KR100657862B1 - 긴 길이의 광섬유 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압력이 인가되는 지점에만 장주기 격자가 형성되는 긴 길이를 가지는 광섬유 센서에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 금속 등의 단단한 물질 위에 와이어 커팅 기법을 통해 주기적으로 형성된 원형 홈이 구비된 장주기 격자와, 상기 장주기 격자의 원형 홈 상에 형성되는 단일모드 광섬유와, 상기 광섬유를 커버하는 덮개를 포함하는 광섬유 센서를 제안한다.
단일모드, 장주기 격자(LPG), 무게센서(Load sensor)
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 긴 길이의 광섬유 무게센서의 단면도.
도 2는 도 1의 광섬유 무게센서에 인가한 무게를 변화시켜 가며 측정한 투과 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프.
도 3은 도 1의 광섬유 무게센서에서 압력인가 위치에 따른 투과 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
1 : 금속 및 여러 가지 물질로 제작된 장주기 격자
2 : 덮개
3 : 단일모드 광섬유(Single Mode Fiber)
4 : 입사 광
5 : 출력 광
본 발명은 광섬유 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 금속 혹은 여러 가지 물질 위에 형성된 긴 길이의 장주기 광섬유 격자와 이를 이용한 광섬유 무게 센서에 관한 것이다.
오늘날 원거리 센서 시스템이나, 열악한 환경에서 센서 시스템으로의 응용에 광섬유 센서들이 많이 이용되고 있다. 이러한 광섬유 센서들 중에서 장주기 광섬유 격자를 이용한 광섬유 센서는 주로 검출하고자 하는 외란에 대한 특정 파장대역에서의 광 감쇠 특성을 이용하여 측정되어진다.
장주기 광섬유 격자를 형성시키기 위한 방법으로는 자외선 노광을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시키는 방법, 주기적인 미세 구부림(micro-bending)을 이용하는 방법 등이 있다. 이때, 주기적인 미세 구부림을 이용하는 방법으로는, 광섬유에 아크 방전을 이용하는 방법, 광섬유 외부에 실리콘 v홈 기판을 이용하여 압력을 가하는 방법, 광섬유 외부에 탄소봉을 이용하여 압력을 가하는 방법 등이 이용되고 있다.
여기서, 자외선 노광을 이용하여 광섬유 코어에 격자를 형성시키는 방법이나 아크방전을 이용하여 주기적인 미세 구부림을 형성시키는 방법 등으로 제작된 장주기 광섬유 격자의 경우는, 제작 공정이 복잡하고 어려울 뿐만 아니라, 한번 격자를 형성시킨 후에는 격자의 제거나 재형성이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 장주기 광섬유 격자의 전체 길이는 제작상의 문제나 원하는 특성을 얻기 위해 수 cm 정도로 매우 짧게 제작되어 진다. 따라서, 현재까지 개발된 장주기 광섬유 격자에 직접적으로 가해지는 외란을 감지하는 센서를 제작할 경우 외란 인가 범위에 큰 제한이 있게 된다.
오늘날 원거리 센서 시스템이나, 열악한 환경에서 센서 시스템으로의 응용에 광섬유 센서들이 많이 이용되고 있다. 이러한 광섬유 센서들 중에서 장주기 광섬유 격자를 이용한 광섬유 센서는 주로 검출하고자 하는 외란에 대한 특정 파장대역에서의 광 감쇠 특성을 이용하여 측정되어진다.
장주기 광섬유 격자를 형성시키기 위한 방법으로는 자외선 노광을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시키는 방법, 주기적인 미세 구부림(micro-bending)을 이용하는 방법 등이 있다. 이때, 주기적인 미세 구부림을 이용하는 방법으로는, 광섬유에 아크 방전을 이용하는 방법, 광섬유 외부에 실리콘 v홈 기판을 이용하여 압력을 가하는 방법, 광섬유 외부에 탄소봉을 이용하여 압력을 가하는 방법 등이 이용되고 있다.
여기서, 자외선 노광을 이용하여 광섬유 코어에 격자를 형성시키는 방법이나 아크방전을 이용하여 주기적인 미세 구부림을 형성시키는 방법 등으로 제작된 장주기 광섬유 격자의 경우는, 제작 공정이 복잡하고 어려울 뿐만 아니라, 한번 격자를 형성시킨 후에는 격자의 제거나 재형성이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 장주기 광섬유 격자의 전체 길이는 제작상의 문제나 원하는 특성을 얻기 위해 수 cm 정도로 매우 짧게 제작되어 진다. 따라서, 현재까지 개발된 장주기 광섬유 격자에 직접적으로 가해지는 외란을 감지하는 센서를 제작할 경우 외란 인가 범위에 큰 제한이 있게 된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 금속 또는 다른 단단한 물질의 표면에 와이어 커팅 방법을 이용하여 주기적인 원형 홈을 파서 장주기 격자를 형성하고, 그 위에 광섬유를 놓고 덮개로 포장하는 긴 길이의 하여 압력이 인가되는 지점에만 장주기 격자를 형성하는 긴 길이의 광섬유 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 통해, 기존 보다 획기적으로 긴 길이의 격자를 형성하고, 장주기 격자의 전체 길이에 대한 제약이 거의 없어 외란 인가 범위가 큰 광섬유 센서를 제공할 수 있다.
또한, 어떤 위치에 압력이 가해진다 하더라도 인가된 지점에만 장주기 광섬유 격자가 형성되기 때문에 보다 넓은 범위에서 무게를 측정할 수 있는 센서로서 활용할 수 있다.
이를 통해, 기존 보다 획기적으로 긴 길이의 격자를 형성하고, 장주기 격자의 전체 길이에 대한 제약이 거의 없어 외란 인가 범위가 큰 광섬유 센서를 제공할 수 있다.
또한, 어떤 위치에 압력이 가해진다 하더라도 인가된 지점에만 장주기 광섬유 격자가 형성되기 때문에 보다 넓은 범위에서 무게를 측정할 수 있는 센서로서 활용할 수 있다.
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상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 금속 등의 단단한 물질 위에 와이어 커팅 기법을 통해 주기적으로 형성된 원형 홈이 구비된 장주기 격자와, 상기 장주기 격자의 원형 홈 상에 형성되는 단일모드 광섬유와, 상기 광섬유를 커버하는 덮개를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 광섬유 센서는 이동물체의 무게측정을 위한 무게센서에 적용할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 긴 길이의 광섬유 센서를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 긴 길이의 광섬유 무게 센서의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 무게 센서는, 금속 등의 단단한 물질 위에 주기적으로 형성된 원형 홈이 구비된 장주기 격자(1)와, 상기 장주기 격자(1)의 원형 홈 상에 형성되는 단일모드 광섬유(3)와, 상기 광섬유(3)를 커버하는 덮개(2)를 구비한다.
이러한 광섬유 무게 센서를 제조하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 금속이나 다른 여러 가지 단단한 물질의 표면에 와이어 커팅(wire-cutting) 방법을 통해 주기적인 원형 홈을 파서 긴 길이의 장주기 격자(1)를 제작하고, 상기 장주기 격자(1) 위에 단일 모드 광섬유(3)를 고정한다. 이후, 상기 광섬유(3) 위에 덮개(2)로서 전체 부분을 둘러싸는 과정을 거쳐 긴 길이의 장주기 격자와 광섬유 무게 센서를 제작한다.
이와 같이 제조된 광섬유 무게 센서의 덮개(2) 위에 어떤 물체가 놓여지면 그 무게에 의해 단일모드 광섬유(3)에 압력이 가해진다. 이때, 단일모드 광섬유(3) 아래의 금속 또는 다른 단단한 물질의 표면에 형성된 주기적인 원형 홈에 의해 압력이 인가된 지점에만 단일모드 광섬유(3)에 주기적인 미세 구부림(micro-bending)을 발생시킨다. 이로 인해 압력인가 지점에만 광섬유(3)에 장주기 광섬유 격자가 형성되고, 특정 파장에서 광 감쇠가 발생하게 된다.
즉, 덮개(2) 위에 무게가 가해지면 압력을 받는 부분의 광섬유(3)에 미세 구부림 현상에 의한 장주기 광섬유 격자가 압력인가 지점에만 형성되고, 이에 따라 특정 파장의 광이 감쇠하는 특성을 나타내게 된다. 이때, 광이 감쇠하는 정도는 가해지는 압력의 세기에 비례하는 특성을 나타낸다. 따라서, 광의 감쇠 정도를 광 검출기를 통해 측정함으로써, 가해지는 무게를 알아낼 수 있다.
본 발명은, 장주기 격자(1)를 광섬유(3)에 직접적으로 형성시킨 것이 아니고, 광섬유 외부의 금속이나 또는 다른 단단한 물질의 표면에 원형 홈을 형성하여 압력이 가해질 때만 장주기 격자가 형성되는 것이므로, 격자가 형성된 금속 등의 길이만 길게 한다면, 매우 긴 길이에 걸쳐서 특성을 측정할 수 있다. 이처럼, 본 발명은 광섬유가 아닌 금속 혹은 다른 단단한 물질에 장주기 격자를 형성시키므로, 장주기 격자의 전체 길이에 대한 제약이 거의 없어서 외란 인가 범위가 크다.
또한, 긴 길이를 갖도록 장주기 격자 구조를 와이어 커팅 기법을 이용하여 제작하고, 상기 와이어 커팅 기법을 이용하면 1 미터 이상의 장주기 광섬유 격자를 쉽고 간단하게 제작할 수 있다.
또한, 고무 등과 같이 탄성이 있는 물질을 덮개로 사용할 경우, 광섬유에 압력이 인가되는 지역에만 장주기 광섬유 격자가 형성되므로 외란 인가 위치에 관계없이 정확하게 무게(압력)를 측정할 수 있다.
또한, 어떤 위치에 압력이 가해진다 하더라도 인가된 지점에만 장주기 광섬유 격자가 형성되기 때문에 보다 넓은 범위에서 무게를 측정할 수 있는 센서로서 활용할 수 있다.
도 2는 도 1의 광섬유 무게 센서에 인가한 무게를 변화시켜 가며 측정한 투과 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프이다.
광섬유 무게 센서에서 광이 감쇠하는 정도는 가해지는 압력의 세기에 비례하는 특성을 나타내므로, 광의 감쇠 정도를 광 검출기를 통해 측정함으로써, 가해지는 무게를 알아낼 수 있다.
따라서, 도 2와 같이, 광 감쇠가 발생하는 특정파장에서의 감쇠 정도는 광섬유(3)에 가해지는 압력(가령, 5Kg, 8Kg, 11Kg, 14Kg)에 비례하여 증가하게 되므로, 광 감쇠가 발생하는 특정파장의 광원을 입사광(4)으로 사용하여 장주기 광섬유 무게 센서를 통과한 출력 광(5)의 감쇠 정도를 측정함으로써, 센서 위에 놓여진 물체의 무게를 측정할 수 있다. 그리고, 광 감쇠가 발생하는 파장은 다음과 같은 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하게 된다.
바람직하게, 상기 광섬유 센서는 이동물체의 무게측정을 위한 무게센서에 적용할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 긴 길이의 광섬유 센서를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 긴 길이의 광섬유 무게 센서의 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 광섬유 무게 센서는, 금속 등의 단단한 물질 위에 주기적으로 형성된 원형 홈이 구비된 장주기 격자(1)와, 상기 장주기 격자(1)의 원형 홈 상에 형성되는 단일모드 광섬유(3)와, 상기 광섬유(3)를 커버하는 덮개(2)를 구비한다.
이러한 광섬유 무게 센서를 제조하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 금속이나 다른 여러 가지 단단한 물질의 표면에 와이어 커팅(wire-cutting) 방법을 통해 주기적인 원형 홈을 파서 긴 길이의 장주기 격자(1)를 제작하고, 상기 장주기 격자(1) 위에 단일 모드 광섬유(3)를 고정한다. 이후, 상기 광섬유(3) 위에 덮개(2)로서 전체 부분을 둘러싸는 과정을 거쳐 긴 길이의 장주기 격자와 광섬유 무게 센서를 제작한다.
이와 같이 제조된 광섬유 무게 센서의 덮개(2) 위에 어떤 물체가 놓여지면 그 무게에 의해 단일모드 광섬유(3)에 압력이 가해진다. 이때, 단일모드 광섬유(3) 아래의 금속 또는 다른 단단한 물질의 표면에 형성된 주기적인 원형 홈에 의해 압력이 인가된 지점에만 단일모드 광섬유(3)에 주기적인 미세 구부림(micro-bending)을 발생시킨다. 이로 인해 압력인가 지점에만 광섬유(3)에 장주기 광섬유 격자가 형성되고, 특정 파장에서 광 감쇠가 발생하게 된다.
즉, 덮개(2) 위에 무게가 가해지면 압력을 받는 부분의 광섬유(3)에 미세 구부림 현상에 의한 장주기 광섬유 격자가 압력인가 지점에만 형성되고, 이에 따라 특정 파장의 광이 감쇠하는 특성을 나타내게 된다. 이때, 광이 감쇠하는 정도는 가해지는 압력의 세기에 비례하는 특성을 나타낸다. 따라서, 광의 감쇠 정도를 광 검출기를 통해 측정함으로써, 가해지는 무게를 알아낼 수 있다.
본 발명은, 장주기 격자(1)를 광섬유(3)에 직접적으로 형성시킨 것이 아니고, 광섬유 외부의 금속이나 또는 다른 단단한 물질의 표면에 원형 홈을 형성하여 압력이 가해질 때만 장주기 격자가 형성되는 것이므로, 격자가 형성된 금속 등의 길이만 길게 한다면, 매우 긴 길이에 걸쳐서 특성을 측정할 수 있다. 이처럼, 본 발명은 광섬유가 아닌 금속 혹은 다른 단단한 물질에 장주기 격자를 형성시키므로, 장주기 격자의 전체 길이에 대한 제약이 거의 없어서 외란 인가 범위가 크다.
또한, 긴 길이를 갖도록 장주기 격자 구조를 와이어 커팅 기법을 이용하여 제작하고, 상기 와이어 커팅 기법을 이용하면 1 미터 이상의 장주기 광섬유 격자를 쉽고 간단하게 제작할 수 있다.
또한, 고무 등과 같이 탄성이 있는 물질을 덮개로 사용할 경우, 광섬유에 압력이 인가되는 지역에만 장주기 광섬유 격자가 형성되므로 외란 인가 위치에 관계없이 정확하게 무게(압력)를 측정할 수 있다.
또한, 어떤 위치에 압력이 가해진다 하더라도 인가된 지점에만 장주기 광섬유 격자가 형성되기 때문에 보다 넓은 범위에서 무게를 측정할 수 있는 센서로서 활용할 수 있다.
도 2는 도 1의 광섬유 무게 센서에 인가한 무게를 변화시켜 가며 측정한 투과 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프이다.
광섬유 무게 센서에서 광이 감쇠하는 정도는 가해지는 압력의 세기에 비례하는 특성을 나타내므로, 광의 감쇠 정도를 광 검출기를 통해 측정함으로써, 가해지는 무게를 알아낼 수 있다.
따라서, 도 2와 같이, 광 감쇠가 발생하는 특정파장에서의 감쇠 정도는 광섬유(3)에 가해지는 압력(가령, 5Kg, 8Kg, 11Kg, 14Kg)에 비례하여 증가하게 되므로, 광 감쇠가 발생하는 특정파장의 광원을 입사광(4)으로 사용하여 장주기 광섬유 무게 센서를 통과한 출력 광(5)의 감쇠 정도를 측정함으로써, 센서 위에 놓여진 물체의 무게를 측정할 수 있다. 그리고, 광 감쇠가 발생하는 파장은 다음과 같은 위상 정합 조건(phase matching condition)을 만족하게 된다.
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여기서, Λ는 장주기 광섬유 격자의 격자 주기(grating period)이고, λm은 위상정합조건을 만족하는 공진 파장(resonant wavelength)이고, ncore와 nm clad는 코어 모드와 m-th 클래딩 모드의 유효굴절률(effective refractive index)이다. 수학식(1)에서 장주기 광섬유 격자의 주기(Λ)를 조절하면, 공진 파장(λm)을 이동시킬 수 있다. 즉, 광 감쇠가 발생하는 파장을 격자 주기를 변화시킴으로써 조절가능 하기 때문에, 쉽게 구매 가능한 파장대의 광원을 입사광원으로 사용할 수가 있다.
도 3은 도 1의 광섬유 무게센서에서 압력인가 위치에 따른 투과 스펙트럼 특성을 나타낸 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 센서 위에 물체가 놓이는 위치(가령, 25cm, 50cm, 75cm)와 무관하게 같은 특성을 보여 준다. 따라서, 장주기 격자의 길이만 길게 해 준다면 보다 긴 측정 범위를 갖는 센서제작이 가능하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 센서 위에 물체가 놓이는 위치(가령, 25cm, 50cm, 75cm)와 무관하게 같은 특성을 보여 준다. 따라서, 장주기 격자의 길이만 길게 해 준다면 보다 긴 측정 범위를 갖는 센서제작이 가능하다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 무게센서는, 금속 또는 다른 단단한 물질의 표면에 주기적인 원형 홈을 파서 장주기 격자를 형성하고, 그 위에 광섬유를 놓고 덮개로 포장하여 압력이 인가되는 지점에만 장주기 격자를 형성할 수 있다.
또한, 금속 또는 다른 단단한 물질의 표면에 와이어 커팅 방법으로 장주기 격자를 제작하기 때문에 보다 간단하게 장주기 격자를 제작할 수 있으며, 장주기 격자의 전체길이는 기존의 장주기 격자 제작방법에 비해 훨씬 더 길게 제작할 수 있다.
또한, 상기 광섬유 전체를 커버하는 덮개를 형성하여, 압력이 인가되는 지점에만 장주기 광섬유 격자가 형성되기 때문에, 외란이 인가되는 지점에 무관하게 외란을 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 발명에서 제안한 장주기 광섬유 격자를 이용한 광섬유 무게 센서는 무게가 인가되는 위치와 무관하게 정확한 무게를 측정할 수 있다.
또한, 차량이 지나가는 위치는 항상 동일하지 않기 때문에 본 발명에 따른 센서를 이동차량의 무게를 측정하는 센서로 사용하면 큰 기대효과를 가져 올 수 있을 것이다.
또한, 금속 또는 다른 단단한 물질의 표면에 와이어 커팅 방법으로 장주기 격자를 제작하기 때문에 보다 간단하게 장주기 격자를 제작할 수 있으며, 장주기 격자의 전체길이는 기존의 장주기 격자 제작방법에 비해 훨씬 더 길게 제작할 수 있다.
또한, 상기 광섬유 전체를 커버하는 덮개를 형성하여, 압력이 인가되는 지점에만 장주기 광섬유 격자가 형성되기 때문에, 외란이 인가되는 지점에 무관하게 외란을 측정할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 발명에서 제안한 장주기 광섬유 격자를 이용한 광섬유 무게 센서는 무게가 인가되는 위치와 무관하게 정확한 무게를 측정할 수 있다.
또한, 차량이 지나가는 위치는 항상 동일하지 않기 때문에 본 발명에 따른 센서를 이동차량의 무게를 측정하는 센서로 사용하면 큰 기대효과를 가져 올 수 있을 것이다.
Claims (2)
- 금속 등의 단단한 물질 위에 와이어 커팅 기법을 통해 주기적으로 형성된 원형 홈이 구비된 장주기 격자와,상기 장주기 격자의 원형 홈 상에 형성되는 단일모드 광섬유와,상기 광섬유를 커버하는 덮개를 포함하는 것을 특징으로 광섬유 센서.
- 제1항에 있어서,상기 광섬유 센서는 이동물체의 무게측정을 위한 무게센서인 것을 특징으로 하는 광섬유 센서.
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