KR100923106B1 - Optical fiber sensor using ultrasonic wave - Google Patents

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KR100923106B1 KR1020080092339A KR20080092339A KR100923106B1 KR 100923106 B1 KR100923106 B1 KR 100923106B1 KR 1020080092339 A KR1020080092339 A KR 1020080092339A KR 20080092339 A KR20080092339 A KR 20080092339A KR 100923106 B1 KR100923106 B1 KR 100923106B1
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electric signal
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오일권
임승현
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전남대학교산학협력단
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Abstract

PURPOSE: An optical fiber sensor using ultrasonic wave is provided to sense the signals of the ultrasonic wave independently through each channel by forming a plurality of channels. CONSTITUTION: An optical fiber sensor(100) using ultrasonic wave comprises an electric signal generator, a first piezoelectric element and a second piezoelectric element, a first optical fiber and a second optical fiber, a third piezoelectric element, and a first electric signal detector. The electric signal generator(110) generates electric signals. The first piezoelectric element(120) and the second piezoelectric element(121) are connected to the electric signal generator and generate ultrasonic waves in case of applying the electric signals. One end of the first optical fiber(130) and the second optical fiber(131) is connected to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element. The third piezoelectric element(140) is connected to the other end of the first optical fiber and the second optical fiber and generates the electric signals in case of applying the ultrasonic waves progressing along the first optical fiber and the second optical fiber. The first electric signal detector(150) is connected to the third piezoelectric element and detects the electric signals.

Description

초음파를 이용한 광섬유 센서{Optical fiber sensor using ultrasonic wave}Optical fiber sensor using ultrasonic wave}

본 발명은 초음파를 이용한 광섬유 센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 위상 또는 주파수가 다른 초음파를 인가하여 검출되는 초음파의 신호를 분석함으로써 센싱하는 광섬유 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber sensor using ultrasonic waves, and more particularly, to an optical fiber sensor for sensing by analyzing a signal of ultrasonic waves detected by applying ultrasonic waves having different phases or frequencies.

광섬유를 응용한 센서 기술은 기존에 사용하고 있는 센서에 비하여 여러 가지 장점이 있기 때문에 다양한 분야에서 폭넓게 이용되고 있다. 광섬유의 기계적 특징은 가볍고 크기가 작으며 응답속도가 빠를 뿐만 아니라, 외부의 전기적 노이즈에 대하여 독립적이며 쉽게 부식이 되지 않는다. 이와 같은 특징은 구조물의 내부에 삽입된 형태의 센서나 화학적, 생물학적 센서에 응용하기에 적합하여 큰 규모의 구조물에 삽입되어 응력이나 진동 또는 손상 등을 감지하거나, 화학물질에 대한 조성을 판별하는 등 여러 분야에 걸쳐 다양한 응용이 가능하다.Sensor technology using optical fiber is widely used in various fields because it has several advantages over existing sensors. The mechanical characteristics of the optical fiber are not only light, small and fast, but also independent of external electrical noise and are not easily corroded. This feature is suitable for application to sensors or chemical or biological sensors embedded in structures, and is inserted into large-scale structures to detect stress, vibration or damage, or to determine the composition of chemicals. Various applications are possible across the field.

이러한 광섬유센서의 기본적인 측정방식은 빛을 광섬유에 입사하여 특정 부분에 대하여 반사되는 빛의 파장의 변화를 감지한 후 그 차이를 분석함으로써 그 변화를 알아내는 방식을 사용하고 있다. The basic measurement method of the optical fiber sensor uses a method of detecting the change by detecting a change in the wavelength of light reflected by a specific part by entering light into the optical fiber and analyzing the difference.

종래의 광섬유 센서는 빛을 사용해야하는 특성상 수 ㎚의 파장변화를 감지해 야 하는바, 그만큼 짧은 파장의 신호를 감지하고 분석할 수 할 수 있는 고가의 장비가 필요하다. 또한 빛을 광섬유에 정확하게 입사시키고 반사되는 빛을 정확하게 감지하기 위해서는 장비와 감지기 간의 정밀도가 중요한바 센서를 이루는 구성요소가 복잡해지고 많은 비용이 소요된다. 예를 들어 근래에 일반적으로 사용되고 있는 FBG광섬유 센서의 경우 광섬유 자체에 센싱부를 제작하기 위하여 Bragg 격자를 광섬유에 구비하는 추가적인 공정이 필요하게 되며, EFPI 광섬유 센서의 경우 단락된 두 광섬유의 간극에 의하여 반사되는 파장의 차이를 이용하기 때문에 감지에 필요한 간극을 제작하고 그것을 유지하기 위한 장치를 추가공정이 필요하게 된다. Conventional optical fiber sensors need to detect wavelength changes of several nm due to the nature of using light, and thus, expensive equipment capable of detecting and analyzing signals having short wavelengths is needed. In addition, the precision between the equipment and the detector is important for the accurate incidence of light into the optical fiber and the accurate detection of the reflected light. The components of the sensor are complicated and expensive. For example, in the case of FBG optical fiber sensor, which is generally used in recent years, an additional process of equipping the optical fiber with a Bragg grating is needed to make a sensing part in the optical fiber itself. By taking advantage of the difference in wavelengths, additional processes are needed to create the gaps needed for sensing and to maintain them.

즉, 종래의 광섬유센서는 빛을 사용하기 때문에 특정 파장의 빛을 정확하게 만들어내야 한다는 기술적 어려움이 있을 뿐만 아니라 구비해야하는 구성요소가 많아 구성이 복잡하며 장비가 고가라는 문제점이 있다. In other words, the conventional optical fiber sensor has a technical difficulty of precisely generating light of a specific wavelength because it uses light, and there are many components that must be provided, which is complicated in configuration and expensive.

따라서, 본 발명의 목적은 초음파를 이용함으로써 구성요소가 매우 간단하며 비용도 저렴한 광섬유 센서를 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an optical fiber sensor which is very simple and inexpensive by using ultrasonic waves.

또한 본 발명의 목적은 복수 개의 채널을 구비함으로써 기준이 되는 신호가 필요하지 않으며, 각 채널의 독립적인 센싱이 가능한 광섬유 센서를 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to provide a fiber optic sensor capable of independently sensing each channel without a reference signal by having a plurality of channels.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광섬유 센서에 있어서, 전기신호를 발생하는 전기신호 발생기; 상기 전기신호 발생기에 각각 연결되어 전기신호가 가해지면 초음파를 발생시키는 제1압전소자 및 제2압전소자; 상기 제1 압전소자 및 상기 제2압전소자 각각에 일단부가 연결되는 제1광섬유 및 제2광섬유; 상기 제1광섬유 및 제2광섬유 각 타단부에 연결되어 상기 제1광섬유 및 제2광섬유를 따라 진행한 초음파가 가해지면 전기신호를 발생시키는 제3압전소자; 및 상기 제3압전소자에 연결되어 발생한 전기신호를 검출하는 제1전기신호 검출기;를 포함하며, 상기 전기신호 발생기에서 발생되어 상기 제1압전소자 및 상기 제2압전소자에 가해지는 전기신호는 서로 180°의 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 광섬 유 센서를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides an optical fiber sensor comprising: an electric signal generator for generating an electric signal; A first piezoelectric element and a second piezoelectric element connected to each of the electric signal generators to generate ultrasonic waves when an electric signal is applied thereto; First and second optical fibers having one end connected to each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element; A third piezoelectric element connected to each other end of the first optical fiber and the second optical fiber to generate an electric signal when ultrasonic waves propagated along the first optical fiber and the second optical fiber are applied; And a first electrical signal detector connected to the third piezoelectric element, the first electrical signal detector detecting an electrical signal generated and applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element. Provided is an optical fiber sensor using ultrasonic waves, characterized by having a phase difference of 180 °.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 초음파를 이용한 광섬유 센서는 상기 제1압전소자에 연결되어 상기 제1압전소자에서 발생한 전기신호를 검출하는 제2전기신호 검출기; 및 상기 제2압전소자에 연결되어 상기 제2압전소자에서 발생한 전기신호를 검출하는 제3전기신호 검출기;를 더 포함한다.In an exemplary embodiment, the optical fiber sensor using the ultrasonic wave may include: a second electrical signal detector connected to the first piezoelectric element to detect an electrical signal generated from the first piezoelectric element; And a third electrical signal detector connected to the second piezoelectric element to detect an electrical signal generated by the second piezoelectric element.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 광섬유 센서에 있어서, 전기신호를 발생하는 전기신호 발생기; 상기 전기신호 발생기에 각각 연결되어 전기신호가 가해지면 초음파를 발생시키는 복수 개의 압전소자; 상기 복수 개의 압전소자 각각에 일단부가 연결되는 광섬유; 상기 광섬유의 각 타단부에 연결되어 상기 광섬유들을 따라 진행한 초음파가 가해지면 전기신호를 발생시키는 제4압전소자; 및 상기 제4압전소자에 연결되어 발생한 전기신호를 검출하는 제1전기신호 검출기;를 포함하며, 상기 전기신호 발생기에서 발생되어 상기 복수 개의 압전소자에 각각 가해지는 전기신호는 서로 주파수가 다른 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 광섬유 센서를 제공한다.In addition, the present invention to achieve the above object, the optical fiber sensor, the electrical signal generator for generating an electrical signal; A plurality of piezoelectric elements connected to the electric signal generators to generate ultrasonic waves when an electric signal is applied; An optical fiber having one end connected to each of the plurality of piezoelectric elements; A fourth piezoelectric element connected to each other end of the optical fiber and generating an electric signal when ultrasonic waves propagated along the optical fibers are applied; And a first electrical signal detector connected to the fourth piezoelectric element to detect an electrical signal generated, wherein the electrical signals generated by the electrical signal generator and applied to the plurality of piezoelectric elements are different in frequency from each other. An optical fiber sensor using an ultrasonic wave is provided.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 초음파를 이용한 광섬유 센서는 상기 복수 개의 압전소자에 각각 연결되어 상기 복수 개의 압전소자에서 발생한 전기신호를 검출하는 제2전기신호 검출기들;을 더 포함한다.In an exemplary embodiment, the optical fiber sensor using ultrasonic waves may further include second electrical signal detectors connected to the plurality of piezoelectric elements to detect electrical signals generated from the plurality of piezoelectric elements.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.The present invention has the following excellent effects.

본 발명의 초음파를 이용한 광섬유 센서는 특정 파장의 빛을 만들어내는 장 치나 빛 변환장치 등을 구비할 필요가 없어 구성이 매우 간단할 뿐만 아니라, 비용도 매우 저렴하다는 효과가 있다.The optical fiber sensor using the ultrasonic wave of the present invention does not need to include a device for generating light of a specific wavelength or a light conversion device, so that the configuration is very simple and the cost is very low.

또한 본 발명의 초음파를 이용한 광섬유 기체감지센서는 복수 개의 채널을 구비함으로써 기준이 되는 신호가 필요하지 않으며, 각 채널의 독립적인 센싱이 가능하다.In addition, the optical fiber gas sensor using the ultrasonic wave of the present invention does not require a reference signal by providing a plurality of channels, it is possible to independently sense each channel.

또한 본 발명의 초음파를 이용한 광섬유 센서는 센싱된 위치를 판단할 수 있다.In addition, the optical fiber sensor using the ultrasonic wave of the present invention may determine the sensed position.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.The terms used in the present invention were selected as general terms as widely used as possible, but in some cases, the terms arbitrarily selected by the applicant are included. In this case, the meanings described or used in the detailed description of the present invention are considered, rather than simply the names of the terms. The meaning should be grasped.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments will be described in detail the technical configuration of the present invention.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like numbers refer to like elements throughout the specification.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서의 개략도이며, 도 2는 두 개의 독립 채널에 180°의 위상차를 갖는 전기신호를 인가하였을시 검출되는 신호의 결과그래프이다.1 is a schematic diagram of an optical fiber sensor using ultrasonic waves according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a result graph of signals detected when an electric signal having a phase difference of 180 ° is applied to two independent channels.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(100)는 전기신호발생기(110), 제1압전소자(120), 제2압전소자(121), 제1광섬유(130), 제2광섬유(131), 제3압전소자(140) 및 제1전기신호검출기(150)로 구성되어 있으며, 초음파를 이용하여 센싱하는 센서이다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(100)는 독립된 두 개의 채널을 구비하고 있다.1, the optical fiber sensor 100 using ultrasonic waves according to the first embodiment of the present invention is an electric signal generator 110, the first piezoelectric element 120, the second piezoelectric element 121, the first optical fiber 130, the second optical fiber 131, the third piezoelectric element 140, and the first electrical signal detector 150, which are sensors that sense by using ultrasonic waves. The optical fiber sensor 100 using ultrasonic waves according to the first embodiment of the present invention has two independent channels.

상기 전기신호발생기(110)는 전기신호를 발생시키며, 각각 연결된 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(121)에 전기신호를 전달한다. The electrical signal generator 110 generates an electrical signal, and transmits an electrical signal to the first piezoelectric element 120 and the second piezoelectric element 121, respectively.

상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(121)는 전기신호를 전달받으면 각각 초음파를 발생시킨다.The first piezoelectric element 120 and the second piezoelectric element 121 generate ultrasonic waves when they receive an electric signal.

상기 제1광섬유(130)는 일단부가 상기 제1압전소자(120)에 연결되어 있고, 타단부가 상기 제3압전소자(140)에 연결되어 있으며, 상기 제2광섬유(131)는 일단부가 상기 제2압전소자(121)에 연결되어 있고, 타단부가 상기 제3압전소자(140)에 연결되어 있다. 따라서, 상기 제1압전소자(120)에서 발생한 초음파는 상기 제1광섬유(130)를 따라 진행하여 타단부에 연결된 상기 제3압전소자(140)에 도달하며, 상기 제2압전소자(121)에서 발생한 초음파는 상기 제2광섬유(131)를 따라 진행하여 타단부에 연결된 상기 제3압전소자(140)에 도달한다. One end of the first optical fiber 130 is connected to the first piezoelectric element 120, the other end is connected to the third piezoelectric element 140, and one end of the second optical fiber 131 is It is connected to the second piezoelectric element 121, the other end is connected to the third piezoelectric element 140. Therefore, the ultrasonic waves generated by the first piezoelectric element 120 travel along the first optical fiber 130 to reach the third piezoelectric element 140 connected to the other end, and the second piezoelectric element 121 The generated ultrasonic waves travel along the second optical fiber 131 to reach the third piezoelectric element 140 connected to the other end.

상기 제3압전소자(140)에 도달한 초음파는 전기신호로 다시 바뀌게 되고, 전기신호는 연결된 제1전기신호검출기(150)에 의하여 검출된다. The ultrasonic waves that reach the third piezoelectric element 140 are converted into electrical signals again, and the electrical signals are detected by the first electrical signal detector 150 connected thereto.

상기 압전소자들은 전기신호를 전달받으면 초음파를 발생시키고, 초음파를 전달받으면 전기신호를 발생시키는 소자들로서, 압전 세라믹 등 다양한 재료를 이 용하여 제작할 수 있다.The piezoelectric elements generate ultrasonic waves when an electric signal is received, and generate electric signals when the ultrasonic signal is received, and may be manufactured using various materials such as piezoelectric ceramics.

이때 본 발명의 제1 실시예에서는 상기 전기신호발생기(110)에서 발생되어 상기 제1압전소자(120) 및 제2압전소자(121)에서 전달되는 전기신호들은 서로 180°의 위상차를 갖도록 한다. 서로 반대 위상을 갖는 전기신호는 초음파 신호로 바뀌어 상기 제1광섬유(130) 및 상기 제2광섬유(131)를 따라 진행하여 상기 제3압전소자(140)에 도달하게 되며, 상기 제3압전소자(140)에 의해 바뀌는 전기신호는 상기 제1전기신호검출기(150)에 의하여 검출된다. 만약 상기 제1광섬유(130) 및 제2광섬유(131)에 어떠한 압력이나 자극 등의 변화가 없었다면, 상기 제3압전소자(140)에 의해 바뀌는 전기신호는 서로 180°의 위상차를 갖기 때문에 상기 제1전기신호검출기(150)에 의하여 검출되는 신호는 0이 된다. 이는 중첩효과에 의한 상쇄가 발생하기 때문이다.At this time, in the first embodiment of the present invention, the electrical signals generated by the electrical signal generator 110 and transmitted from the first piezoelectric element 120 and the second piezoelectric element 121 have a phase difference of 180 °. The electrical signals having opposite phases are converted into ultrasonic signals to travel along the first optical fiber 130 and the second optical fiber 131 to reach the third piezoelectric element 140, and the third piezoelectric element ( The electrical signal changed by 140 is detected by the first electrical signal detector 150. If the first optical fiber 130 and the second optical fiber 131 have no change in pressure or stimulus, the electrical signals changed by the third piezoelectric element 140 have a phase difference of 180 ° with each other. 1 The signal detected by the electrical signal detector 150 is zero. This is because offset due to the overlapping effect occurs.

도 2를 참조하면, 인가되는 전기신호의 위상차가 같으면 그 크기가 배가 되지만, 인가되는 전기신호의 위상차가 180°이고 초음파의 변화에 따른 전기신호의 변화가 없다면 검출되는 신호가 0이 됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 2, if the phase difference of the applied electric signal is the same, the magnitude is doubled. However, if the phase difference of the applied electric signal is 180 ° and there is no change in the electric signal according to the change of the ultrasonic wave, the detected signal is zero. have.

한편, 독립된 두 채널 중 어느 한 채널에 압력이나 자극 등의 변화가 발생한다면, 상기 제1광섬유(130) 또는 상기 제2광섬유(131)에 변화가 발생하게 되어 변화가 발생한 광섬유를 따라 진행하는 초음파의 크기가 작아지게 되며, 전기신호의 위상도 달라지게 된다. 따라서 상기 제3압전소자(140)에 의해 바뀌는 전기신호들은 서로 180°의 위상차를 갖지 않기 때문에 상기 제1전기신호검출기(150)에는 신호가 검출되게 된다. 이어서 독립된 두 채널 각각에 초음파를 다시 보내어 검출되는 신 호를 비교하면 어느 채널에서 센싱이 되었는지를 판단할 수 있다.On the other hand, if a change in pressure or stimulation, such as one of the two independent channels, the first optical fiber 130 or the second optical fiber 131 is a change occurs in the ultrasonic wave proceeds along the changed optical fiber The size of the becomes smaller and the phase of the electric signal is also changed. Therefore, since the electrical signals changed by the third piezoelectric element 140 do not have a phase difference of 180 ° with each other, the signal is detected by the first electrical signal detector 150. Subsequently, ultrasonic waves are sent back to each of the two independent channels to compare the detected signals to determine which channels are sensed.

즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(100)는 센싱을 위한 레퍼런스(reference)신호가 필요하지 않으며, 두 채널 각각 독립적으로 센싱을 수행할 수 있다.That is, the optical fiber sensor 100 using ultrasonic waves according to the first embodiment of the present invention does not need a reference signal for sensing, and may sense each of two channels independently.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서의 개략도이다.3 is a schematic diagram of an optical fiber sensor using ultrasonic waves according to a second embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 기체감지센서(200)는 전기신호발생기(110), 제1압전소자(120), 제2압전소자(121), 제1광섬유(130), 제2광섬유(131), 제3압전소자(140) 및 제1전기신호검출기(150)로 구성되어 있으며, 초음파를 이용하여 센싱하는 센서이다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(200)는 독립된 두 개의 채널을 구비하고 있다.3, the optical fiber gas sensor 200 using ultrasonic waves according to the second embodiment of the present invention is an electric signal generator 110, the first piezoelectric element 120, the second piezoelectric element 121, the first It is composed of the first optical fiber 130, the second optical fiber 131, the third piezoelectric element 140 and the first electrical signal detector 150, it is a sensor for sensing by using ultrasonic waves. The optical fiber sensor 200 using ultrasonic waves according to the second embodiment of the present invention has two independent channels.

즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(200) 역시 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(100)와 마찬가지로 180°의 위상차를 갖는 전기신호들의 변화를 통하여 상기 광섬유(130) 주변의 변화를 센싱할 수 있다. That is, the optical fiber sensor 200 using the ultrasonic wave according to the second embodiment of the present invention also changes the electrical signals having a phase difference of 180 ° like the optical fiber sensor 100 using the ultrasonic wave according to the first embodiment of the present invention. The change around the optical fiber 130 may be sensed.

한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(200)는 상기 제1압전소자(120)에 연결되어 상기 제1압전소자(120)에서 발생한 전기신호를 검출하는 제2전기신호 검출기(251) 및 상기 제2압전소자(121)에 연결되어 상기 제2압전소자(121)에서 발생한 전기신호를 검출하는 제3전기신호 검출기(252)를 더 포함하고 있다.On the other hand, the optical fiber sensor 200 using the ultrasonic wave according to the second embodiment of the present invention is connected to the first piezoelectric element 120, the second electrical signal for detecting the electrical signal generated in the first piezoelectric element 120 And a third electrical signal detector 252 connected to the detector 251 and the second piezoelectric element 121 to detect an electrical signal generated by the second piezoelectric element 121.

즉, 상기 제1광섬유(130) 또는 제2광섬유(131)에 압력이나 자극 등의 변화가 발생하게 되면, 상기 제1광섬유(130) 또는 제2광섬유(131)를 따라 진행하던 초음파는 그 진행이 방해되며, 진행방향 그대로 진행하기도 하지만 그 자리에서 반사되어 되돌아오기도 한다. 반사되어 되돌아온 초음파는 상기 제1압전소자(120) 또는 제2압전소자(121)에 의해 전기신호 변환되며, 변환된 전기신호는 상기 제2전기신호검출기(251) 및 제3전기신호검출기(252)에 의하여 검출된다.That is, when a change in pressure or stimulus occurs in the first optical fiber 130 or the second optical fiber 131, the ultrasonic waves traveling along the first optical fiber 130 or the second optical fiber 131 progress. It is obstructed and progresses as it is, but sometimes it returns from the spot. The reflected ultrasonic waves are converted into electrical signals by the first piezoelectric element 120 or the second piezoelectric element 121, and the converted electrical signals are the second electrical signal detector 251 and the third electrical signal detector 252. ) Is detected.

여기서, 초음파의 속도는 계산을 통하여 구할 수 있고, 반사되어 되돌아온 초음파의 시간은 측정가능하므로, 초음파의 속도와 되돌아온 초음파의 시간을 통해 변화가 발생한 부분의 위치를 파악할 수 있다. Here, the speed of the ultrasonic waves can be obtained through calculation, and since the time of the reflected ultrasonic waves can be measured, the position of the portion where the change occurs can be determined by the speed of the ultrasonic waves and the time of the returned ultrasonic waves.

즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(200)는 위상차를 이용한 광섬유 주변 변화의 센싱 및 위치까지 파악할 수 있는 센서이다.That is, the optical fiber sensor 200 using ultrasonic waves according to the second exemplary embodiment of the present invention is a sensor that can detect the sensing and the position of the change around the optical fiber using the phase difference.

상술한 것을 제외하고는 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(100)와 동일하다.Except for the above, it is the same as the optical fiber sensor 100 using ultrasonic waves according to the first embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서의 개략도이며, 도 5 및 도 6은 세 개의 독립 채널에 각각 다른 주파수의 신호를 인가하였을 시 나타나는 신호의 결과그래프이다.4 is a schematic diagram of an optical fiber sensor using ultrasonic waves according to a third exemplary embodiment of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are graphs showing the results of signals generated when signals having different frequencies are applied to three independent channels.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 기체감지센서(300)는 전기신호발생기(310), 복수 개의 압전소자(320, 321, 322), 복수 개의 광섬유(330, 331, 332), 제4압전소자(340), 제1전기신호검출기(350) 및 신호처리기(360)로 구성되어 있으며, 초음파를 이용하여 센싱하는 센서이다. 본 발명 의 제3 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(100)는 독립된 세 개의 채널을 구비하고 있다.4, the optical fiber gas sensor 300 using ultrasonic waves according to the third embodiment of the present invention includes an electric signal generator 310, a plurality of piezoelectric elements 320, 321, and 322, and a plurality of optical fibers 330. , 331, 332, a fourth piezoelectric element 340, a first electric signal detector 350, and a signal processor 360, and are sensors that sense using ultrasonic waves. The optical fiber sensor 100 using ultrasonic waves according to the third embodiment of the present invention has three independent channels.

압전소자 및 광섬유를 포함하는 독립된 채널은 필요한 개수만큼 구비될 수 있으며, 본 발명의 제3 실시예에서는 세 개의 독립된 채널이 구비된 것을 예를 들었다. 상기 전기신호발생기(310), 상기 압전소자(320, 321, 322), 상기 광섬유(330, 331, 332), 상기 제4압전소자(340) 및 상기 제1전기신호검출기(350)의 구조 및 작용은 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.The number of independent channels including the piezoelectric element and the optical fiber may be provided as necessary, and in the third embodiment of the present invention, three independent channels are provided. The electrical signal generator 310, the piezoelectric elements 320, 321, and 322, the optical fibers 330, 331, and 332, the fourth piezoelectric element 340, and the first electrical signal detector 350; Since the operation is the same as the first embodiment of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

이때, 본 발명의 제3 실시예에서는 상기 전기신호발생기(310)에서 발생되어 상기 복수 개의 압전소자(320, 321, 322)에 전달되는 전기신호들은 서로 다른 주파수를 갖도록 한다. At this time, in the third embodiment of the present invention, the electrical signals generated by the electrical signal generator 310 and transmitted to the plurality of piezoelectric elements 320, 321, and 322 have different frequencies.

서로 다른 주파수를 갖는 전기신호는 초음파 신호로 바뀌어 각각의 광섬유(330, 331, 332)를 따라 진행하여 상기 제4압전소자(340)에 도달하게 되고, 상기 제4압전소자(340)에 의해 바뀌는 전기신호는 상기 제1전기신호검출기(350)에 의하여 검출되며, 검출된 전기신호는 상기 신호처리기(360)전달되어 FFT(Fast Fourier Transform)연산을 통하여 주파수 측면에서 검토된다. 상기 신호처리기(360)를 통과한 신호는 상기 전기신호발생기(310)에서 인가한 3개의 특정주파수의 성분을 가지는 신호로 검출이 된다.The electrical signals having different frequencies are converted into ultrasonic signals to travel along the respective optical fibers 330, 331, and 332 to reach the fourth piezoelectric element 340, and are changed by the fourth piezoelectric element 340. The electrical signal is detected by the first electrical signal detector 350, and the detected electrical signal is transmitted to the signal processor 360 and examined in terms of frequency through fast fourier transform (FFT) operation. The signal passing through the signal processor 360 is detected as a signal having three specific frequency components applied by the electric signal generator 310.

즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광섬유 센서(300)가 특정 대상체에 설치되어 있는 경우, 복수 개의 독립 채널에 구비된 광섬유 중 특정 광섬유에 대하여 압력 또는 자극 등 주위의 환경 변화로 인한 신호의 변화가 생기게 되면, 상기 신호 처리기(360)에서 처리되는 신호는 변화가 발생한 광섬유에 인가된 특정 주파수 성분만 변화하게 되므로 여러 독립 채널에 구비된 광섬유 중 어떤 독립 채널에서 변화가 발생하였는지를 판단할 수 있다. That is, when the optical fiber sensor 300 according to the third embodiment of the present invention is installed in a specific object, the signal due to environmental changes such as pressure or stimulus with respect to a specific optical fiber among optical fibers provided in a plurality of independent channels When a change occurs, the signal processed by the signal processor 360 changes only a specific frequency component applied to the changed fiber, so that it is possible to determine which independent channel among the optical fibers provided in the multiple independent channels. .

도 5를 참조하면, 세 개의 독립 채널의 각 광섬유에 각각 다른 주파수의 신호를 인가하였으나 각각의 광섬유에 변화가 발생하지 않았기 때문에 세 개의 신호가 모두 감쇠되지 않고 검출됨을 알 수 있다. 각각의 독립 채널은 낮은 주파수의 독립 채널부터 연결되어 있다.Referring to FIG. 5, it can be seen that all three signals are detected without being attenuated because signals of different frequencies are applied to each optical fiber of three independent channels, but no change occurs in each optical fiber. Each independent channel is connected from a low frequency independent channel.

도 6은 도 5와 같은 광섬유 센서에 있어서, 위에서부터 물을 흘려보내 각각 낮은 주파수의 독립 채널부터 물에 의하여 접촉되도록 하였을 경우 나타나는 결과 그래프이다. 즉, 물이 독립 채널의 광섬유에 접촉하게 되면 그 독립 채널의 초음파 신호는 물에 의하여 흡수되어 감쇠하게 되며, 낮은 주파수의 독립 채널부터 물에 접촉하므로 도 6의 (a), (b), (c) 그래프에서 보이는 바와 같이 순서대로 낮은 주파수의 신호부터 감쇠하여 사리지게 되는 것을 알 수 있다.FIG. 6 is a graph showing results when the optical fiber sensor shown in FIG. 5 is contacted by water from independent channels of low frequency by flowing water from above. That is, when the water comes into contact with the optical fiber of the independent channel, the ultrasonic signal of the independent channel is absorbed and attenuated by the water. c) As shown in the graph, it can be seen that in order to attenuate the low frequency signals.

즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(100) 역시 센싱을 위한 레퍼런스(reference)신호가 필요하지 않으며, 세 채널 각각 독립적으로 센싱을 수행할 수 있다.That is, the optical fiber sensor 100 using ultrasonic waves according to the third embodiment of the present invention also does not need a reference signal for sensing, and each of three channels may be independently sensed.

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서의 개략도이다.7 is a schematic diagram of an optical fiber sensor using ultrasonic waves according to a fourth embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 기체감지센서(400)는 전기신호발생기(310), 복수 개의 압전소자(320, 321, 322), 복 수 개의 광섬유(330, 331, 332), 제4압전소자(340), 제1전기신호검출기(350), 신호처리기(360) 및 제2전기신호 검출기(451)들로 구성되어 있다.Referring to FIG. 7, the optical fiber gas sensor 400 using ultrasonic waves according to the fourth embodiment of the present invention includes an electric signal generator 310, a plurality of piezoelectric elements 320, 321, and 322, and a plurality of optical fibers ( 330, 331, and 332, a fourth piezoelectric element 340, a first electrical signal detector 350, a signal processor 360, and a second electrical signal detector 451.

즉, 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(400) 역시 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(300)와 마찬가지로 서로 다른 주파수를 갖는 전기신호들의 변화를 통하여 상기 광섬유(330, 331, 332) 주변의 변화를 센싱할 수 있다. That is, the optical fiber sensor 400 using the ultrasonic wave according to the fourth embodiment of the present invention also changes the electrical signals having different frequencies as the optical fiber sensor 300 using the ultrasonic wave according to the third embodiment of the present invention. The change around the optical fibers 330, 331, and 332 may be sensed.

한편, 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(400)는 상기 복수 개의 압전소자(320, 321, 322)에 각각 연결되어 발생한 전기신호를 검출하는 제2전기신호 검출기(451)들을 더 포함하고 있다.On the other hand, the optical fiber sensor 400 using the ultrasonic wave according to the fourth embodiment of the present invention is a second electrical signal detector 451 for detecting electrical signals generated by being connected to the plurality of piezoelectric elements (320, 321, 322), respectively. It contains more.

즉, 상기 제1광섬유(130) 또는 제2광섬유(131)에 압력이나 자극 등의 변화가 발생하게 되면, 상기 광섬유(330, 331, 332)를 따라 진행하던 초음파는 그 진행이 방해되며, 진행방향 그대로 진행하기도 하지만 그 자리에서 반사되어 되돌아오기도 한다. 반사되어 되돌아온 초음파는 상기 각각의 압전소자(320, 321, 322)에 의해 전기신호 변환되며, 변환된 전기신호는 상기 각각의 제2전기신호검출기(451)들에 의하여 검출된다.That is, when a change in pressure or stimulus occurs in the first optical fiber 130 or the second optical fiber 131, the ultrasonic waves traveling along the optical fibers 330, 331, and 332 are hindered in their progress. It may proceed in the same direction, but may also bounce back. The reflected ultrasonic waves are converted into electrical signals by the respective piezoelectric elements 320, 321, and 322, and the converted electrical signals are detected by the respective second electrical signal detectors 451.

여기서, 초음파의 속도는 계산을 통하여 구할 수 있고, 반사되어 되돌아온 초음파의 시간은 측정가능하므로, 초음파의 속도와 되돌아온 초음파의 시간을 통해 변화가 발생한 부분의 위치를 파악할 수 있다. Here, the speed of the ultrasonic waves can be obtained through calculation, and since the time of the reflected ultrasonic waves can be measured, the position of the portion where the change occurs can be determined by the speed of the ultrasonic waves and the time of the returned ultrasonic waves.

즉, 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(400)는 주파수의 변화를 통한 광섬유 주변 변화의 센싱 및 위치까지 파악할 수 있는 센서이다.That is, the optical fiber sensor 400 using ultrasonic waves according to the fourth exemplary embodiment of the present invention is a sensor capable of detecting the position and the sensing of the peripheral change of the optical fiber through the change of frequency.

상술한 것을 제외하고는 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서(300)와 동일하다.Except for the above, it is the same as the optical fiber sensor 300 using the ultrasonic wave according to the third embodiment of the present invention.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.As described above, the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments, but is not limited to the above-described embodiments, and is provided to those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be possible.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서의 개략도,1 is a schematic diagram of an optical fiber sensor using ultrasonic waves according to a first embodiment of the present invention;

도 2는 두 개의 독립 채널에 180°의 위상차를 갖는 전기신호를 인가하였을시 검출되는 신호의 결과그래프,2 is a result graph of a signal detected when an electric signal having a phase difference of 180 ° is applied to two independent channels;

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서의 개략도,3 is a schematic diagram of an optical fiber sensor using ultrasonic waves according to a second embodiment of the present invention;

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서의 개략도,4 is a schematic diagram of an optical fiber sensor using ultrasonic waves according to a third embodiment of the present invention;

도 5 및 도 6은 세 개의 독립 채널에 각각 다른 주파수의 신호를 인가하였을 시 나타나는 신호의 결과그래프,5 and 6 are graphs of the results of the signals appearing when signals of different frequencies are respectively applied to three independent channels;

도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 초음파를 이용한 광섬유 센서의 개략도이다.7 is a schematic diagram of an optical fiber sensor using ultrasonic waves according to a fourth embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100, 200, 300, 400 : 초음파를 이용한 광섬유 센서100, 200, 300, 400: fiber optic sensor using ultrasonic waves

110 : 전기신호발생기 120 : 제1압전센서110: electrical signal generator 120: first piezoelectric sensor

121 : 제2압전센서 130 : 제1광섬유121: second piezoelectric sensor 130: first optical fiber

131 : 제2광섬유 140 : 제3압전소자131: second optical fiber 140: third piezoelectric element

150 : 제1전기신호검출기 150: first electrical signal detector

Claims (4)

광섬유 센서에 있어서,In the optical fiber sensor, 전기신호를 발생하는 전기신호 발생기;An electrical signal generator for generating an electrical signal; 상기 전기신호 발생기에 각각 연결되어 전기신호가 가해지면 초음파를 발생시키는 제1압전소자 및 제2압전소자;A first piezoelectric element and a second piezoelectric element connected to each of the electric signal generators to generate ultrasonic waves when an electric signal is applied thereto; 상기 제1 압전소자 및 상기 제2압전소자 각각에 일단부가 연결되는 제1광섬유 및 제2광섬유;First and second optical fibers having one end connected to each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element; 상기 제1광섬유 및 제2광섬유 각 타단부에 연결되어 상기 제1광섬유 및 제2광섬유를 따라 진행한 초음파가 가해지면 전기신호를 발생시키는 제3압전소자; 및A third piezoelectric element connected to each other end of the first optical fiber and the second optical fiber to generate an electric signal when ultrasonic waves propagated along the first optical fiber and the second optical fiber are applied; And 상기 제3압전소자에 연결되어 발생한 전기신호를 검출하는 제1전기신호 검출기;를 포함하며,And a first electrical signal detector connected to the third piezoelectric element to detect an electrical signal generated. 상기 전기신호 발생기에서 발생되어 상기 제1압전소자 및 상기 제2압전소자에 가해지는 전기신호는 서로 180°의 위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 광섬유 센서.And an electrical signal generated by the electrical signal generator and applied to the first piezoelectric element and the second piezoelectric element to have a phase difference of 180 ° from each other. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1압전소자에 연결되어 상기 제1압전소자에서 발생한 전기신호를 검출하는 제2전기신호 검출기; 및A second electrical signal detector connected to the first piezoelectric element to detect an electrical signal generated by the first piezoelectric element; And 상기 제2압전소자에 연결되어 상기 제2압전소자에서 발생한 전기신호를 검출 하는 제3전기신호 검출기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 광섬유 센서.And a third electrical signal detector connected to the second piezoelectric element to detect an electrical signal generated from the second piezoelectric element. 광섬유 센서에 있어서,In the optical fiber sensor, 전기신호를 발생하는 전기신호 발생기;An electrical signal generator for generating an electrical signal; 상기 전기신호 발생기에 각각 연결되어 전기신호가 가해지면 초음파를 발생시키는 복수 개의 압전소자;A plurality of piezoelectric elements connected to the electric signal generators to generate ultrasonic waves when an electric signal is applied; 상기 복수 개의 압전소자 각각에 일단부가 연결되는 광섬유;An optical fiber having one end connected to each of the plurality of piezoelectric elements; 상기 광섬유의 각 타단부에 연결되어 상기 광섬유들을 따라 진행한 초음파가 가해지면 전기신호를 발생시키는 제4압전소자; 및A fourth piezoelectric element connected to each other end of the optical fiber and generating an electric signal when ultrasonic waves propagated along the optical fibers are applied; And 상기 제4압전소자에 연결되어 발생한 전기신호를 검출하는 제1전기신호 검출기;를 포함하며,And a first electrical signal detector connected to the fourth piezoelectric element to detect an electrical signal generated. 상기 전기신호 발생기에서 발생되어 상기 복수 개의 압전소자에 각각 가해지는 전기신호는 서로 주파수가 다른 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 광섬유 센서.And an electrical signal generated by the electrical signal generator and applied to the plurality of piezoelectric elements, respectively, having different frequencies. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 복수 개의 압전소자에 각각 연결되어 상기 복수 개의 압전소자에서 발생한 전기신호를 검출하는 제2전기신호 검출기들;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파를 이용한 광섬유 센서.And second electrical signal detectors connected to the plurality of piezoelectric elements, respectively, to detect electrical signals generated from the plurality of piezoelectric elements.
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