점과 계곡점을 찾아내고 신호수준을 계산해 낸다. 계산된 신호수준점이 이전에 결정된 신호수준점에 비해 크면 측정은 압축방향으로, 작으면 인장방향으로 수행되는 것을 의미한다. 측정방향이 바뀔 때까지는 현재와 이전의 신호수준점 크기 관계가 일정하게 유지되며, 특정한 형태의 신호수준 변화를 확인하여 방향 변화를 구분하게 된다.

일반적인 간섭계 센서의 신호처리에서는 정해진 기준 값을 지나는 위치나 프린지의 정상점, 계곡점의 개수를 이용하므로 구분해 낼 수 있는 간격은 프린지 위상만큼이며 측정 분해능은 광원 파장의 1/4이 된다. TEFPI 광섬유 센서 또한 같은 분해능을 갖지만 본 측정방향 결정단계(310)에서는 정상점과 계곡점 뿐만 아니라 신호수준점의 위치 또한 결정하게 되므로, 센서의 프린지에 대해 구분해 낼 수 있는 위상은 π/2이며 이는 광원 파장의 1/8의 분해능을 가능하게 한다.

[측정방향이 변할 때의 신호형태 인식(320)]

일반적으로 간섭계 광섬유 센서의 신호는 코사인 형태로 프린지를 나타낼 때 π/2와 3π/2 근처의 위상에서는 측정방향 변화 이전과 반대로 나타나게 되는 위치를 어느 정도 구분할 수 있지만 0와 π 근처의 위상에서는 거의 구분이 불가능하다. TEFPI 광섬유 센서의 신호에서는 측정 방향의 변화 시의 위상에 따라 신호수준 값 변화가 여러 가지 형태로 나타나게 된다.

도 5의 (a)와 (b)는 0와 π의 위상에서, 도 6의 (a)와 (b)는 π/2와 3π/2의 위상에서 인장에서 압축으로 측정 방향이 바뀔 때의 TEFPI 광섬유 센서의 신호이다. 0와 π의 위상에서 측정 방향이 바뀌는 신호의 신호수준점 위치 및 값의 변화는 서로 같게 나타나며, π/2와 3π/2의 위상에서는 유사한 형태로 나타나게 된다. 측정방향이 변화할 때의 위상에 대한 프린지 신호수준의 변화 모양은 이 두 가지 형태로 충분히 분류될 수 있다고 가정한다. 압축에서 인장으로 변하는 측정 방향에 대해서는 0, π 그리고 π/2, 3π/2의 위상에서 인장/압축과 같은 형태로 신호수준의 변화 형태가 나타나게 되므로, 본 실시예의 설명에서는 인장/압축의 경우를 고려하도록 한다.

[신호수준 변화 형태 1(340) (0, π의 위상에서 측정 방향 변화)]

0이나 π의 위상에서 신호수준의 변화는 도 5의 (a)와 (b)에서의 신호수준점(15, 18) 이전까지는 음의 부호를 유지하다가, 신호수준점(16, 19)의 결정 후 변화량이 거의 0에 가깝게 나타난다. 이때부터 본 단계는 이 신호수준 변화 형태를 측정 방향이 변화한 것으로 인식하게 되며, 신호수준점(15, 18)부터의 신호수준을 저장하게 된다. 측정 방향이 변화한 이후에 처음으로 나타나는 신호수준점(17, 20)의 신호수준점(16, 19)에 대한 변화량은 양의 부호를 갖게 되어 이후로는 압축 방향의 측정이 이루어지는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 일련의 신호수준 변화가 인식되면 신호수준점(15, 18)과 (16, 19) 사이에 있는 정상점이나 계곡점에서 방향 변화가 발생한 것으로 처리한다. 만일 신호수준점(17, 20)에서 음의 부호 변화량이 나타나게 되면, 신호수준점(16, 19)에서 0의 변화량이 나타난 것을 측정신호가 불안정한 거동을 나타낸 것으로 판단해 신호수준점(15, 18) 이전의 측정방향 그대로 진행한 것으로 그 사이의 정상점과 계곡점을 측정치로 계산한다. 이러한 센서신호의 거동은 0이나 π의 위상에서 측정 방향이 변하는 경우 그리고 압축에서 인장으로 측정방향이 변하는 경우에도 동일하게 적용된다. 즉 신호수준 변화형태 1에서는 음이나 양으로 신호수준의 변화를 보이다가 0의 변화가 한 번 나타난 후 반대부호의 신호수준 변화를 보이는 프린지 신호를 인식한다.

[신호수준 변화형태 2(340)(π/2, 3π/2의 위상에서 측정 방향 변화)]

도 6의 (a)에서 π/2 위상의 경우 신호수준의 변화는 신호수준점(21)의 이전에는 음의 부호를 갖는 변화를 보여 측정이 인장의 방향으로 진행하고 있음을 보인다. 신호수준점(22)의 신호수준점(21)에 대한 변화는 양의 부호를 보이며, 이를 이어서 거의 0의 변화를 갖는 신호수준점(23)이 결정되게 된다. 신호수준점(22)이 감지된 이후부터 신호수준 변화형태를 구분하기 위해 결정된 신호수준이 저장된다. 측정방향이 변화된 이후의 위상은 반대로 뒤집히게 되므로, 신호수준점(22)의 (21)에 대한 변화와 같은 값의 기울기에 반대 부호를 갖는 변화를 보이는 신호수준점(24)이 다음에 나타난다. 신호수준점(25)부터는 변화된 방향으로 측정이 진행되기 때문에 양의 부호를 보이며 신호수준이 변하게 된다. 신호수준점(25)까지의 신호형태가 확인되면 신호수준점(22)와 (23)의 사이의 계곡점으로 결정된 지점에서 측정방향이 변한 것으로 인식된다.

도 6의 (b)의 3π/2 위상의 경우는 π/2 위상의 경우와 거의 유사한 거동을 나타내지만, 신호수준점(27)의 신호수준점(26)에 대한 변화는 신호수준점(26) 이전에 비해 반대 방향의 부호를 갖지 않고 같은 부호의 더 큰 기울기 변화를 보인다. 신호수준점(28)에서 0의 변화가 확인된 후 신호수준점(29)의 신호수준점(28)에 대한 변화 또한 측정 방향의 변화로 인한 뒤집힌 위상으로 신호수준점(29) 이후보다 큰 기울기의 양의 부호 변화가 나타난다.

이는 측정방향이 압축에서 인장으로 변할 때에도 똑같이 적용되지만, 인장에서 압축으로 변하는 경우에 비해 π/2와 3π/2의 위상변화 형태가 반대로 나타나게 된다. 즉 이 두 가지 위상에 대한 방향변화 형태 2에서는 음이나 양으로의 신호수준 변화가 진행되다가 부호가 다른 기울기 혹은 같은 부호이면서 기울기 값이 더 큰 신호수준 변화가 나타나고 0의 변화가 확인된다. 그리고 나서 0 변화 이전에 대해 뒤집힌 위상의 신호수준 변화가 나타난 다음 변화된 측정 방향의 신호수준 변화가 진행되는 과정을 거치게 된다.

이를 구분하는 도중에 각 과정의 조건이 만족되지 않을 경우 구분 시작 위치 이후 조건이 만족하지 않았을 때까지의 정상점과 계곡점은 측정 신호의 잡음이 잘못 인식된 것으로 판단하여 무시한다.

방향 변화가 일어난 위치로 결정되는 정상점이나 계곡점은 위상이 뒤집힘으로 인하여 나타난 것으로 실제로는 프린지의 정상점이나 계곡점이 아니다. 이 형태로 결정되는 측정 방향의 변화는 π/2, 3π/2에 가까운 위상의 측정방향 변화가 인식된 것이므로, 더 정확한 위상의 계산을 위해서는 측정방향 변화 위치 이전 한쪽 방향으로 측정이 진행될 때의 프린지 진폭에 대한 측정방향이 변하는 위치의 진폭 비를 이용할 수 있다. 이는 측정방향 변화 영역에서 본 알고리즘의 TEFPI 광섬유센서 분해능인 π/2보다도 높은 분해능을 얻을 수 있음을 의미한다.

[측정량의 계산(350)]

본 알고리즘에서의 측정량 계산은 측정신호의 프린지 정상점과 계곡점 그리고 신호수준점 위치에 대해서 측정량의 분해능을 곱하여 수행된다. 측정 방향의 판별과 측정 방향 변화에 대한 형태의 구분을 위해 정상점, 계곡점, 신호수준점은 결정된 직후 바로 이용할 수 없기 때문에 정상점, 계곡점, 신호수준점 위치의 저장이 필요하게 된다. 일단 결정된 정상점과 계곡점, 이 사이의 신호수준점 위치를 메모리에 저장하고 다음의 신호수준의 위치가 확인되면 저장된 위치들을 측정량으로 처리하고 메모리에서 제거한다. 따라서 한쪽 방향으로 측정이 진행 될 때에는 메모리에 저장해야 하는 위치는 5개이다. 하지만 측정방향의 변화 형태를 위한 과정이 진행 될 때에는 그 사이의 정상점, 계곡점 그리고 신호수준점의 위치를 모두 저장하고 있어야 한다. 과정이 완료되었을 때는 과정에서 마지막으로 필요했던 신호수준점과 그 다음의 정상점이나 계곡점을 제외한 나머지 것들은 적절히 측정량으로 처리한 후 메모리에서 제거한다. 0나 π의 위상에서 측정방향이 변하는 형태 1에서는 처리과정이 끝난 후 남는 것을 포함해서 6개의 위치를 저장해야 한다. 반면 π/2나 3π/2의 위상에서 측정방향이 변하는 형태2는 10개의 위치를 저장해야 한다. 그리고 측정방향 변화 형태 2의 경우 측정 방향이 변하는 위치의 위상이 더 지연되어 처음으로 만족되어야 하는 과정에서 0에 가까운 기울기가 나타날 수 있다. 이렇게 되면 이전 측정방향의 신호수준변화 이후 3번의 0기울기와 변화된 측정방향에 해당하는 신호수준변화로 신호형태가 확인된다. 이는 첫번째 구분 과정을 0의 변화로하는 0이나 π의 위상에서 측정방향이 변하는 형태와 중복이 되므로 측정방향 형태 1에서 이 경우도 구분하도록 한다.

[본 발명의 방법에 대한 평가예]

(제1 평가예)

본 발명의 방법의 효과를 확인하기 위해, 먼저 수학식 2에 의해 만드어 낼 수 있는 TEFPI 광섬유 센서의 해석신호에 본 발명의 방법을 적용해 보았다. 해석 신호는 실제 측정 신호와는 달리 잡음 및 신호수준의 흐름이 나타나지 않는다.

도 7의 (a) 및 (b)는 측정방향 변화형태 1을 검증하기 위해 0의 위상에서 각기 인장에서 압축, 압축에서 인장으로 측정 방향이 변화하는 센서의 신호에 대해 본 발명의 방법을 적용한 것이다. 도 7의 예에서는 신호 잡음을 배제할 수 있는 그리드 폭을 0.005로 설정한 결과이다. 이는 프린지 폭의 대략 10% 정도이며, 본 발명의 방법은 정확하게 프린지의 정상점과 계곡점, 신호수준점의 위치를 찾아 낼 수 있었다. 도 7의 (a)에서 결정된 정상점, 계곡점 그리고 신호수준점의 위치에 대해 분해능인 파장의 1/8를 적용하여 TEFPI 광섬유 센서의 간극길이 변화로 계산한 것이 도 7의 (b)이다. 알고리즘은 인장, 압축으로 진행하는 측정방향을 제대로 결정하였으며, 측정 신호 변화 형태1에 대해서 정확한 위치에서 측정 방향의 변화를 감지할 수 있었다.

(제2 평가예)

도 8의 (a) 및 (b)는 측정방향 변화형태 2를 검증하기 위상 π/2에서 각기 인장에서 압축, 압축에서 인장으로 측정 방향이 변하는 센서신호에 대해 알고리즘을 적용한 것이다. 이 경우에도 정상점과 계곡점, 신호수준점의 위치를 정확하게 찾을 수 있었으며, 측정 방향이 변하는 영역에서의 신호수준 변화도 측정방향 변화형태 2의 모양으로 나타났다. 도 8의 (a)에서의 센서신호에 대해 본 발명의 방법을 적용하여 정상점, 계곡점, 신호수준점 위치에 대해 TEFPI 광섬유 센서의 간극길이 변화로 변환하면 도 8의 (b)와 같다. 앞의 측정 방향 변화 형태1에 대한 결과와 마찬가지로 인장, 압축 그리고 방향변화에 대해 정확하게 간극길이 변환이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 특히 측정방향 변화 위치의 위상에 대해 한쪽 방향의 측정에 대한 본 알고리즘의 분해능인 광원파장의 1/8 이하의 간극길이 변화가 결정되었다.

(제3 평가예)

해석신호에서 검증된 본 발명의 방법을 실제 실험에서 얻어진 TEFPI 광섬유 센서의 측정 신호에 적용해 보았다. 실험에 의한 TEFPI 광섬유 센서의 측정 신호는 도 9와 같이 인장시편(31)의 양쪽 표면에 TEFPI 광섬유 센서(32)와 전기저항형 스트레인게이지(33)를 각각 부착한 후, MTS 시험기를 이용하여 하중을 가하면서 시편에 가해지는 변형률을 측정하였다. TEFPI 광섬유 센서는 7.9㎛의 코어직경, 125㎛의 클래딩 직경, 피복 직경 250㎛ 그리고 개구수가 0.1인 단일모드 광섬유와 내경128㎛, 외경 280㎛를 갖는 모세유리관을 이용하여 측정길이가 9.92㎜가 되도록 제작하였다.

도 10의 (a)는 인장과 압축의 방향으로 일정하게 속도가 유지되는 삼각파 형태의 변형률 변화에 대해 측정된 TEFPI 광섬유 센서의 측정 신호와 이에 대한 본 발명의 방법 적용 결과를 보인다. 본 발명의 방법에 의해 모든 정상점과 계곡점을정확하게 찾아냈으며, 이 정상점, 계곡점, 각 정상점과 계곡점 사이의 신호수준 위치와 신호수준의 변화에 의한 측정 방향의 결정을 이용하여 변형률의 양으로 변환하면 도 10의 (b)와 같다. 5개의 측정 방향 변화는 순서대로 변화형태2, 2, 1, 1, 1로 인식이 되었으며, 정확한 위치에서 측정방향이 결정되었다. 도 10의 (b)에서의 변환된 TEFPI 광섬유 센서의 측정 변형률은 전기 저항형 스트레인게이지에 의한 측정값과 거의 일치하였다.

(제4 평가예)

도 11의 (a)는 TEFPI 광섬유 센서와 전기 저항형 스트레인게이지가 부착된 시편에 사인파(sinusoidal) 형태의 변형률을 가했을 때 나타난 TEFPI 광섬유 센서의 센서 신호이다. 여기에서 사용된 TEFPI 광섬유 센서는 15.61㎜의 측정길이를 갖는다. 도 11의 (a)에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 방법에 의해 사인파 형태로 변하는 변형률에 대해서도 정상점과 계곡점의 위치를 정확하게 찾을 수 있었다. 측정방향이 변하는 세 위치에서 측정방향 변화 형태1, 2, 1로 인식을 하며, 정확한 측정방향을 결정하였다. 도 11의 (b)는 변환된 변형률로 스트레인게이지에 의한 측정값과 거의 일치함을 보인다.

실제 측정 신호에서는 알고리즘에서 0의 신호수준 변화를 확인하는 경우에 대해 어느 정도의 허용도를 도입하여 0에 가까운 변화를 0으로 구분하여야 한다. 제10도와 10의 변형률 측정에서는 현재 처리하는 데이터 이전까지의 평균적인 신호수준 변화의 0.4 범위 이내의 것을 0으로 처리하였으며, 센서 신호의 처리에는 무리가 없는 것으로 나타났다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 일반 간섭계 광섬유 센서와는 특성이 다른 TEFPI 광섬유 센서의 측정 신호를 효과적으로 처리할 수 있다. TEFPI 광섬유 센서를 포함한 간섭계 광섬유 센서는 측정신호에서 발생하는 간섭 프린지의 정상점과 계곡점의 개수를 이용하기 때문에 광원 파장의 1/4에 해당하는 분해능을 갖는다. 본 발명의 방법에서는 간섭 프린지의 정상점, 계곡점의 위치 뿐만 아니라 정상점과 계곡점의 중간 값인 신호수준점의 위치 또한 판별할 수 있기 때문에 광원 파장의 1/8에 해당하는 분해능으로 신호를 처리할 수 있다. 본 발명의 검증에서는 센서 신호를 먼저 얻고 후처리 과정으로써 본 발명의 방법을 적용하였지만 본 발명은 구성 및 계산과정이 간단하고 적은 양의 메모리를 이용하기 때문에 실시간에 가까운 신호처리가 가능하게 된다. TEFPI 광섬유 센서는 일반 간섭계 광섬유 센서와 동일한 민감도와 분해능을 가지면서 측정 방향의 구분에 있어서 보다 유리한 장점을 가지고 있다. 또한 일반 간섭계 광섬유 센서의 신호처리 기법이 대부분 후처리 과정으로 적용되는데 비하여 TEFPI 광섬유 센서는 본 발명의 신호 처리방법을 통하여 빠른 신호처리가 가능하게 되므로 대형 구조물 건전성의 실시간 감시에 보다 효과적으로 사용할 수 있게 된다. 본 발명은 상기 실시예에만 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 많은 변형이 가능함은 명백하다.

Claims

(a) TEFPI 광섬유 센서의 센서신호 간섭 프린지의 정상점, 계곡점의 위치를 찾아내는 단계와;

(b) 인접한 정상점과 계곡점의 중간값인 신호수준점을 비교하여 측정방향을 결정하는 단계와;

(c) 측정방향이 변할 때의 신호형태를 구분, 인식하는 단계를 포함하는 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법.
제1항에 있어서, 상기 (a) 단계에서 측정 잡음의 영향을 배제하면서 간섭 프린지의 진행을 탐지하기 위해 기준격자, 상부격자 및 하부격자를 사용하는 것을 특징으로 하는 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법.
제2항에 있어서, 상기 상부격자 또는 하부격자를 지나는 신호가 나타났을 때 기준격자, 상부격자, 하부격자를 센서 측정 신호에 다시 적용하는 간섭 프린지의 진행 탐지기법을 행하고, 신호값이 상기 기준격자를 다시 지난 후 탐지에 사용되는 격자가 바뀌게 되는 지점에서 상기 간섭프린지의 정상점 또는 계곡점을 찾아내는 것을 특징으로 하는 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법.
제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서 각 인접한 정상점과 계곡점에 의해 결정된 신호수준점이 이전에 결정된 신호수준점에 비해 작은 값을 가지면 인장방향, 큰 값을 가지면 압축방향으로 인식하는 것을 특징으로 하는 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법.
제1항에 있어서, 센서신호를 측정값으로 계산할 때 결정된 상기 정상점과 계곡점의 개수 뿐만 아니라 상기 신호수준점의 개수를 이용함으로써 센서의 측정 분해능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법.
제1항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 음이나 양으로의 음이나 양으로의 신호수준의 변화를 보이다가 0의 변화가 한 번 나타난 후 반대부호의 신호수준 변화가 나타나는 센서 측정 신호의 영역을 코사인 형태 간섭 프린지의 0이나 π 위상에서 측정 방향이 변화하는 신호수준 변화형태 1로 인식하고, 음이나 양으로의 신호수준 변화가 진행되다가 부호가 다른 기울기 혹은 같은 부호이면서 기울기 값이 더 큰 신호수준이 나타나고 0의 변화를 보인 후, 0 변화 이전에 대해 뒤집힌 위상의 신호수준이 나타난 다음 변화된 측정 방향의 신호수준 변화가 진행되는 센서 측정 신호의 영역을 코사인 형태 간섭 프린지의 π/2이나 3π/2 위상에서 측정 방향이 변화하는 신호수준 변화형태 2로 인식하는 것을 특징으로 하는 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법.
제6항에 있어서, 상기 (c) 단계에서 신호수준 변화형태 1과 신호수준 변화형태 2가 나타나는 영역에 대해 0의 기울기를 갖는 신호수준 사이에 존재하는 정상점과 계곡점을 측정 방향이 변화한 위치로 인식하는 것을 특징으로 하는 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법.
제6항에 있어서, 신호수준 변화형태 2의 측정 방향이 변하는 것으로 판별된 정상점과 계곡점은 위상의 뒤집힘에 의해서 π/2나 3π/2에 가까운 위상의 측정방향 변화가 인식된 것으로, 측정방향 변화 위치 이전 한쪽 방향으로 측정이 진행될 때의 프린지 진폭에 대한 측정방향이 변하는 위치의 진폭 비를 이용하여 보다 정확하게 방향변화지점의 위상을 계산하는 것을 특징으로 하는 TEFPI 광섬유 센서의 신호 처리방법.