KR100470083B1 - 복합 광섬유 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복합 광섬유 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물의 진동과 스트레인을 동시에 측정할 수 있는 복합 광섬유 센서에 관한 것이다.
본 발명의 복합 광섬유 센서는 광송수신부와 연결된 제1 광섬유와 상기 제1 광섬유와 길이 방향으로 일정 간격 떨어져 있으며 그 종단이 반사코팅된 광섬유로 구성되어 구조물의 진동량을 측정할 수 있는 진동 측정용 광섬유 센서와 센싱용 광섬유의 종단을 반사코팅처리하여 센싱용 광섬유로 인가되는 광의 반사광을 이용하여 해당 센싱용 광섬유가 설치된 곳의 스트레인에 의한 변형을 측정할 수 있는 스트레인 측정용 광섬유로 구성되어 있다.
Description
본 발명은 복합 광섬유 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구조물의 진동과 스트레인을 동시에 측정할 수 있는 복합 광섬유 센서에 관한 것이다.
일반적으로 지하철 등 지하시설물, 교량, 건물, 고가차도나 도로 등의 안전관리를 보다 효과적으로 수행하고, 시공단계에서는 물론 시공 후의 시설물 관리에 이르기까지의 지속적인 관리가 필요한 곳에는 구조물의 변형상태를 계측하기 위한 센서가 설치된다.
또 고속전철 등 터널라이닝의 교통통과 하중영향의 동계측 및 기존 지하철 등 교통시설물의 하부굴착의 소성변형을 측정하고자 하는 경우 또는 차량 통과시 진동의 추이를 측정하고자 하는 경우에도 역시 센서가 설치된다.
또한 교각이나 고층빌딩의 4방위 전도를 측정하고자 하는 경우 또는 발파 등의 영향으로 인한 진동효과에 따른 구조 부위별 변형율을 측정하거나 교량의 동하중처짐, 비틀림 측정, PS 강선 풀림감시, 지하철 등 지하터널 영구시설물의 관리계측이 필요한 곳에 센서가 설치된다.
종래에는 이와 같은 사회 기간 구조물에 대한 각종 기계량의 변화를 계측하기 위하여 전기 또는 전자 센서를 사용하였다.
그러나 전기 또는 전자 센서를 사용하는 경우에는 전자기장 등의 기존 시설물의 간섭에 의한 잡음으로 인하여 측정의 신뢰성이 떨어지고 센싱동작이 전기작동방식으로 이루어짐에 따라 가스저장시설 등과 같이 위험물을 관리하는 시설물에 사용하기에는 부적합하다는 문제점이 있다.
또 센서를 구성하는 재료가 쉽게 부식되기 때문에 영구계측에는 부적합하며, 감도가 낮아 측정이 제대로 이루어지지 않거나, 센서구조의 한계로 인하여 적용 대상물의 변위특성 파악이 곤란하며, 동적 계측이 제한되므로 탄성체 상태에서의 구조물 관리가 어렵다는 문제점이 있다.
이에, 광섬유를 이용하여 구조물의 외부변형정도를 측정하는 센싱시스템이 등장하게 되었다.
도 1은 일반적인 광섬유를 이용한 센싱 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 광섬유를 이용한 센싱 시스템은 센싱용 광섬유(1)의 양단에 소정 파장의 광원을 생성하는 광원발생부(2)와 센싱용 광섬유(1)로부터 인가되는 광을 수신하는 광원수신부(3)를 포함하여 구성되며, 상기 광원발생부(2)로부터 발생된 광과 광원수신부(3)에서 수신한 광을 비교함으로써, 센싱용 광섬유(1)가 설치된 곳의 물리적 변형을 측정하도록 구성되어 있다.
종래에는 특수파장에 대해 반사를 일으키는 광섬유격자를 센싱용 광섬유에 적용하여, 이 광섬유격자가 설치된 곳에 외부 물리량이 가해지는 경우 격자간격이 변화하게 됨에 따라 반사되는 파장대역이 변화하는 것을 측정하여 구조물이 받는 외부 물리량을 측정하도록 하였다.
그러나 광섬유격자를 이용한 광센서는 그 제조비용이 고가이고, 설치 및 운용이 어려우며, 하나의 센서에 구비되는 광섬유격자의 길이가 짧음으로 인해 해당 구조물의 특정 부분에서의 물리량만을 측정하는 것이 가능하다는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 광송수신부와 연결된 제1 광섬유와 상기 제1 광섬유와 길이 방향으로 일정 간격 떨어져 있으며 그 종단이 반사코팅된 광섬유로 구성되어 구조물의 진동량을 측정할 수 있는 진동 측정용 광섬유 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 진동 측정용 광섬유 센서와 센싱용 광섬유의 종단을 반사코팅처리하여 센싱용 광섬유로 인가되는 광의 반사광을 이용하여 해당 센싱용 광섬유가 설치된 곳의 스트레인에 의한 변형을 측정할 수 있는 스트레인 측정용 광섬유를 하나로 구성하여 구조물의 진동과 스트레인에 의한 변형을 동시에 측정할 수 있는 복합 광섬유 센서를 제공하는 것이다.
도 1은 일반적인 광섬유를 이용한 센싱 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 진동 측정용 광섬유 센서의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 구조물의 진동에 따라 광섬유 1로 반사되는 반사광의 세기를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 광섬유 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 스트레인 측정용 광섬유 센서의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 6는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 광섬유 센서를 이용한 센싱 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시 예에 따른 진동 측정용 광섬유 센서는 광송수신부와 연결된 광섬유와 종단이 반사코팅된 광섬유로 구성되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복합 광섬유 센서는 진동 측정용 광섬유 센서, 스트레인 측정용 광섬유 센서, 광원 발생부, 광원 수신부, 커플러를 포함한다.
이하 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 진동 측정용 광섬유 센서의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 진동 측정용 광섬유 센서(100)는 광송수신부와 연결된 광섬유 1(110), 반사코팅부(120), 일측면에 상기 반사코팅부(120)가 형성되어 있는 광섬유 2(130), 광섬유 가이드 슬리브(140), 광섬유 가이드(150)를 포함한다.
상기 반사코팅부(120)는 수직으로 절단된 광섬유의 단면에 금속(금, 은, 알루미늄 등) 또는 유전체 등을 진공증착 등의 방식으로 코팅하여 형성한다.
상기 광섬유 1(110)과 광섬유 2(130)는 길이 방향으로 일정 간격 떨어져 있으며, 상기 광섬유 가이드(150)를 통해 나온 광섬유 1(110)은 광섬유 2(130)에 비해 길이가 길다.
광송신부에서 나온 빛은 상기 광섬유 1(110)을 지나 상기 광섬유 2(130)로 진행하며, 상기 광섬유 2(130)의 종단부에 형성되어 있는 상기 반사코팅부(120)에서 반사되어 상기 광섬유 1(110)으로 되돌아 간다. 이때 상기 광섬유 1(110)로 되돌아 가는 반사광의 세기는 광섬유 1(110)과 광섬유 1(130)의 중심축이 어긋나는 정도에 따라 다르다.
구조물의 진동에 따른 반사광의 세기의 변화는 도 3을 참조하여 설명한다.
도 3은 구조물의 진동에 따라 광섬유 1(110)로 반사되는 반사광의 세기를 나타낸 도면이다.
도 3a는 구조물의 진동에 따라 광섬유 1(110)과 광섬유 2(130)의 중심축이 어긋나는 정도를 나타낸 도면이다.
도 3a에 도시된 바와 같이 구조물이 진동함에 따라 상기 광섬유 1(110)과 광섬유 2(130)의 중심축이 어긋나는 정도는 구조물의 진동수에 따라 일정한 주기를 갖고 변한다.
도 3b는 구조물의 진동에 따라 광섬유 1(110)로 되돌아 오는 반사광의 세기를 나타낸 도면이다.
도 3b에 도시된 바와 같이 상기 광섬유 1(110)과 광섬유 2(130)의 중심축이 어긋나는 정도에 따라 상기 광섬유 1(110)로 되돌아 오는 반사광의 세기가 변한다.
즉 상기 광섬유 1(110)과 광섬유 2(130)의 중심축이 일치하는 경우(즉, 구조물의 진동에 따라 상기 광섬유 1(110)이 그 중심축이 휘는 형태로 일정한 주파수로 진동 운동을 하던 중 상기 광섬유 1(110)의 중심축이 상기 광섬유 2(120)의 중심축과 일치하는 순간)에 반사광의 세기가 가장 크고, 상기 광섬유 1(110)과 광섬유 2(130)의 중심축의 어긋남이 가장 큰 경우(즉, 구조물의 진동이 가장 큰 경우)에 반사광의 세기가 가장 작다.
또한, 각 진동에 있어서 반사광의 세기가 가장 작을 때의 반사광의 세기를 비교함으로써 진동의 크기를 알아낼 수 있다. 즉, 진동이 클수록 광섬유 1(110)과 광섬유 2(120)의 중심축이 어긋나는 정도가 커질 것이므로 반사광의 세기가 가장 작을 때의 반사광의 세기를 비교하면 진동의 크기를 알 수 있다.
이와 같이 상기 광섬유 1(110)로 돌아오는 반사광의 세기를 측정함으로서 구조물의 진동수와 진동의 크기를 알아낼 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 광섬유 센서의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 광섬유 센서의 외부 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 광섬유 센서는 센서 시단부(410), 센서 종단부(420), 내부 센서를 보호하기 위한 외부충격보호튜브(430)를 포함한다.
도 4b는 상기 센서 시단부(410)의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 4b에 도시된 바와 같이 진동측정용 광섬유 센서(100)가 상기 센서 시단부에 내장되어 있고, 광섬유가 통과할 수 있는 광섬유 통과 밸브(412)와 상기 진동 측정용 광섬유 센서(100) 및 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)를 고정하기 위한 원통형 고정부 박스(414)가 구비되어 있다.
도 4c는 상기 센서 종단부(420)의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 4c에 도시된 바와 같이 상기 센서 종단부(420)에는 광섬유가 통과할 수 있는 광섬유 통과 밸브(422)와 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)를 고정하기 위한 원통형 고정부 박스(424)가 구비되어 있다.
또한 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서는 외부충격으로부터 보호하기 위한 우레탄 튜브(418)로 씌워져 있다.
상기 진동 측정용 광섬유 센서(100)는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 진동 측정용 광섬유 센서와 동일한 구조이며, 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)의 세부 구조는 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)의 세부 구조를 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)는 다수 개의 심선으로 형성되며, 다수 개의 심선 중 신호광이 통과하는 신호심선(210)의 종단에는 신호광이 반사될 수 있도록 반사코팅부(220)가 형성되어 있다.
상기 반사코팅부(220)는 수직으로 절단된 광섬유의 단면에 금속(금, 은, 알루미늄 등) 또는 유전체 등을 진공증착 등의 방식으로 코팅하여 형성한다.
도 5에서는 스트레인 측정용 광섬유(200) 센서가 3개의 심선으로 구성되어 있고 하나의 신호심선(210)을 사용한 경우를 가정하여 도시하였으나, 심선의 수와 신호심선(210)의 수는 센싱시스템의 용도에 따라 다양한 변형이 가능하다.
상기 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)의 신호심선(210)의 종단을 반사코팅처리하기 때문에, 루프백(Loop back) 구조를 필요로 하는 종래의 센싱용 광섬유에 비해 종단부의 부피가 작아 센서를 설치하는데 많은 공간을 차지하지 않는다. 따라서 종래에 광섬유 센서를 설치하기 곤란하였던 좁은 공간에도 설치가 가능하고, 구조물의 내부에 삽입하여 설치하는 것도 용이하다.
도 6는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 광섬유 센서를 이용한 센싱 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 광섬유 센서를 이용한 센싱 시스템은 광원 발생부(310), 광원 수신부(320), 센싱부(330), 다수의 커플러(341, 342, 343, 344)를 포함한다.
상기 광원 발생부(310)는 센싱부(330)에 인가할 광을 발생시키는 기능을 수행한다.
상기 광원 발생부(310)는 광원(311), 포토 다이오드 1(312)로 구성되어 있다.
상기 광원(311)은 통상의 광섬유 센서에 사용되는 것으로 상기 센싱부(330)에 인가할 광을 발생시키는 기능을 수행한다.
상기 포토 다이오드 1(312)은 상기 광원(311)에서 광이 정상적으로 발생되고 있는지를 확인하고, 광원의 출력이 변할 때 그 변화 정도를 광원의 구동회로에 피드백해 줌으로써 광원을 안정적으로 동작시키며, 또한 광원의 출력 결과를 상기 광원 수신부(325)에 전달하여 상기 센싱부로부터 수신된 광을 이용하여 구조물의 변형 정도를 계산할 때 광원에 의한 오류를 보정하도록 하기 위한 것으로 상기 광원(311)이 발생한 광의 일부를 상기 커플러 1(341)로부터 받아 상기 광원(311)이 정상적으로 작동하고 있는지를 확인한다. 상기 커플러 1(341)의 분기비는 1:99로 하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 광원 수신부(320)는 포토 다이오드 2(321), 포토 다이오드 3(322), 증폭부(323),아날로그/디지털 변환부(324),신호처리부(325),표시부(326)를 포함한다.
상기 포토다이오드 2(321)는 상기 진동 측정용 광섬유 센서(100)로부터 수신된 광을 전기 신호로 변환하여 이를 상기 증폭부(52)로 출력하는 기능을 수행한다.
상기 포토다이오드 3(322)은 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)로부터 수신된 광을 전기 신호로 변환하여 이를 상기 증폭부(52)로 출력하는 기능을 수행한다.
상기 증폭부(323)는 상기 포토다이오드(321, 322)가 출력한 신호를 증폭하는 기능을 수행한다.
상기 아날로그/디지털 변환부(324)는 상기 증폭부(52)가 증폭한 아날로그 신호를 디지털 신호로 전환하는 기능을 수행한다.
상기 신호처리부(325)는 상기 디지털 신호를 이용하여 구조물의 물리적 변형 정도를 판단하는 기능을 수행한다.
상기 표시부(326)는 상기 신호처리부(325)에서 판단한 구조물의 물리적 변형 정도를 사용자가 볼 수 있도록 디스플레이 장치에 표시하는 기능을 수행한다.
상기 센싱부(330)는 상기 진동 측정용 광섬유 센서(100)와 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)로 구성되어 있다.
여기서는 설명의 편의상 상기 센싱부(330)가 상기 진동 측정용 광섬유 센서(100)와 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서(200)를 모두 포함하여 구성되어 있는 경우를 가정하여 설명하였으나, 상기 센싱부(330)는 구조물의 특성에 따라 진동 측정용 광섬유 센서(100)나 스트레인 측정용 광섬유 센서(200) 중 어느 하나만으로 구성될 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 진동 측정용 광섬유 센서와 스트레인 측정용 광섬유 센서를 하나의 센서로 구성하므로 하나의 광원을 이용하여 구조물의 진동과 스트레인에 의한 변형을 동시에 측정함으로써, 원가절감의 효과와 더불어 구조물의 변형을 보다 효율적으로 관측할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 따라서 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위 내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
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- 센서 시단부, 센서 종단부, 내부 센서를 보호하기 위한 외부충격보호튜브를 구비한 스트레인 측정용 광섬유 센서에 있어서,다수의 심선과,상기 심선에 꼬임 형상으로 결합되어 있으며, 종단이 반사코팅 처리되어 있는 신호전송용 광섬유로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스트레인 측정용 광섬유 센서.
- 제4항에 있어서,상기 심선은 상기 신호전송용 광섬유와 같은 재질인 것을 특징으로 하는 스트레인 측정용 광섬유 센서.
- 제4항에 있어서,상기 신호전송용 광섬유의 종단은 금속 또는 유전체로 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 스트레인 측정용 광섬유 센서.
- 센서 시단부와,센서 종단부와,내부 센서를 보호하기 위한 외부충격보호튜브와,광송수신부와 연결된 제1 광섬유와,상기 제1 광섬유와 길이 방향으로 일정 간격 떨어져 있으며 그 종단에 반사코팅부가 형성되어 있는 제2 광섬유로 구성되어 있으며,구조물의 진동이 없는 경우 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유의 중심축이 일치하고 구조물의 진동에 따라 상기 제1 광섬유와 제2 광섬유의 중심축이 어긋나는 것을 특징으로 하는 진동 측정용 광섬유 센서와,다수의 심선과,상기 심선에 꼬임 형상으로 결합되어 있으며, 종단이 반사코팅 처리되어 있는 신호전송용 광섬유로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스트레인 측정용 광섬유 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 광섬유 센서.
- 제7항에 있어서,상기 센서 시단부 및 상기 센서 종단부는 광섬유가 통과하는 광섬유 통과 밸브와 광섬유 센서를 고정하기 위한 고정부 박스를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 광섬유 센서.
- 제7항에 있어서,상기 스트레인 측정용 광섬유 센서는 우레탄 튜브로 씌워져 있는 것을 특징으로 하는 복합 광섬유 센서.
- 진동 측정용 광섬유 센서와 스트레인 측정용 광섬유 센서로 구성된 센싱부와,상기 센싱부에 인가할 광을 발생시키는 기능을 수행하는 광원 발생부와,상기 센싱부에서 반사되어 오는 광을 수신하여 구조물의 진동과 변형 정도를측정하는 광원 수신부와,상기 광원 발생부로부터 나온 광을 상기 진동 측정용 광섬유 센서와 상기 스트레인 측정용 광섬유 센서로 분기하는 기능을 수행하는 커플러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 센싱 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 진동 측정용 광섬유 센서는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 진동 측정용 광섬유 센서인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 센싱 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 스트레인 측정용 광섬유 센서는 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 스트레인 측정용 광섬유 센서인 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 센싱 시스템.
- 제10항에 있어서,상기 광섬유를 이용한 센싱 시스템은상기 광원 발생부로부터 나온 광의 일부를 상기 광원 발생부로 보내고, 나머지 광을 상기 센싱부로 보내는 기능을 수행하는 커플러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 센싱 시스템.
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| KR10-2001-0078848A KR100470083B1 (ko) | 2001-12-13 | 2001-12-13 | 복합 광섬유 센서 |
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ID=29574670
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20180118978A (ko) * | 2017-04-24 | 2018-11-01 | (주)파이버피아 | 침수 또는 누수감지를 위한 광센서 및 이를 이용한 센싱 시스템 |
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2001
- 2001-12-13 KR KR10-2001-0078848A patent/KR100470083B1/ko active IP Right Grant
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| KR102036257B1 (ko) * | 2017-04-24 | 2019-10-24 | (주)파이버피아 | 침수 또는 누수감지를 위한 광센서 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20030048816A (ko) | 2003-06-25 |
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