KR100666379B1 - Optical fiber Bragg grating structure and apparatus of measuring deformation of structure and method thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유격자 구조체 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 광섬유격자 구조체는 지지체와, 다수의 격자가 상호 이격되게 형성된 부분이 굴곡진 패턴으로 지지될 수 있도록 지지체에 설치된 적어도 하나의 광섬유격자를 구비한다. 이러한 광섬유격자 구조체 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 장치 및 방법에 의하면 등간격으로 격자가 형성된 광섬유격자를 구조적으로 굴곡지게 변형시켜 지지시키는 방법에 의해 측정대상체의 변형정도에 대응하는 광량의 변화를 검출하여 측정대상체에 대한 구부림, 응력, 온도 등과 같은 물리량을 산출할 수 있는 장점을 제공한다. The present invention relates to an optical fiber grating structure and a structure deformation measuring apparatus and method using the same, wherein the optical fiber grating structure is at least one installed on the support such that the support and the portion formed so that a plurality of gratings are spaced apart from each other can be supported in a curved pattern An optical fiber grid is provided. According to the optical fiber grating structure and the structure deformation measuring apparatus and method using the same, the optical fiber grating having a grating formed at equal intervals is structurally bent and supported to detect and change the amount of light corresponding to the deformation degree of the measurement object. It provides the advantage of being able to calculate physical quantities such as bending, stress, temperature, etc. for the object.
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유격자 구조체를 나타내 보인 도면이고,1 is a view showing an optical fiber grating structure according to an embodiment of the present invention,
도 2는 도 1의 광섬유격자 구조체에 인가된 스트레인에 대한 반사광의 대역폭 변화를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,FIG. 2 is a graph illustrating a result of measuring a bandwidth change of reflected light with respect to a strain applied to the optical fiber grating structure of FIG. 1,
도 3은 도 1의 광섬유 격자 구조체가 적용된 구조물 변형 측정장치의 일 예를 나타내 보인 도면이고,3 is a view illustrating an example of a structure deformation measuring apparatus to which the optical fiber grating structure of FIG. 1 is applied;
도 4는 도 1의 광섬유격자 구조체가 적용된 또 다른 실시예의 구조물 변형 측정장치를 나타내 보인 도면이고,4 is a view showing a structure deformation measuring apparatus of another embodiment to which the optical fiber grating structure of FIG. 1 is applied,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 광섬유 격자구조체를 나타내 보인 도면이고,5 is a view showing an optical fiber grating structure according to a second embodiment of the present invention,
도 6은 도 5의 광섬유 격자 구조체가 적용된 구조물 변형 측정장치의 일 예를 나타내 보인 도면이고,6 is a view illustrating an example of a structure deformation measuring apparatus to which the optical fiber grating structure of FIG. 5 is applied;
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 광섬유 격자구조체를 나타내 보인 도면이고,7 is a view showing an optical fiber grating structure according to a third embodiment of the present invention,
도 8은 본 발명의 제4실시예에 따른 광섬유 격자구조체를 나타내 보인 도면이고,8 is a view showing an optical fiber grating structure according to a fourth embodiment of the present invention,
도 9는 도 8의 광섬유 격자 구조체가 적용된 구조물 변형 측정장치를 나타내 보인 도면이다.9 is a diagram illustrating a structure deformation measuring apparatus to which the optical fiber grating structure of FIG. 8 is applied.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
11: 제1지지체 13: 제2지지체11: first support 13: second support
15: 굴곡지지 가이드부재 17: 광섬유격자15: bending support guide member 17: optical fiber lattice
본 발명은 광섬유격자 구조체 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 장치 및 방법에 관한것으로서, 상세하게는 구조가 간단하면서도 측정대상 구조체의 변형과 관련된 물리량을 측정할 수 있는 광섬유격자 구조체 및 이를 적용한 구조물 변형 측정장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber grating structure and a structure deformation measuring apparatus and method using the same, and more particularly, an optical fiber grating structure capable of measuring a physical quantity related to deformation of a structure to be measured, and a structure deformation measuring apparatus using the same, It is about a method.
광통신용 및 센서용으로 널리 이용되고 있는 광섬유격자는 광섬유에 길이 방향을 따라 상호 이격되게 다수의 격자를 새긴 것으로서, 주변온도나 인장정도에 따라 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성이 있다.Optical fiber gratings, which are widely used for optical communication and sensors, are engraved with a plurality of gratings spaced apart from each other along the longitudinal direction of the optical fiber, and the wavelength of light reflected from the grating varies depending on the ambient temperature or the degree of tension.
이러한 광섬유격자는 주변온도나 인장강도에 따라 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖기 때문에 격자의 주변온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면 광섬유의 굴절율이나 길이가 변화되 고 그에 따라 반사되는 빛의 파장이 변화된다.Since the optical fiber lattice reflects only wavelengths satisfying Bragg conditions according to ambient temperature or tensile strength, and transmits other wavelengths as it is, the refractive index or length of the optical fiber is changed when the lattice's ambient temperature is changed or tension is applied to the lattice. The wavelength of the reflected light is changed and thus changed.
이러한 광섬유격자의 특성을 이용한 광섬유격자 센서는 교량, 댐, 건축물 등의 변형을 검출하여 안전상태를 진단하거나, 항공기의 날개 상태 등을 진단하는 용도로 다양하게 응용되고 있다.The optical fiber grating sensor using the characteristics of the optical fiber grating has been widely applied to diagnose the safety state by detecting deformation of bridges, dams, buildings, etc., or to diagnose the wing state of an aircraft.
종래의 광섬유 격자를 이용한 구조물 변형측정장치는 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 분석할 수 있는 광스펙트럼 분석기를 이용하였다. 그런데 광스펙트럼 분석기는 규모가 크고 가격이 비싼 단점이 있다.The structure deformation measuring apparatus using the conventional optical fiber grating used an optical spectrum analyzer capable of analyzing the wavelength change of the light reflected from the optical fiber grating. However, the optical spectrum analyzer has the disadvantage of being large and expensive.
이러한 문제점을 개선하기 위해서 광섬유격자의 파장변화를 마하젠더 간섭계와 같은 광간섭계를 이용하여 파장변화 신호를 광의 세기변화 신호로 변환하는 기술이 시도 되고 있으나, 간섭을 이용하기 때문에 주변환경 변화에 민감하여 센서의 신뢰도를 확보하기 어려운 문제점이 있다. 그밖에도 파브리-페롯 필터(Fabry-Perot Filter), 음향광 필터(Acostic-OPtic Filter) 등과 같은 변조기를 사용하여 광의 파장 변화 신호를 전기적 세기 신호로 변환하여 측정하는 방법이 있다. 그러나 이 방법도 변조기가 추가됨으로써 시스템이 복잡해지고, 신호 변환과정에서 정보의 손실이 발생할 수 있는 단점이 있다.In order to solve this problem, a technique of converting a wavelength change signal of a fiber grating into an optical intensity change signal using an optical interferometer such as a Mach-Zehnometer interferometer has been attempted. There is a problem that it is difficult to secure the reliability of the sensor. In addition, a modulator such as a Fabry-Perot Filter and an Acostic-OPtic Filter may convert a wavelength change signal of the light into an electrical intensity signal and measure the measured signal. However, this method also has the disadvantage that the system is complicated by the addition of a modulator and loss of information may occur during signal conversion.
한편, 광섬유에 격자들 사이의 간격을 다르게 형성시킨 처핑된 광섬유격자(Chirped Fiber Bragg Grating)를 이용하여 파장변화 대신에 광의 세기를 측정하는 방법이 있으나, 처핑된 광섬유격자는 초정밀 제조기술에 의해 제조되기 때문에 제조과정이 복잡하고 고가여서 상용화하기 어려운 단점이 있다.On the other hand, there is a method of measuring the intensity of light instead of the wavelength change by using a chirped fiber bragg grating in which the gaps between the gratings are formed in the optical fiber, but the chirped fiber grating is manufactured by ultra-precision manufacturing technology. Since the manufacturing process is complicated and expensive, it is difficult to commercialize.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 상세하게는 구조가 간단하면서도 외부 요인에 의한 변화에 대응하여 광세기가 변화될 수 있는 광섬유격자 구조체 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention was devised to improve the above problems, and in detail, the optical fiber grating structure and the structure deformation measuring apparatus and method using the same can be changed in the light intensity in response to changes due to external factors in a simple structure. The purpose is to provide.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유격자 구조체는 적어도 하나의 지지체와; 다수의 격자가 상호 이격되게 형성된 부분이 굴곡진 패턴으로 지지될 수 있도록 상기 지지체에 설치된 적어도 하나의 광섬유격자;를 구비한다.In order to achieve the above object, an optical fiber grating structure according to the present invention comprises at least one support; And at least one optical fiber grating installed on the support such that a portion of the plurality of gratings spaced apart from each other may be supported in a curved pattern.
본 발명의 일 측면에 따르면 상기 지지체는 측정대상체에 고정하기 위한 제1 및 제 2지지체와; 상기 제1지지체와 상기 제2지지체 사이에 굴곡진 형상으로 결합된 굴곡지지 가이드부재;를 구비하고, 상기 광섬유격자는 상기 굴곡지지 가이드부재의 연장 패턴에 대응되게 상기 굴곡지지 가이드부재에 결합된다.According to an aspect of the invention the support includes a first and a second support for fixing to the measurement object; And a curved support guide member coupled in a curved shape between the first support and the second support, wherein the optical fiber grating is coupled to the curved support guide member to correspond to an extension pattern of the curved support guide member.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 지지체는 플렉서블한 소재로된 판형 지지체이고, 상기 광섬유격자는 상기 판형 지지체에 굴곡진 패턴으로 고정된다.According to another aspect of the invention the support is a plate-like support made of a flexible material, the optical fiber grating is fixed in a curved pattern to the plate-like support.
또한, 상기 지지체에는 복수의 물리량을 산출할 수 있도록 제1굴곡패턴으로 굴곡진 제1광섬유격자와, 상기 제1광섬유격자의 제1굴곡패턴과 다르게 제2굴곡패턴으로 굴곡진 제2광섬유격자가 상호 이격되게 설치된다.Further, the support has a first optical fiber lattice bent in a first bending pattern and a second optical fiber lattice bent in a second bending pattern different from the first bend pattern of the first optical fiber lattice to calculate a plurality of physical quantities. Installed apart from each other.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 구조물 변형 측정장치는 적어도 하나의 지지체와, 다수의 격자가 상호 이격되게 형성된 부분이 굴곡진 패턴으로 지지될 수 있도록 상기 지지체에 설치된 적어도 하나의 광섬유격자를 갖 는 광섬유 격자 구조체와; 상기 광섬유 격자로 광을 출사하는 광원과; 상기 광섬유 격자를 통과하거나 반사된 광을 검출하여 전기적 신호로 출력하는 광검출기;를 구비한다.In addition, in order to achieve the above object, the structure deformation measuring apparatus according to the present invention is at least one optical fiber and at least one optical fiber installed in the support so that the portion formed so that a plurality of gratings are separated from each other in a curved pattern An optical fiber grating structure having a grating; A light source for emitting light to the optical fiber grating; And a photo detector for detecting the light passing through the optical fiber grating or reflected and outputting the light as an electrical signal.
또한, 상기 광원으로부터 출사된 광은 상기 광섬유격자로 전송하고, 상기 광섬유격자에서 반사된 광은 상기 광검출기로 전송하는 방향성 결합기;를 더 구비할 수 있다.The light emitted from the light source may be transmitted to the optical fiber grating, and the directional coupler may transmit the light reflected from the optical fiber grating to the photodetector.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 구조물 변형 측정방법은 측정대상체에 다수의 격자가 상호 이격되게 형성된 격자형성부분이 굴곡진 패턴으로 상기 측정대상체에 대해 지지될 수 있도록 적어도 하나의 광섬유격자를 상기 측정대상체에 설치하는 단계와; 상기 광섬유격자에 광을 출사하는 단계; 및 상기 광섬유격자를 통과하거나 반사된 광의 세기를 검출하여 상기 측정대상체와 관련된 변형량을 산출하는 단계;를 포함한다.In addition, the structural deformation measuring method according to the present invention in order to achieve the above object is at least one optical fiber so that the grating forming portions formed with a plurality of gratings spaced apart from each other on the measurement object can be supported for the measurement object in a curved pattern Installing a grating on the measurement object; Emitting light to the optical fiber grid; And calculating an amount of deformation associated with the object to be measured by detecting the intensity of light passing through or reflected from the optical fiber grating.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유격자 구조체 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 장치 및 방법을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the optical fiber grating structure and structure deformation measuring apparatus and method using the same according to a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 격자 구조체를 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing an optical fiber grating structure according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 광섬유 격자 구조체(10)는 제1 및 제2지지체(11)(13)와, 굴곡지지 가이드부재(15) 및 광섬유격자(17)를 구비한다.Referring to the drawings, the optical
제1 및 제2지지체(11)(13)는 굴곡지지 가이드부재(15)를 지지한다.The first and second supports 11 and 13 support the bent
제1 및 제2지지체는 건물, 교량과 같은 측정대상체에 실리콘, 에폭시와 같은 접착제 또는 볼트 등 공지된 다양한 고정용 부재에 의해 고정된다.The first and second supports are fixed to a measuring object such as a building or a bridge by various known fixing members such as an adhesive such as silicone or epoxy or a bolt.
굴곡지지 가이드부재(15)는 굴곡진 패턴으로 형성되어 있고, 소정 거리 이격된 제1 및 제2지지체(11)(13)에 양단이 결합되어 있다.The curved
바람직하게는 굴곡지지 가이드부재(15)는 제1 및 제2지지체(11)(13)에 지지된 상태에서 굴곡진 형상을 유지하되, 온도, 스트레인과 같은 외부환경요인에 의해 민감하게 감응할 수 있는 플레서블한 소재로 형성되는 것이 바람직하다.Preferably, the curved
제1지지체(11)와 제2지지체(13) 및 굴곡지지 가이드부재(15)는 동일 소재로 일체로 형성될 수 있음은 물론이다.The
도시된 예와 다르게 굴곡지지 가이드부재(15)가 직접 설정된 굴곡패턴으로 측정대상체에 고정될 수 있음은 물론이고 이 경우 굴곡지지 가이드부재(15)가 지지체가 된다.Unlike the illustrated example, the bending
광섬유격자(17)는 굴곡지지 가이드부재(15)의 굴곡패턴을 따라 굴곡지지 가이드부재(15)에 고정되게 결합되어 있다.The
광섬유격자(17)의 굴곡지지 가이드부재(15)에 대한 고정방법은 에폭시와 같은 수지 또는 그 밖의 접착제를 이용하여 고정시킬 수 있다.The fixing method of the bending
광섬유격자(17)의 양단(17a)(17b) 중 적어도 일단은 광학적으로 타요소와 결합이 용이하도록 커넥터가 마련될 수 있음은 물론이다.At least one of both
광섬유격자(17)는 선형 광섬유에 등간격으로 격자가 새겨진 것을 굴곡지지가이드부재(15)의 굴곡패턴을 따라 강제적으로 구부려 앞서 설명된 방법에 의해 고정 시켜 굴곡패턴을 갖도록 하면 된다.The
이러한 구조의 광섬유격자 구조체(10)는 굴곡진 패턴에 의해 비선형적인 격자가 강제적으로 형성된다. In the optical
따라서, 광섬유격자 구조체(10)는 외부로부터 인가된 변형요인 예를들면 스트레인 또는 온도에 의해 격자형성부분(17a)이 위치별로 상호 다른 스트레인이 발생되고, 그에 따라 입사광에 대한 반사대역폭이 달라진다. 즉, 광섬유격자(17)가 변형될 수 있는 외부요인에 의해 반사되는 광의 세기가 변화된다. Accordingly, in the optical
이러한 굴곡 구조의 광섬유격자(17)가 외부 요인에 의해 변형될 때 반사대역폭이 가변됨을 확인하기 위한 실험결과가 도 2에 도시되어 있다. Experimental results for confirming that the reflection bandwidth is variable when the
실험은 등간격으로 격자가 새겨진 광섬유격자(17)를 제1지지체(11)와 제2지지체(13) 사이에 직선상으로 펴지도록 연장시킨 상태에서 광섬유격자(17)가 도 1에 도시된 바와 같이 사인파 형태로 굴곡지도록 압축되는 방향으로 거리를 달리하여 이동시킨 상태에서 중심파장이 1537나노미터인 광원으로부터 입사된 광에 대해 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장대역을 측정하였다. 도면에서 영문자 d로 표기된 값은 광섬유 격자(17)가 직선상태로 펴진 초기 위치에서 제2지지체(13)를 제1지지체(11)로 방향으로 미세하게 이동시켰을 때의 이동거리이다.The experiment was carried out in a state in which the
도 2를 통해 알 수 있는 바와 같이 제2지지체(13)가 제1지지체(11)쪽으로 이동시킨 거리가 증가할 수 록 수직상의 폭이 증가되는 형태의 광섬유격자(17)의 굴곡패턴 변형에 대응하여 반사광의 대역폭이 증가된다.As can be seen from FIG. 2, the deflection pattern of the
따라서, 굴곡진 광섬유격자(17)로부터 반사된 광 또는 투과광의 세기(intensity)를 측정하면 측정대상체에 대해 측정하고자 하는 물리량 예를 들면, 온도, 스트레인, 구부림, 진동 등을 측정할 수 있다.Therefore, by measuring the intensity of the reflected light or transmitted light reflected from the curved
이러한 광섬유격자구조체(10)를 이용한 구조물 변형 측정장치가 도 3에 도시되어 있다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.The structure deformation measuring apparatus using the optical
도면을 참조하면, 구조물 변형 측정장치(30)는 광원(31), 방향성 광결합기(32), 광섬유격자구조체(10) 및 광검출기(33)를 구비한다.Referring to the drawings, the structure
광원(31)은 넓은 대역의 파장의 광을 출사할 수 있는 것이 적용되는 것이 바람직하다. 일 예로서 광원(31)은 발광다이오드가 적용될 수 있다.The
방향성 광결합기(32)는 광원(31)으로부터 출사된 광을 광섬유격자구조체(10)의 광섬유격자(17)로 전송하고, 광섬유격자(17)에서 반사된 광은 광검출기(33)로 전송한다.The directional
방향성 광결합기(32)로는 옵티컬 서큘레이터(optical circulator)가 적용될 수 있다.An optical circulator may be applied to the directional
광검출기(33)는 방향성 광결합기(32)로부터 입사된 광량에 대응되는 전기적 신호를 출력한다.The
도시되지는 않았지만, 광검출기(33)에서 입사된 광량에 대응되어 전기적 신호로 출력되는 광량정보로부터 측정대상체에 대해 측정하고자 하는 변형요인에 대응한 물리량을 산출하는 변형량 산출부(미도시)가 접속되어 있다.Although not shown, a deformation amount calculation unit (not shown) that calculates a physical quantity corresponding to a deformation factor to be measured with respect to the measurement target from the light quantity information output as an electrical signal corresponding to the amount of light incident from the
변형량 산출부는 산출하고자 하는 물리량에 대응되어 광검출기(33)로부터 입 력된 신호로부터 측정대상 물리량을 산출할 수 있는 산출식 또는 룩업테이블에 기억된 레퍼런스 데이터를 이용하여 광량정보에 대응되는 변형량 예를 들면 측정대상체에 인가된 스트레인 값 또는 주변 온도를 산출한다.The deformation amount calculation unit uses a calculation formula or a reference equation stored in a look-up table for calculating a physical quantity to be measured from a signal input from the
이러한 구조물 변형 측정장치(30)는 제1지지체(11)와 제2지지체(13)를 측정대상체에 고정시키고, 광원(31)에서 출사된 후 광섬유격자구조체(10)로부터 반사되어 광검출기(33)에서 검출된 광량정보 즉 광의 세기 정보를 이용하여 측정대상체에 인가된 스트레인과 같은 변형량을 정량적으로 산출할 수 있다.The structure
한편, 도시된 예와 다르게 도 4에 도시된 바와 같이 광섬유격자구조체(10)를 투과한 광량정보를 이용하여 원하는 물리량을 측정할 수 있도록 광섬유격자구조체(10)의 양단에 광원(41)과 광검출기(43)를 각각 직렬상으로 결합할 수 있다. 이 경우 제1지지체(11)와 제2지지체(13)가 상호 압축되는 방향으로 외력이 인가될 경우 광검출기(43)에 입사되는 광량이 줄어든다.On the other hand, unlike the illustrated example, as shown in FIG. 4, the
도 5는 또 다른 구조의 광섬유격자구조체가 도시되어 있다.5 shows another optical fiber lattice structure.
도면을 참조하면, 광섬유격자구조체(50)는 판형 지지체(51)와, 판형 지지체(51)에 격자형성부분(57a)이 굴곡진 패턴으로 고정된 광섬유격자(57)를 구비한다.Referring to the drawings, the optical
판형 지지체(51)는 플렉서블한 소재로 형성되는 것이 바람직하다.The
판형 지지체(51)에 대한 광섬유격자의 고정방법은 앞서 설명된 바와 같이 격자가 등간격으로 형성된 선형 광섬유격자를 굴곡지게 외력을 가한 상태에서 판형지지체(51)에 에폭시와 같은 고정부재로 고정시키는 방법이 적용될 수 있다.The method of fixing the optical fiber grating to the plate-
이와는 다르게 판형지지체(51)에 형성하고자 하는 광섬유격자(57)의 굴곡패턴에 대응되게 수용홈 또는 삽입홀을 형성시키고, 이 수용홈 또는 삽입홀에 광섬유격자를 수납시켜 고정시켜도 된다.Alternatively, the receiving groove or the insertion hole may be formed to correspond to the bending pattern of the
이러한 광섬유격자구조체(50)는 판형 지지체(51)를 측정대상체에 결합부재를 이용하여 고정시켜 사용하면 된다.The optical
또한, 이러한 광섬유격자구조체(50)가 적용된 구조물 변형 측정장치는 도 6에 도시된 바와 같이 광원(61)과, 광검출기(63) 및 방향성 결합기(62)를 이용하여 광섬유격자구조체(50)에서 반사된 광의 광량정보를 이용하여 변형량을 산출할 수 있다. 또 다르게는 도시하지는 않았지만, 앞서 설명된 바와 같이 광섬유격자구조체(50)에서 투과된 광을 검출할 수 있도록 광원과 광출기를 광섬유격자구조체(50)에 직렬상으로 결합할 수 있음은 물론이다.In addition, the structure deformation measuring apparatus to which the optical
광섬유격자구조체의 광섬유격자의 굴곡패턴은 앞서 설명된 사인파형 외에도 도 7에 도시된 바와 같이 판형 지지체(71)에 'S'자형으로 굴곡 패턴이 형성된 광섬유격자(77)가 고정된 구조, 나선형으로 1회 꽈져 영어 소문자 'ℓ'자 형태의 구조 등 다양한 비선형 격자 패턴이 적용될 수 있음은 물론이다.The bending pattern of the optical fiber grating structure of the optical fiber grating structure has a structure in which the optical fiber grating 77 having the bend pattern formed in the 'S' shape is fixed to the plate-shaped
광섬유격자는 공지된 바와 같이 스트레인 외에도 온도에 의해서도 신축될 수 있다.The fiber grating can be stretched by temperature in addition to strain as is known.
따라서, 측정대상체의 외부환경이 온도가 가변되지 않거나, 스트레인이 가변되지 않는 경우 어느 하나의 물리적 환경요인에 의한 변형량을 앞서 설명된 하나의 굴곡진 광섬유격자를 이용하여 측정할 수 있다.Therefore, when the external environment of the object to be measured does not vary in temperature or the strain does not vary, the amount of deformation caused by any one of the physical environmental factors may be measured using one curved fiber grating described above.
이와는 다르게 온도 및 스트레인 각각에 대해서 광섬유격자가 변형될 수 있는 환경에서 각각의 물리량을 산출하기 위해서는 두개의 독립 파라미터가 필요하다.In contrast, two independent parameters are required to calculate each physical quantity in an environment in which an optical fiber lattice can be deformed for each of temperature and strain.
따라서, 이러한 환경에서 사용될 수 있도록 광섬유격자의 굴곡패턴의 구조에 따라 외부환경에 대한 반사광의 대역폭이 상호 다르게 나타나는 특성을 이용하여 형상이 다른 복수의 굴곡패턴을 갖는 복수의 광섬유격자를 이용하여 복수의 물리량을 측정할 수 있음은 물론이다.Therefore, a plurality of optical fiber gratings having a plurality of bending patterns having different shapes may be used by using a characteristic in which the bandwidth of reflected light to the external environment is different depending on the structure of the bending pattern of the optical fiber grating so that it can be used in such an environment. Of course, the physical quantity can be measured.
이러한 구조의 일 예가 도 8에 도시되어 있다.An example of such a structure is shown in FIG. 8.
도 8을 참조하면, 광섬유격자구조체(80)는 판형 지지체(81)의 상면에 사인파형 제1굴곡패턴이 형성된 제1광섬유격자(83)와 판형지지체(81)의 저면에 'S'자형 제2굴곡패턴이 형성된 제2광섬유격자(85)를 구비한다.Referring to FIG. 8, the optical
도시된 예와 다르게 동일 면상에 상호 다른 굴곡패턴을 갖는 제1광섬유격자(83) 및 제2광섬유격자(85)가 상호 이격되게 형성될 수 있음은 물론이다.Unlike the illustrated example, the first
이러한 구조의 광섬유격자구조체(80)가 적용된 구조물 변형 측정장치가 도 8에 도시되어 있다.The structure deformation measuring apparatus to which the optical
도면을 참조하면, 구조물 변형 측정장치(90)는 제1광원(91), 제1방향성 광결합기(92), 제1광검출기(93), 제2광원(96), 제2방향성 광결합기(97), 제2광검출기(98) 및 광섬유격자구조체(80)를 구비한다.Referring to the drawings, the structure
이러한 구조물 변형 측정장치(90)는 판형 지지체(80)에 인가된 동일한 외부 환경요인에 대해 제1광섬유격자(83)와 제2광섬유격자(85)의 입사광에 대한 반사광의 대역폭이 상호 다르기 때문에 제1 및 제2광검출기(93)(98)를 통해 각각 취득된 각 광섬유격자(83)(85)의 반사 광량 정보를 이용하면, 변형 원인이 온도, 스트레인 중 어느 하나에 의한 것인지 아니면 모두 다에 의한 것인지를 판단 및 산출할 수 있다.Since the structure
또한, 도 9에서 방향성 광결합기(92)(97)가 생략되고, 광검출기(93)(98)가 각 광섬유격자(83)(85)의 투과광을 검출할 수 있도록 접속될 수 있음은 물론이다.In addition, in FIG. 9, the directional
이하에서는 이러한 광섬유격자구조체를 이용한 구조체 변형측정방법을 설명한다.Hereinafter, a structure deformation measuring method using the optical fiber lattice structure will be described.
먼저, 등간격으로 격자가 형성된 광섬유격자를 측정대상체에 앞서 설명된 바와 같이 굴곡을 갖도록 접착제와 같은 고정용 소재를 이용하여 구부려 부착하거나, 앞서 도 1, 도 5, 도 7 및 도 8을 통해 설명된 광섬유격자구조체(10)(50)(70)(80)를 측정대상체에 고정되게 설치한다. 또한, 광원 및 광출기 또는 방향성 광결합기는 광섬유격자 구조체(10)(50)(70)(80)의 대응되는 단자와 미리 결합한 후 측정대상체에 고정시킬 수 도 있고, 광섬유격자구조체(10)(50)(70)(80)를 측정대상체에 고정한 후에 결합할 수도 있다.First, the optical fiber grating having a lattice formed at equal intervals is bent and attached using a fixing material such as an adhesive to have a bend as described above on the measurement object, or described above with reference to FIGS. 1, 5, 7 and 8. The optical
다음은 광섬유격자구조체(10)(50)(70)(80)의 광섬유격자(17)(57)(77)(83)(85)의 광입사단에 광을 입사시키고, 광섬유격자(17)(57)(77)(83)(85)를 통과하거나 반사된 광을 광검출기로 검출하고, 검출된 광량정보로부터 광섬유격자(17)(57)(77)(83)(85)의 변형에 대응되는 물리량 을 산출하면 된다.Next, light is incident on the light incidence ends of the
광검출기에서 출력된 전기적 신호로부터 변형량을 산출하는 방법은 앞서 설명된 바와 같이 반사광량이 선형적으로 변할 때는 산출식에 의해 비선형적으로 변할때는 변형량에 대응되어 해당 물리량이 미리 측정되어 기록된 룩업테이블을 이용하여 산출하면 된다.As described above, the method of calculating the deformation amount from the electrical signal output from the photodetector corresponds to the deformation amount when the reflected light amount changes linearly, and corresponds to the deformation amount when the nonlinearity is changed by the calculation equation. It is good to calculate by using.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유격자 구조체 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 장치 및 방법에 의하면 등간격으로 격자가 형성된 광섬유격자를 구조적으로 굴곡지게 변형시켜 지지시키는 방법에 의해 측정대상체의 변형정도에 대응하는 광량의 변화를 검출하여 측정대상체에 대한 구부림, 응력, 온도 등과 같은 물리량을 산출할 수 있는 장점을 제공한다. As described above, according to the optical fiber grating structure and the structure deformation measuring apparatus and method using the same according to the present invention, the degree of deformation of the measurement object is determined by a method of structurally bending and supporting the optical fiber grating having a grating formed at equal intervals. By detecting a change in the corresponding amount of light, it is possible to calculate a physical quantity such as bending, stress, and temperature for the measurement object.
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