KR100614006B1 - 온도 제어 가능한 파장 가변 광발생기를 구비한 스트레인계측 모듈 및 이를 이용한 광섬유 스트레인 계측 시스템 - Google Patents

온도 제어 가능한 파장 가변 광발생기를 구비한 스트레인계측 모듈 및 이를 이용한 광섬유 스트레인 계측 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광발생기 및 광섬유 센서를 사용하여 구조물의 스트레인 정보를 수집함으로써, 구조물을 감시하는 데 이용되는 스트레인 계측 모듈 및 스트레인 계측 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 초발광 다이오드와, 상기 초발광 다이오드의 출력단에 캐스케이드 접속되어 상기 초발광 다이오드로부터 발생된 광대역 스펙트럼을 갖는 광을 소정 간격의 중심 파장을 갖는 이산 광신호들로 변환하는 파장 가변 패브리 페로 필터를 포함하는 파장 가변 광발생기를 갖는 스트레인 계측 모듈 및 스트레인 계측 시스템을 제공한다. 본 발명에 따르면, 측정 정밀도가 높으며, 온도 의존성이 낮은 스트레인 계측 모듈 및 광섬유 센서 시스템의 제공이 가능하다.
Tunable light generator, SLD, FBG, Fabry-Perrot filter

Description

온도 제어 가능한 파장 가변 광발생기를 구비한 스트레인 계측 모듈 및 이를 이용한 광섬유 스트레인 계측 시스템{STRAIN MEASUREMENT MODULE USING TEMPERATURE CONTROLLABLE TUNABLE LIGHT GENERATOR AND FIBEROPTIC SYSTEM THEREOF}
도 1은 발광 다이오드를 광원으로 사용하는 종래의 스트레인을 계측 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 파장 가변 레이저 발생기의 구성을 걔략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예로서 스트레인 계측 모듈 및 계측 시스템에 사용되는 파장 가변 광발생기를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3과 관련하여 설명한 본 발명의 파장 가변 광발생기를 사용하여 구성된 스트레인 계측 시스템을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 에탈론 필터를 투과하여 광발생기 광검출기 및 센서 광검출기에서 각각 얻어진 광신호 데이터 파형을 시간의 경과에 따라 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 복수의 FBG 센서부를 설치하여 복수의 지점에서의 스트레인을 검출하기 위한 스트레인 계측 시스템을 개략적으로 도시한 도 면이다.
도면의 부호에 대한 간단한 설명>
114, 146 : 발광 다이오드(LED) 120, 320, 322, 324 : 광결합기
134, 230, 318 : 패브리-페로 필터 136, 330, 345, 330, 330’: 광검출기
144 : 에탈론 필터 150, 350, 350’: FBG 센서부
210 : 펌프 레이저 250 : 광섬유 증폭기
310 : 파장 가변 광발생기 314 : SLD
313, 317 : 열전 소자 315, 319 : 써미스터
325 : 레퍼런스 FBG
본 발명은 스트레인 계측 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광발생기 및 광섬유 센서를 사용하여 구조물의 스트레인 정보를 수집함으로써, 구조물을 감시하는 데 이용되는 스트레인 계측 모듈 및 스트레인 계측 시스템에 관한 것이다.
종래에 구조물의 진단을 위해 사용되어 온 스트레인 게이지는 구조물에 사용될 정도의 내구성을 구비하고 있지 못하고, 각 센서마다 계측용 동선이 구비되어야 하며, 저항 측정을 위한 전력을 공급해주어야 하기 때문에 계측점이 많아졌을 때에는 구조물 자체에 영향을 줄 수 있다. 이러한 이유로 광섬유 센서를 사용하여 스트레인 게이지 시스템을 대체하고자 하는 시도가 있어 왔다.
도 1은 광섬유 센서를 사용하여 스트레인을 계측하는 종래의 시스템의 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 종래의 광섬유 센서를 사용한 스트레인 계측 시스템(100)은 크게 광발생기(110), 광검출기(130), 보상부(140), 센서부(150) 및 제어부(160)로 구성되어 있다. 도 1에 도시된 종래의 스트레인 계측 시스템(100)의 각 구성의 동작을 살피면 다음과 같다.
광발생기(110)를 구성하는 발광 다이오드 구동부(112)는 발광 다이오드(Light Emission Diode, 이하 LED라 한다; 114)에 전력을 공급하여 일정한 파장 분포를 갖는 광을 발생한다. 발생된 광은 광 결합기(coupler; 120)를 통과하여 구조물에 부착되거나 내장되어 있는 광섬유 센서부(150)로 진행한다.
상기 광섬유 센서부(150)로는 다양한 종류의 광섬유 센서가 사용될 수 있으나, 도 1은 파이버 브래그 그레이팅(Fiber Bragg Grating, 이하 ‘FBG’라 한다) 센서가 사용된 예를 도시하고 있다. 상기 FBG 센서는 브래그 조건을 만족하는 일정폭을 갖는 파장만을 반사하고 그 외의 파장은 그대로 투과시킨다.
특정 파장 조건을 만족하여 FBG 센서에서 반사된 반사광은 다시 광결합기를 통해 광검출부(130)로 진행한다. 광검출기(130)에는 패브리-페로 필터(Fabry-Perrot filter, 이하 이를 ‘FP 필터’라 한다; 134)와 같은 필터를 사용하여 상기 FBG 센서에서 반사된 특정 파장의 반사광을 투과시켜 포토 다이오드(photo diode, 이하 ‘PD’라 한다; 136)와 같은 광검출기로 전달한다. 상기 FP 필터(134)는 반사광이 갖는 파장과 동조될 수 있도록 내부에 PZT 소자(도시하지 않음)를 구비하고 있다. 내장된 PZT 소자의 신장 또는 수축에 의해 FP 필터(134) 내부의 공동(cavity)의 길이가 조절됨으로써, 반사광은 FP 필터(134)를 통과하도록 제어된다. 이와 같은 PZT 소자의 신장 또는 수축 동작을 제어하기 위해 FP 필터(134)에는 PZT 구동부(132)가 연결된다.
전술한 바와 같이, PD는 FP 필터(134)를 통과한 반사광의 광량을 측정하여 출력한다. PD로부터의 출력은 미분기 및 비교기를 통과하여 반사광 피크 지점이 검출되고 이 지점에서의 강도가 산출되어 CPU(166)로 입력된다.
CPU(166)는 반사광이 검출될 때의 PZT 드라이버에 가해진 전압값으로부터 반사광의 파장을 산출한다. 산출된 파장값으로부터 FBG 센서에 발생한 스트레인 변화량을 계산할 수 있게 된다.
FP 필터(134) 내부의 PZT 소자가 갖는 전압-길이 비선형성을 보상하기 위해 상기 시스템에는 에탈론 필터(146)를 포함하는 보상부(140)가 추가될 수 있다. 상기 보상부는 LED(146), LED 드라이버(148), 에탈론 필터(144) 및 보상용 FBG(142)를 포함하여 구성되며, 광결합기(120)에 연결된다. LED 드라이버(148)에 의해 LED(146)로부터 출력된 광은 에탈론 필터(144) 및 보상용 FBG(142)를 통과하여 광검출기(130)로 전달된다. 광검출기(130)는 전술한 반사광의 수신 동작과 동일한 방식으로 광량을 측정하여 이를 CPU(166)로 전달한다. CPU(166)는 광검출기(130)에서 검출된 출력값은 센서부(150)로부터 송신된 반사광의 파장을 보정하는 데 사용된다.
이상 설명한 시스템에서 FBG 센서, FP 필터 및 에탈론 필터의 구조 및 동작 원리에 대한 자세한 사항은 당업계에 널리 공지되어 있는 것으로 여기서는 구체적인 설명을 생략한다.
이와 같은 종래의 광섬유 센서 시스템은 광원으로 사용되는 LED가 낮은 출력을 가지고 있어 신호의 측정이 용이하지 못하다. 특히, 광범위한 측정 영역을 갖는 건축 구조물과 같은 분야에서는 신호의 전송 길이가 매우 길어짐에 따라 신호의 검출이 거의 불가능하게 된다. 또한, LED를 광원으로 하는 종래의 광섬유 센서 시스템은 복수의 지점에 복수의 FBG 센서가 매설된 경우, 광검출기가 복수의 FBG 센서에 대응하는 복수의 FP 필터를 구비해야 한다는 문제점을 갖는다.
한편, 이러한 문제점을 해결하기 위해 소스단에 높은 출력의 레이저와 FP 필터를 채용한 파장 가변 레이저 발생기를 구비한 광섬유 센서 시스템이 제안된 바 있다. 이 시스템의 파장 가변 레이저 발생기는 주로 어븀 도핑 파이버 증폭기(Erbium doped fiber amplifier, 이하 ‘EDFA’라 한다)를 증폭 기구로 사용하고 있는데, 도 2에 이를 도시하였다..
도 2를 참조하여 파장 가변 레이저 발생기의 동작을 설명하면 다음과 같다. 약 1550 nm의 약한 신호광과 펌프 레이저(210)로부터 발생된 1480 nm의 레이저가 멀티플렉서(220)에서 합쳐져서 광섬유 증폭기(250)로 전달된다. 광섬유 증폭기(250)로 전달된 레이저는 광섬유 내에 존재하는 어븀 이온(Er3+)을 상위 레벨로 여기시키며, 신호광은 어븀 이온을 자극하여 하위 레벨로 천이시킨다. 이 과정에서 약 1550 nm의 광이 유도 방출되며, 신호광과 합쳐진다. 이렇게 강도가 커진 신호광은 다시 다른 어븀 이온을 자극하여 더욱 강한 신호광을 방출한다. 이와 같 이 광섬유 증폭기(250)를 순환하여 증폭된 광은 FP 필터(230)을 통과하여 특정 파장을 갖는 레이저 신호로 출력된다.
이와 같이, 파장 가변 레이저 발생기는 전송 길이의 한계를 극복하고 수신부의 구조를 단순하게 한 반면, 부수하는 많은 문제점을 안고 있다.
먼저, 파장 가변 레이저 발생기는 입력 신호로 신호광 뿐만 아니라 레이저를 사용하여야 하므로 레이저 다이오드 및 멀티 플렉서를 추가로 구비하여야 하고, 광섬유 내에서 증폭이 이루어지므로 광섬유가 차지하는 면적이 넓어져 시스템이 매우 복잡해지게 되며, 레이저 발생기의 온도 제어가 곤란하게 된다. 또한, 레이저 발생기로부터 방출되는 레이저는 광에 비해 높은 편광성(polarization) 및 코히어런시(coherency)를 갖고 있기 때문에 광검출기에서의 간섭 현상이 두드러지게 된다. 마지막으로는 레이저 발생기를 광섬유 시스템으로 사용하는 데는 매우 높은 제작 비용을 지불해야 한다는 문제점이 있다.
이와 같이, 파장 가변 레이저 발생기를 이용한 광섬유 센서 시스템은 LED를 광원으로 한 센서 시스템에 비해 고출력을 가지며 광검출기 구조를 단순화할 수 있는 반면, 소스단 즉 레이저 발생기의 구조가 복잡해지고 온도 제어가 곤란한다는 문제점을 야기하며, 또한 높은 편광성 및 코히어런시를 갖는 레이저를 광원으로 사용함에 따라 높은 정밀도를 갖는 센서 시스템의 제작이 곤란해지며, 높은 제작 비용을 지불해야 한다는 문제점을 가지고 있다. 따라서, 양자의 단점을 보완할 수 있는 새로운 광섬유 센서를 이용한 스트레인 계측 시스템에 대한 요구가 절실하다.
다른 한편으로, 앞서 설명한 두 광섬유 센서 시스템들은 광검출기 또는 레이 저 발생기에 FP 필터를 사용하고 있지만, 이 FP 필터가 온도 변화에 매우 민감하다는 점을 간과하고 있으며, 이에 대한 아무런 해결책을 제시하고 있지 못하다.
본 발명은 보다 단순한 구조를 가지고 저비용으로 제작할 수 있고 측정 정밀도가 높은 새로운 스트레인 계측 모듈 및 광섬유 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 온도에 따른 특성 변화를 완화할 수 있는 스트레인 계측 모듈 및 광섬유 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 복수의 지점에 복수의 광섬유 센서를 설치하여 스트레인을 계측하는 경우에 적합한 스트레인 계측 모듈 및 광섬유 센서 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 초발광 다이오드와, 상기 초발광 다이오드의 출력단에 캐스케이드 접속되어 상기 초발광 다이오드로부터 발생된 광대역 스펙트럼을 갖는 광을 소정 간격의 중심 파장을 갖는 이산 광신호들로 변환하는 파장 가변 패브리 페로 필터를 포함하는 파장 가변 광발생기, 상기 파장 가변 광발생기로부터 출력되는 광신호를 입력 받아 분배하기 위한 광결합기, 상기 광결합기를 통해 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하여 상기 패브리 페로 필터를 투과하는 파장 가변 광발생기의 광신호의 파장을 검출하기 위한 파장 보정 수단, 상기 광결합기를 통해 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하고 하중에 따른 스트레인 변화에 대응하는 응답 신호를 송신하는 광섬유 센서, 상기 광결합기를 통해 상기 광섬유 센서로부터의 응답 신호를 검출하는 광검출기 및 상기 광검출기에서 검출된 신호의 파장을 계산하는 프로세서를 포함하는 스트레인 계측 시스템을 제공한다.
본 발명에서, 상기 광섬유 센서로는 광섬유 브래그 그레이팅 센서가 사용될 수 있다. 광섬유 브래그 그레이팅 센서가 사용될 경우, 상기 광결합기와 상기 광섬유 브래그 그레이팅 센서 사이에는 상기 광섬유 브래그 그레이팅 센서의 파장 계산을 위한 기준값을 제공하기 위한 레퍼런스 광섬유 브래그 그레이팅 센서를 더 포함할 수 있다. 본 발명에서, 상기 파장 보정 수단은 에탈론 필터와 제2 광검출기를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 패브리-페로 필터에 써미스터와 열전 냉각 장치를 장착하여 상기 패브리-페로 필터의 온도를 일정 범위에서 유지하는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 상기 초발광 다이오드 디바이스도 써미스트와 열전 냉각 장치를 더 구비하여 온도 제어되는 것을 특징으로 한다.
복수의 지점에 복수의 광섬유 센서가 설치되는 경우에도 본 발명은 손쉽게 적용될 수 있다. 이를 위해 본 발명은, 초발광 다이오드와, 상기 초발광 다이오드의 출력단에 캐스케이드 접속되어 상기 초발광 다이오드로부터 발생된 광대역 스펙트럼을 갖는 광을 소정 간격의 중심 파장을 갖는 이산 광신호들로 변환하는 파장 가변 패브리 페로 필터를 포함하는 파장 가변 광발생기, 상기 파장 가변 광발생기로부터 출력되는 광신호를 입력 받아 분배하기 위한 제1 광결합기, 상기 제1 광결합기를 통해 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하여 상기 패브리 페로 필터를 투과하는 파장 가변 광발생기의 광신호의 파장을 검출하기 위한 파장 보정 수단, 상기 제1 광결합기를 통과하여 출력되는 상기 파장 가변 광발생기의 광신호를 입력받아 분배하기 위한 복수의 제2 광결합기들, 상기 복수의 제2 광결합기들에 각각 연결되어 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하고 하중에 따른 스트레인 변화에 대응하는 응답 신호를 송신하는 복수의 광섬유 센서 및 상기 복수의 제2 광결합기를에 각각 연결되어 상기 광섬유 센서로부터의 응답 신호를 검출하는 복수의 제1 광검출기 및 상기 복수의 제1 광검출기에서 검출된 신호의 파장을 계산하는 프로세서를 포함하는 스트레인 계측 시스템을 제공한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상술한다.
도 3은 본 발명의 스트레인 계측 모듈 및 계측 시스템에 사용되는 파장 가변 광발생기를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 파장 가변 광발생기는 광원으로 초발광 다이오드(Super Luminescent Light Emission Diode, 이하 ‘SLD’라 한다; 314)를 채용하고 있다. 상기 SLD(314)는 SLD 드라이버(312)에 의해 구동된다. 상기 SLD(314)는 광대역 스텍트럼(broadband spectrum)을 갖는 광으로서, 레이저에 비해 코히어런시 길이(coherency length)가 짧고, 무편광성(unpolarized)이다. 또한, SLD는 약 1 ㎽ 범위의 출력을 가지고 있어, LED(약 50 ㎼)의 광원보다 훨씬 높다. 따라서, 전송 길이가 길어져 광손실이 우려되는 경우에도 광원으로서 적합하다.
SLD(314)로부터 방출된 광대역 스펙트럼을 갖는 광은 FP 필터(318)와 같은 필터 수단으로 유도된다. 도시하지는 않았지만, 상기 FP 필터(318)는 두 광섬유의 끝단에 코팅된 두 거울면과 그 사이의 공동(cavity)으로 이루어지며, 공동의 길이(또는 거울면의 간격)에 의해 규정되는 특정 파장의 광을 투과시키는 공진기의 역할을 한다. 도시된 바와 같이, 상기 FP 필터(310)를 투과하는 광은 매우 작은 FWHM(full width half maximum)을 갖는 피크이다.
상기 FP 필터(318)에는 상기 공동의 거리를 조절하여 투과광의 파장을 변화시킬 수 있는 수단, 예컨대 PZT 소자(도시하지 않음)가 설치되어 있다. PZT 소자는 PZT 드라이버(316)로부터 공급되는 전압의 크기에 따라 신축함으로써, 상기 공동의 길이를 조절한다. 상기 PZT 드라이버(316)는 상기 PZT 소자에 예컨대, -10 V ~ +10 V의 범위 내에서 시간에 따라 일정 간격, 예컨대 0.01 V 단위로 증가하는 파형의 전압, 즉 톱니 파형의 전압을 주기적으로 공급한다. 그 결과 상기 FP 필터(318)는 SLD로부터 발생된 광대역 스펙트럼을 갖는 광을 상기 PZT 소자의 인가 전압 간격에 대응하는 소정 간격으로 이격된 중심 파장을 갖는 이산(discrete) 광신호로 변환하여 지속적으로 출력하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 파장 가변 광발생기(310)는 SLD를 광원으로 사용하며, 상기 SLD 광원의 출력단에 케스케이드 접속되어 투과 파장을 가변시킬 수 있는 FP 필터(318)를 구비한 것을 특징으로 한다. 그러나, 본 발명은 이에 그치지 않고, 상기 FP 필터가 온도에 따라 매우 민감한 특성을 나타낸다는 점에 유의하여 이를 개선하는 FP 필터 구조를 제공한다.
FP 필터(318)는 온도가 1℃ 변화함에 따라 약 1 nm의 투과 중심 파장의 변화가 발생한다. 이것은 FP 필터(318) 내부의 공동 길이 제어에 사용되는 PZT 소자의 온도 의존성에 기인한 것이다. FP 필터의 온도 의존성이 스트레인 계측 시스템에 미치는 영향이 어느 정도인가에 대해서는 소위 FSR(free spectral range)과 관련하여 설명할 수 있다. FSR은 FP 필터의 투과 파장 특성이 반복되어 나타나는 구간(반복 주기)을 의미하는 것으로, FP 필터가 사용될 수 있는 파장 범위를 실질적으로 제한하게 된다. 예컨대, 중심 파장이 1550 ㎚인 광원을 사용할 경우 이 FSR은 약 50 ㎚ 정도가 된다. 따라서, FP 필터의 온도 변화에 따른 투과 파장의 변화율(1㎚/℃)는 상기 FSR(즉 50 ㎚)과 비교할 때 매우 높은 수준이다. 따라서, 이를 보정하기 위해 별도의 보정 절차를 거쳐야 한다는 번거로움이 존재한다.
또한, FP 필터의 온도 의존성은 또 다른 문제점을 발생시킨다. 전술한 바와 같이 광원에서 발생된 광은 가우스 분포에 가까운 넓은 스펙트럼을 가지고 있다. 예컨대, 본 발명에서 사용된 SLD의 출력광은 FWHM이 45 nm이며 가우스 분포를 갖는다. 이러한 광원을 사용할 때, FP 필터에 온도 변화가 발생하면 투과 파장 구간이 천이되게 된다. 즉, 발생된 광 스펙트럼 중 목적하는 높은 강도를 갖는 파장 구간이 FP 필터를 투과하는 것이 아니라 상대적으로 낮은 강도를 가진 파장 구간이 투과될 수 있다. 광신호의 강도 저하는 광검출기에서의 수신 감도에 영향을 주어 안정적이고 정밀한 파장의 검출을 어렵게 만든다.
이러한 이유로 본 발명에서는 FP 필터의 온도를 일정하게 제어하기 위해 FP 필터(318)에 써미스터(316)와 같은 온도 측정 센서 및 열전 소자(317)와 같은 온도 조절 장치를 추가로 장착하고 있다. 상기 써미스터(319)에 의해 측정된 FP 필터(318)의 온도는 제어기(controller)로 전송되며, 제어기는 열전 소자(317)를 구동하여 상기 FP 필터의 온도를 일정 온도 범위내에서 제어한다. 상기 제어기로는 마이크로 프로세서가 사용될 수 있다.
또한, 본 발명은 파장 가변 광발생기의 온도 의존성을 보다 완화하기 위해 SLD 광원(314)에 써미스터(315) 및 열전 소자(313)를 추가로 구비하고 있다. 상기 써미스터(315)와 열전 소자(313)의 동작은 전술한 FP 필터에서와 동일하다.
도 4는 도 3과 관련하여 설명한 본 발명의 파장 가변 광발생기를 사용하여 구성된 스트레인 계측 시스템을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 스트레인 계측 시스템은 파장 가변 광발생기(310)와 광결합기(320), 센서 광검출기(330), 파장 보정 수단(340), 센서부(350) 및 프로세서(360)로 구성된다.
파장 가변 광발생기(310)는 전술한 바와 같이, SLD(314)와 이에 케스케이드 접속된 파장 가변 FP 필터(318)를 포함하고 있다. 상기 FP 필터(318) 및 SLD(314)에는 온도 제어를 위한 써미스터(319, 315)와 열전 소자(317, 313)가 추가 장착될 수 있음은 전술한 바와 같다.
상기 파장 가변 광발생기(310)로부터 발생된 낮은 FWHM을 갖는 일정 간격으로 이산된 광신호는 광결합기(320)를 통해 레퍼런스 FBG(325)와 FBG 센서부(350)으로 진행한다. 상기 광신호 중 상기 레퍼런스 FBG(325) 및 FBG 센서부(350)의 격자 간격에 부합하여 반사된 응답 신호, 즉 반사광이 상기 광결합기(320)을 통과하여 센서 광검출기(330)에서 검출된다.
한편, 상기 파장 가변 광발생기(310)로부터 발생된 광신호 중 일부는 상기 광결합기(320)를 통해 파장 보정 수단(340)으로 진행한다. 상기 파장 보정 수단은 상기 파장 가변 광발생기(310)의 FP 필터가 갖는 전압-길이 관계의 비선형성을 보정하여 상기 FBG 센서부(350)로부터의 응답 신호, 즉 반사광의 정확한 파장을 산출하기 위해 사용된다. 도시된 바와 같이, 상기 파장 보정 수단(340)은 에탈론 필터(ethalon filter; 344)와 보정부 광검출기(345)로 구성될 수 있다. 이 분야의 당업자에게 널리 알려진 바와 같이, 상기 에탈론 필터(344)는 일정 파장 간격(예컨대, 주파수 간격으로 환산하여 100 ㎓마다)마다 이에 해당하는 특정 파장의 광을 투과시키는 특성을 가지고 있다. 상기 에탈론 필터(344)를 투과한 광은 보정부 광검출기(345)에 의해 검출된다. 상기 보정부 광검출기(345)에 의해 검출된 광신호는 후술하는 바와 같이 상기 수광부 광검출기(330)에서 검출된 반사광의 파장을 산출하는 데 사용된다.
도 4에는 상기 파장 가변 광발생기(310), 수광부 광검출기(330), 보정부 광검출기(345)의 동작을 제어하는 프로세서(360)가 도시되어 있다. 상기 프로세서는 상기 파장 가변 광발생기(310)를 구성하는 SLD 드라이버(314), 써미스터들(315, 319), 열전 소자들(313, 317)을 제어하며, 상기 센서 광검출기(330)로부터 검출된 상기 FBG 센서로부터의 반사강의 강도(광량) 및 파장을 계산한다. 본 발명의 스트레인 계측 시스템을 구성하는 각 콤포넌트(310, 330, 340)의 제어를 위해 상기 프로세서(360)는 AD 변환기 또는 DA 변환기를 구비할 수 있다. 물론, 상기 AD/DA 변환기는 별도의 부품으로 상기 각 콤포넌트들(310, 330, 340)측에 구비될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 프로세서(360)는 상기 파장 보정 수단(340)에서 측정된 광신호를 이용하여 상기 센서 광검출기(330)에서 검출된 반사광의 파장을 계산하는 기능을 한다. 이를 위해, 상기 프로세서(360)에는 적절한 소프트웨어가 내장될 수 있다.
도 4와 관련하여 설명한 스트레인 계측 시스템의 구성 중 FBG 센서부(350)을 제외한 나머지 구성들, 즉 파장 가변 광발생기(310), 광결합기(320), 파장 보정 수단(340), 광검출기(330), 레퍼런스 FBG 및 프로세서(360)는 스트레인 계측용 모듈로 제공될 수 있다. 레퍼런스 FBG는 하중에 의한 영향을 받지 않도록 상기 모듈 내에 구비되는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 스트레인 계측용 모듈은 상기 레퍼런스 FBG와 외부 FBG 센서부와의 접속을 위한 슬롯(도시하지 않음)을 구비한다. 또한 상기 프로세서(360)가 상기 모듈 내부에 내장되지 않고 PC에 의해 구현되는 경우에는 상기 모듈은 PC와의 통신을 위한 인터페이스를 추가로 구비하게 될 것이다.
도 4와 관련하여 설명한 본 발명의 스트레인 계측 모듈 및 스트레인 계측 시스템은 파장 가변 광발생기(310)로부터 발생된 빛을 광원으로 사용하기 때문에, 레이저를 사용하는 종래의 EDFA 시스템에 비해 간섭 현상이 현저히 줄어들 뿐만 아니라 온도 의존성이 심한 콤포넌트, 즉 FP 필터(318) 및 SLD(314) 광원의 온도를 일정하게 유지함으로써 FBG 센서부(350)로부터의 반사광의 검출에 높은 정밀성 및 안정성을 기할 수 있게 된다.
이하에서는 도 4에 도시된 본 발명의 스트레인 계측 시스템을 사용하여 센서 광검출기(330)에서 검출된 반사광으로부터 반사광의 파장을 계산하는 과정에 대한 설명과, 본 발명의 파장 보정 수단(340)이 가지는 특유한 장점을 기술한다. 전술한 바와 같이, 반사광의 파장을 계산함에 있어서는 FP 필터의 비선형성에 대한 보정이 고려되어야 한다. 상기 센서 광검출기 및 광발생기 광검출기에서 검출된 광신호를 측정한 실제 실험 데이터를 참조하여 이를 설명한다.
실험에 사용된 SLD 광원은 1 ㎽의 출력을 가지며 중심 파장이 1550 ㎚, FWHM이 45 ㎚이었다. 사용된 FP 필터는 삽입 손실이 2.13 ㏈이고 FSR이 50.526 ㎚이며, 상기 FP 필터로부터 출력되는 광신호의 FWHM 56 pm이었다. 상기 FP 필터의 PZT 소자에 -10 V ~ +10 V의 전압을 0.01 V단위로 증가시켜 구동하였고, 상기 FP 필터의 구동 중 온도는 일정하게 유지하였다. FBG 센서로는 1550 nm 대역의 파장과 자체 길이 2.0 ㎝, 0.2 ㎚이하의 선폭을 가지며, 반사율은 90%이상인 것을 사용하였다. 에탈론 필터로는 100 ㎓마다 피크 파장을 투과하는 박막 필터를 사용하였는데, 삽입 손실이 1 dB이었으며, 대역 저지(band rejection) 영역에서의 손실이 -11.8 ㏈이었다.
도 5는 위 실험을 통해 에탈론 필터를 투과하여 광발생기 광검출기(345) 및 센서 광검출기(330)에서 각각 얻어진 광신호 데이터를 시간의 경과에 따라 도시한 그래프이다. 참조를 위해, FP 필터에 가해진 전압을 함께 도시하였다. 도시된 그래프에서 각 물리량은 정규화된 값이다.
도 5에서 참조 부호 S가 지시하는 파형은 레퍼런스 FBG 센서(325) 및 FBG 센서부(350)에서 반사된 광신호에 대한 것이다. 상기 파형(S)에서 첫번째 피크(S0)는 레퍼런스 FBG(325)에서의 반사광 신호이며, 이후 3개의 피크(S1 ~ S3)가 FBG 센서부(350)를 구성하는 개별 센서(FBG1, FBG2, ..., FBGn)에서의 반사광 신호를 나타내는 피크이다. 참조 부호 E가 지시하는 파형은 에탈론 필터(344)를 투과하여 검출된 파장 가변 광발생기(310)의 출력 광신호를 나타내는 것이다. 참조 번호 F는 FP 필터(318)에 가해진 구동 전압을 시간의 경과에 따라 표시한 것이다.
전술한 바와 같이, 상기 파형(S)의 첫번째 피크(S0)는 레퍼런스 FBG 센서(325)에서의 반사광을 나타내며, 이 반사광의 파장은 이미 알고 있는 값이다. 또한, 에탈론 필터(344)의 투과 특성상 파형(E)의 피크는 일정한 간격을 두고 나타나므로 상기 파형(S)의 첫번째 피크(S0)의 파장으로부터 이에 인접한 파형(E)의 피크(E1)의 파장을 알 수 있게 된다. 피크(E1)의 파장을 알게되면, 일정한 간격으로 배열된 파형(E)의 모든 피크들의 파장을 알 수 있게 된다. 이제, 파형(S)의 두번째 내지 네번째 피크들(S1 ~ S3)의 파장은, 각 피크에 인접한 파형(E)의 피크들의 파장 사이에 비례 관계가 성립한다고 가정하여 구할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 방법은 파장 보정 수단 및 광검출기의 구조와 관련하여 종래의 스트레인 계측 시스템에 비해 매우 효율적이다. 도 1과 관련하여 설명한 바와 같이, 종래의 스트레인 계측 시스템은 보상부(140)에 또 다른 광원(146)을 구비하여 광검출기(136)가 FBG 센서부(150)로부터의 반사광의 측정 용도 및 보상부(140)로부터의 광신호 측정 용도로 모두 사용되어야 했다. 이에 따라, 상기 광검출기(136)는 반사광 및 보상부 광신호를 번갈아 가며 측정해야 하였고, 결국 측정에 있어서 시간 지연의 문제를 가지고 있었다. 그러나, 본 발명에서는 에탈론 필터(344)와 보정부 광검출기(345)로 구성된 파장 보정 수단(340)을 사용함으로써 동일한 시점에 반사광 및 보정용 광신호의 측정이 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 복수의 FBG 센서부(350)를 설치하여 복수의 지점에서의 스트레인을 검출하기 위한 스트레인 계측 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6에서, 파장 가변 광발생기(310), 및 제1 광결합기(320), 파장 보상 수단(340)의 기능 및 동작은 도 4에서 설명한 것과 대동소이하다. 도 6의 시스템에서는 두 개의 FBG 센서들, 즉 FBG1 센서(FBG1 1, FBG2 1, ..., FBGn 1)와 FBG2 센서(FBG1 2, FBG2 2, ..., FBGn 2)가 센서부(350’)를 구성하고 있으며, 센서부(350’)와 상기 파장 가변 광발생기(310)를 광결합하기 위해 두 개의 제2 광결합기(322, 324)가 추가로 요구되고 있다. 또한, 두 개의 FBG 센서들의 반사광에 대한 기준 파장을 제공하기 위해 레퍼런스 FBG1 및 레퍼런스 FBG2가 각각 추가되어 있다. 물론, 상기 레퍼런스 FBG들은 반드시 FBG 센서들의 숫자에 비례하여 제공될 필요는 없고, 여러개의 FBG 센서에 대해 하나의 레퍼런스 FBG만 제공되어도 무방하다.
도 6은 본 발명의 시스템이 두 개의 상이한 지점에 FBG 센서가 설치되는 경우를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 당업자라면 세 개 이상의 FBG 센서가 설치되는 경우에도 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 적용할 수 있다는 것을 잘 알 수 있을 것이다.
도 6과 관련하여 설명한 스트레인 계측 시스템은 종래의 LED 광원 시스템과 비교할 때 특유한 장점을 갖는다. 종래의 LED 광원 시스템은 광원의 출력이 낮아 여러 지점에 FBG 센서를 설치하여 측정을 행한다는 것 자체가 불가능하였을 뿐더러 복수개의 FBG 센서를 설치하더라도 각각의 광검출기에 FP 필터가 설치되어 있어야 한다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 파장 가변 광발생기(310)를 사용하면 하나의 FP 필터를 사용하여 복수의 FBG 센서로부터의 광신호를 검출할 수가 있게 된다.
도 6에서 설명한 스트레인 계측 시스템은 센서부(350’)를 제외한 부분이 모듈로 제공될 수 있다. 이 경우에 센서부(350’)와의 접속을 위한 적절한 슬롯(도시하지 않음)이 추가될 수 있으며, 외부 PC가 상기 프로세서의 역할을 할 경우 PC와의 통신을 위한 인터페이스(도시하지 않음)가 상기 모듈 내에 제공될 수 있다.
이상, 본 발명의 스트레인 계측 시스템을 도 4 및 도 6을 참조하여 설명하였다. 전술한 과정을 통해 구해진 반사광의 파장으로부터 광섬유 센서가 겪는 실제 스트레인을 구하는 방법은 광섬유 자체의 물성에 기초하여 당업자가 손쉽게 계산할 수 있는 것이므로 이에 대해서는 설명을 생략한다.
본 발명의 스트레인 계측 모듈 및 센서 시스템은 파장 가변 광발생기를 사용함으로써 보다 단순한 구조, 낮은 제작 비용 및 높은 측정 정밀도를 갖는다.
또한 본 발명에 따르면, FP 필터의 온도를 제어할 수 있는 구성을 구비함으로써, 온도 안정성 및 측정 정밀성이 높은 스트레인 계측 모듈 및 광섬유 센서 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 SLD를 광원으로 사용함으로써 복수의 지점에 설치된 복수의 광섬유 센서로부터 스트레인 데이터를 측정하는 경우에도 적용될 수 있으며, FP 필터를 광발생기측에 설치함으로써, 수신단의 구조를 단순화할 수 있다.

Claims (18)

  1. 초발광 다이오드와, 상기 초발광 다이오드의 출력단에 캐스케이드 접속되어 상기 초발광 다이오드로부터 발생된 광대역 스펙트럼을 갖는 광을 소정 간격의 중심 파장을 갖는 이산 광신호들로 변환하는 파장 가변 패브리 페로 필터를 포함하는 파장 가변 광발생기;
    상기 파장 가변 광발생기로부터 출력되는 광신호를 입력 받아 분배하기 위한 광결합기;
    상기 광결합기를 통해 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하여 상기 패브리 페로 필터를 투과하는 파장 가변 광발생기의 광신호의 파장을 검출하기 위한 파장 보정 수단;
    상기 광결합기를 통해 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하고 하중에 따른 스트레인 변화에 대응하는 응답 신호를 송신하는 광섬유 센서;
    상기 광결합기를 통해 상기 광섬유 센서로부터의 응답 신호를 검출하는 광검출기; 및
    상기 광검출기에서 검출된 신호의 파장을 계산하는 프로세서를 포함하는 스트레인 계측 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패브리-페로 필터는 써미스터와 열전 냉각 장치를 더 구비하여 상기 패브리-페로 필터의 온도를 제어하는 것인 스트레인 계측 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 초발광 다이오드 디바이스는 써미스트와 열전 냉각 장 치를 더 구비하여 상기 초발광 다이오드의 온도를 제어하는 것인 스트레인 계측 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는 광섬유 브래그 그레이팅 센서인 것인 스트레인 계측 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광결합기와 상기 광섬유 브래그 그레이팅 센서 사이에는 상기 광섬유 브래그 그레이팅 센서의 파장 계산을 위한 기준값을 제공하기 위한 레퍼런스 광섬유 브래그 그레이팅 센서를 더 포함하는 것인 스트레인 계측 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 파장 보정 수단은 에탈론 필터와 제2 광검출기를 포함하는 것인 스트레인 계측 시스템.
  7. 초발광 다이오드와, 상기 초발광 다이오드의 출력단에 캐스케이드 접속되어 상기 초발광 다이오드로부터 발생된 광대역 스펙트럼을 갖는 광을 소정 간격의 중심 파장을 갖는 이산 광신호들로 변환하는 파장 가변 패브리 페로 필터를 포함하는 파장 가변 광발생기;
    상기 파장 가변 광발생기로부터 출력되는 광신호를 입력 받아 분배하기 위한 제1 광결합기;
    상기 제1 광결합기를 통해 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하여 상기 패브리 페로 필터를 투과하는 파장 가변 광발생기의 광신호의 파장을 검출하기 위한 파장 보정 수단;
    상기 제1 광결합기를 통과하여 출력되는 상기 파장 가변 광발생기의 광신호를 입력받아 분배하기 위한 복수의 제2 광결합기들;
    상기 복수의 제2 광결합기들에 각각 연결되어 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하고 하중에 따른 스트레인 변화에 대응하는 응답 신호를 송신하는 복수의 광섬유 센서;
    상기 복수의 제2 광결합기들에 각각 연결되어 상기 광섬유 센서로부터의 응답 신호를 검출하는 복수의 제1 광검출기; 및
    상기 복수의 제1 광검출기에서 검출된 신호의 파장을 계산하는 프로세서를 포함하는 스트레인 계측 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 패브리-페로 필터는 써미스터와 열전 냉각 장치를 더 구비하여 상기 패브리-페로 필터의 온도를 제어하는 것인 스트레인 계측 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 파장 보정 수단은 에탈론 필터와 제2 광검출기를 포함하는 것인 스트레인 계측 시스템.
  10. 외부의 광섬유 센서로부터 상기 광섬유 센서가 겪는 스트레인에 관한 신호를 검출하기 위한 스트레인 계측 모듈에 있어서,
    초발광 다이오드와, 상기 초발광 다이오드의 출력단에 캐스케이드 접속되어 상기 초발광 다이오드로부터 발생된 광대역 스펙트럼을 갖는 광을 소정 간격의 중심 파장을 갖는 이산 광신호들로 변환하는 파장 가변 패브리 페로 필터를 포함하는 파장 가변 광발생기;
    상기 파장 가변 광발생기로부터 출력되는 광신호를 입력 받아 상기 외부 광섬유 센서로 분배하기 위한 광결합기;
    상기 광결합기를 통해 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하여 상기 패브리 페로 필터를 투과하는 파장 가변 광발생기의 광신호의 파장을 검출하기 위한 파장 보정 수단;
    상기 광결합기에 연결되어, 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호에 대한 응답으로서 상기 복수의 외부 광섬유 센서로부터의 하중에 따른 스트레인 변화에 대응하는 응답 신호를 검출하는 광검출기; 및
    상기 광검출기에서 검출된 신호의 파장을 계산하는 프로세서를 포함하는 것인 스트레인 계측 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 상기 패브리-페로 필터는 써미스터와 열전 냉각 장치를 더 구비하여 상기 패브리-페로 필터의 온도를 제어하는 것인 스트레인 계측 모듈.
  12. 제10항에 있어서, 상기 초발광 다이오드 디바이스는 써미스트와 열전 냉각 장치를 더 구비하여 상기 초발광 다이오드의 온도를 제어하는 것인 스트레인 계측 모듈.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 외부의 광섬유 센서는 광섬유 브래그 그레이팅 센서인 것인 스트레인 계측 스트레인 계측 모듈.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광결합기와 상기 외부의 광섬유 브래그 그레이팅 센서 사이에는 상기 광섬유 브래그 그레이팅 센서의 파장 계산을 위한 기준값을 제공하기 위한 레퍼런스 광섬유 브래그 그레이팅 센서를 더 포함하는 것인 스트레인 계측 모듈.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 파장 보정 수단은 에탈론 필터와 제2 광검출기를 포함하는 것인 스트레인 계측 모듈.
  16. 복수의 외부 광섬유 센서로부터 상기 복수의 광섬유 센서가 겪는 스트레인에 관한 신호를 검출하기 위한 스트레인 계측 모듈에 있어서,
    초발광 다이오드와, 상기 초발광 다이오드의 출력단에 캐스케이드 접속되어 상기 초발광 다이오드로부터 발생된 광대역 스펙트럼을 갖는 광을 소정 간격의 중심 파장을 갖는 이산 광신호들로 변환하는 파장 가변 패브리 페로 필터를 포함하는 파장 가변 광발생기;
    상기 파장 가변 광발생기로부터 출력되는 광신호를 입력 받아 분배하기 위한 제1 광결합기;
    상기 제1 광결합기를 통해 상기 파장 가변 광발생기로부터의 광신호를 수신하여 상기 패브리 페로 필터를 투과하는 파장 가변 광발생기의 광신호의 파장을 검출하기 위한 파장 보정 수단;
    상기 제1 광결합기를 통과하여 출력되는 상기 파장 가변 광발생기의 광신호를 입력받아 상기 복수의 외부 광섬유 센서로 분배하기 위한 복수의 제2 광결합기;
    상기 복수의 제2 광결합기에 각각 연결되어, 상기 복수의 외부 광섬유 센서로부터의 하중에 따른 스트레인 변화에 대응하는 응답 신호를 검출하는 복수의 제1 광검출기; 및
    상기 복수의 제1 광검출기에서 검출된 신호의 파장을 계산하는 프로세서를 포함하는 스트레인 계측 모듈.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 패브리-페로 필터는 써미스터와 열전 냉각 장치를 더 구비하여 상기 패브리-페로 필터의 온도를 제어하는 것인 스트레인 계측 모듈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 파장 보정 수단은 에탈론 필터와 제2 광검출기를 포함하는 것인 스트레인 계측 모듈.
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