KR101031253B1 - Pressure measuring device using fiber bragg grating sensor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치에 관한 것으로, 가해지는 압력을 일방향의 힘으로 변환시키는 압력변환부재와, 가압부재를 탄지하며 일방향의 힘을 감소시키는 탄성부재와, 감소된 일방향의 힘의 크기 및 그 방향을 변환시키는 변환부와, 크기 및 방향이 변환된 힘이 작용되는 제1 광섬유 격자 센서와, 제1 광섬유 격자 센서에 인접하게 설치되는 제2 광섬유 격자 센서가 더 포함되되, 제1 광섬유 격자 센서 및 제2 광섬유 격자 센서에는 브래그 격자의 간격이 서로 다르게 형성되고, 제2 광섬유 격자 센서는 주변의 온도에 따라 자유롭게 신장 또는 수축되도록 설치되는 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치를 제공함으로써, 전자기파의 간섭이 있는 환경에서도 정확한 압력을 측정할 수 있고, 온도 변화가 심한 환경에서도 정확한 압력을 산출할 수 있다.

Figure R1020080117710

브래그 격자, 압력센서, 광섬유

The present invention relates to a pressure measuring device using an optical fiber grating sensor, a pressure converting member for converting the applied pressure to a force in one direction, an elastic member for holding the pressure member and reducing the force in one direction, and a reduced force in one direction A conversion unit for converting the size and the direction of the first, the first optical fiber grating sensor is applied to the force, the size and the direction is converted, and the second optical fiber grating sensor is installed adjacent to the first optical fiber grating sensor, The distance between Bragg gratings is differently formed in the first optical fiber grating sensor and the second optical fiber grating sensor, and the second optical fiber grating sensor is provided with a pressure measuring device using the optical fiber grating sensor which is installed to freely expand or contract according to the surrounding temperature. , Accurate pressure can be measured even in environments with electromagnetic interference, It is possible to calculate the force.

Figure R1020080117710

Bragg Grating, Pressure Sensor, Optical Fiber

Description

광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치{PRESSURE MEASURING DEVICE USING FIBER BRAGG GRATING SENSOR}PRESSURE MEASURING DEVICE USING FIBER BRAGG GRATING SENSOR}

본 발명은 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광섬유 격자 센서(Fiber Bragg Grating Sensor)를 이용하여 주변의 온도 변화 및 전자기파의 간섭을 받지 않고 압력을 측정할 수 있도록 한, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a pressure measuring apparatus using an optical fiber grating sensor, and more particularly, to measure the pressure without using a fiber bragg grating sensor without being affected by ambient temperature changes and electromagnetic waves. The present invention relates to a pressure measuring device using an optical fiber grating sensor.

압력센서는 각종 계측장비, 제어 시스템, 의료기기, 자동차 엔진 제어, 전자제품 등 다양한 분야에서 가장 폭넓게 사용되고 있는 센서들 중 하나이다. 압력센서는 기계식 압력센서, 전자식 압력센서 및 반도체 압력센서 등으로 대별되는데, 압력의 변화에 따라 변위나 변형이 일어나거나, 전기저항이 변화되는 등의 특성을 이용하여 압력을 측정한다.The pressure sensor is one of the most widely used sensors in various fields such as various measuring instruments, control systems, medical devices, automotive engine control, and electronic products. Pressure sensors are classified into mechanical pressure sensors, electronic pressure sensors, semiconductor pressure sensors, and the like, and measure pressure by using characteristics such as displacement or deformation, or change in electrical resistance, depending on the pressure change.

기계식 압력센서 중 대표적인 것으로는 부르동관(Bourdon tube), 다이어프램(diaphragm) 및 벨로스(bellows)를 이용한 것이 있다.Representative mechanical pressure sensors include Bourdon tubes, diaphragms and bellows.

이 중 부르동관은 탄성이 있는 금속판으로 만든 중공의 편평한 관을 원호(圓 弧)형으로 구부려 끝을 밀폐하여 만든 것으로, 부르동관의 일단부를 고정하면 압력 변화에 따라 타단부의 위치가 변경되는 것을 이용하여 압력을 측정한다.Among them, the Bourdon tube is made by bending a hollow flat tube made of elastic metal plate in an arc shape to seal the end. When one end of the Bourdon tube is fixed, the position of the other end is changed according to the pressure change. To measure the pressure.

다이어프램은 압력차에 비례하여 금속 또는 비금속 탄성체 막에 발생되는 변형의 정도를, 벨로스는 내부에 일정한 압력의 기체를 넣고 밀봉한 주름관이 주변의 압력 변화에 따라 신축하는 정도를 이용하여 압력을 측정한다.The diaphragm measures the degree of deformation occurring in the metal or nonmetallic elastomer membrane in proportion to the pressure difference, and the bellows measures the pressure using the degree of expansion of the sealed corrugated tube in accordance with the change in pressure around the gas with a constant pressure inside. .

전자식 압력센서는 대부분 상술한 바와 같은 압력차에 의한 기계적인 변위를 전기신호로 변환하는 장치가 부가된 것으로, 압력의 측정 원리는 기계식 압력센서와 같다.Most of the electronic pressure sensor is a device for converting the mechanical displacement due to the pressure difference as described above into an electrical signal, the principle of measuring the pressure is the same as the mechanical pressure sensor.

반도체 압력센서는 실리콘 단결정판을 에칭하여 제작한 다이어프램을 이용하여, 다이어프램이 압력에 의해 변형됨에 따라 변화되는 저항값을 이용하여 압력을 측정하는 방법 등이 있다.The semiconductor pressure sensor uses a diaphragm made by etching a silicon single crystal plate, and measures pressure using a resistance value that changes as the diaphragm is deformed by pressure.

그런데, 상술한 기계식 압력센서는 환경의 변화, 예를 들어 온도의 변화에 따라 압력을 측정하는 소자가 수축 또는 팽창하여 압력측정에 오차가 발생되며, 특히 극지방이나 적도와 같은 극한의 환경에서는 그 오차의 정도가 더욱 커지는 문제가 있다. 전기식 압력센서 또한 기계식 압력센서와 측정 원리가 같으므로, 극한 환경에서는 동일한 문제가 발생된다.However, the mechanical pressure sensor described above causes an error in the pressure measurement due to the contraction or expansion of a device that measures the pressure according to a change in the environment, for example, a change in temperature, and particularly in an extreme environment such as an extreme region or an equator. There is a problem that becomes larger. Electric pressure sensors also share the same measurement principle as mechanical pressure sensors, which creates the same problem in extreme environments.

그리고, 전기식 압력센서 및 반도체 압력센서는 전자기파의 간섭에 의해 오차가 발생되는 문제가 있다.In addition, the electric pressure sensor and the semiconductor pressure sensor have a problem that an error occurs due to the interference of electromagnetic waves.

따라서, 극지방 또는 적도 유역과 같은 극한의 환경하에서 운항하는 선박이나 시추설비 등에서는 상술한 바와 같은 방식의 압력센서를 사용하기 어려운 실정 이다.Therefore, it is difficult to use a pressure sensor as described above in a ship or a drilling facility operating in an extreme environment such as the polar region or the equatorial basin.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 주변의 온도 변화 및 전자기파의 간섭을 받지 않고 정확한 압력을 측정할 수 있는 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a pressure measuring device using an optical fiber grating sensor that can measure the correct pressure without being affected by ambient temperature changes and electromagnetic waves. .

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 가해지는 압력을 일방향의 힘으로 변환시키는 압력변환부재와, 압력변환부재를 탄지하며 일방향의 힘을 감소시키는 탄성부재와, 감소된 일방향의 힘의 크기 및 그 방향을 변환시키는 변환부와, 크기 및 방향이 변환된 힘이 작용되는 제1 광섬유 격자 센서를 포함하는 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치가 제공된다.In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention, a pressure conversion member for converting the pressure applied to the force in one direction, an elastic member for holding the pressure conversion member and reducing the force in one direction, and reduced Provided is a pressure measuring device using an optical fiber grating sensor including a first fiber grating sensor to which the magnitude of the force in one direction and the direction is converted, and a force whose magnitude and direction are converted.

여기서, 광섬유 격자 센서에는 제1 광섬유 격자 센서에 인접하게 설치되는 제2 광섬유 격자 센서가 더 포함되되, 제1 광섬유 격자 센서 및 제2 광섬유 격자 센서에는 브래그 격자의 간격이 서로 다르게 형성되고, 제2 광섬유 격자 센서는 주변의 온도에 따라 자유롭게 신장 또는 수축되도록 설치될 수 있다.Here, the optical fiber grating sensor further includes a second optical fiber grating sensor installed adjacent to the first optical fiber grating sensor, the first optical fiber grating sensor and the second optical fiber grating sensor are formed differently from the Bragg grating gap, the second The optical fiber grating sensor may be installed to freely expand or contract according to the ambient temperature.

그리고, 변환부에는, 압력변환부재와 연결되는 제1 랙기어와, 제1 랙기어와 치합되는 제1 피니언과, 제1 피니언과 치합되는 제2 피니언과, 제2 피니언의 일측 면에 그 일측면이 결합되어, 제2 피니언과 동일한 회전각을 갖는 제3 피니언과, 제3 피니언에 치합되고 일단부가 제1 광섬유 격자 센서의 일단부에 연결되는 제2 랙기어가 포함될 수 있다. 이때, 제1 랙기어, 상기 제2 랙기어, 상기 제1 피니언, 상기 제2 피니언, 상기 제3 피니언의 치형은 사이클로이드 치형으로 형성될 수 있다.The conversion unit includes a first rack gear connected to the pressure converting member, a first pinion engaged with the first rack gear, a second pinion engaged with the first pinion, and one side of the second pinion. Sides may be coupled to include a third pinion having the same rotation angle as the second pinion, and a second rack gear meshed with the third pinion and having one end connected to one end of the first optical fiber grating sensor. At this time, the teeth of the first rack gear, the second rack gear, the first pinion, the second pinion, the third pinion may be formed into a cycloid tooth.

또한, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치에는, 제1 광섬유 격자 센서의 타단부에 연결되어, 압력변환부재에 압력이 가해지기 전에 제1 광섬유 격자 센서에 작용하는 장력을 조절하는 미세조절기가 더 포함될 수 있다.In addition, the pressure measuring device using the optical fiber grating sensor, is further connected to the other end of the first optical fiber grating sensor, the micro-adjuster for adjusting the tension acting on the first optical fiber grating sensor before the pressure is applied to the pressure conversion member further includes Can be.

한편, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치에는, 제1 광섬유 격자 센서 및 제2 광섬유 격자 센서로 전달되는 광신호를 발하는 광원과, 제1 광섬유 격자 센서 및 제2 광섬유 격자 센서에 의해 반사되는 광신호의 파장 변화를 측정하는 광신호 처리기와, 광원, 광신호 처리기, 제1 광섬유 격자 센서 및 제2 광섬유 격자 센서 사이에서 광경로를 형성하는 광섬유가 더 포함될 수 있으며, 광신호 처리기에 연결되는 광섬유에 설치되는 중계기가 더 포함될 수 있다.On the other hand, the pressure measuring device using the optical fiber grating sensor, the light source for emitting an optical signal transmitted to the first optical fiber grating sensor and the second optical fiber grating sensor, and the optical signal reflected by the first optical fiber grating sensor and the second optical fiber grating sensor An optical signal processor for measuring a change in the wavelength of the light source, the optical signal processor, and the optical fiber to form an optical path between the first optical fiber grating sensor and the second optical fiber grating sensor, and may further include an optical fiber connected to the optical signal processor The repeater may be further included.

본 발명은 광섬유 격자 센서를 이용하여 압력을 측정함으로써, 전자기파의 간섭이 있는 환경에서도 정확한 압력을 측정할 수 있고, 복수의 광섬유 격자 센서를 이용하여 온도에 따른 오차를 보정함으로써 온도 변화가 심한 환경에서도 정확한 압력을 산출할 수 있다.According to the present invention, the pressure is measured using an optical fiber grating sensor, so that the accurate pressure can be measured even in an environment in which electromagnetic waves are interfered, and the temperature-dependent error is corrected using a plurality of optical fiber grating sensors, even in an environment where temperature changes are severe. Accurate pressure can be calculated.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치의 작동원리를 설명하기 위한 계통도가 도시되어 있다.Figure 1 is a schematic diagram illustrating the operation principle of the pressure measuring device using the optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치(100)에는 압력변환부재(102), 탄성부재(103), 변환부(110), 제1 광섬유 격자 센서(130) 및 제2 광섬유 격자 센서(150)가 포함된다.Referring to FIG. 1, a pressure measuring device 100 using an optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention includes a pressure converting member 102, an elastic member 103, a converting unit 110, and a first optical fiber grating sensor. 130 and a second optical fiber grating sensor 150 are included.

하우징(101)의 일측에는 압력변환부재(102)가 설치된다. 압력변환부재(102)는 탄성부재(103)에 의해 탄지되며, 일방향, 즉 하우징(101)의 내측방향으로만 이동 가능하게 설치된다.One side of the housing 101, the pressure conversion member 102 is installed. The pressure converting member 102 is supported by the elastic member 103 and is installed to be movable only in one direction, that is, the inner direction of the housing 101.

압력변환부재(102)의 타면에는 로드(104)가 설치되는데, 로드(104)는 하우징(101)의 내측방향, 즉 압력변환부재(102)가 이동할 수 있는 방향을 향하여 설치된다.The other side of the pressure conversion member 102 is provided with a rod 104, the rod 104 is installed toward the inner direction of the housing 101, that is, the direction in which the pressure conversion member 102 can move.

로드(104)의 단부에는 제1 랙기어(111)가 설치된다. 제1 랙기어 (111)는 로드(104)의 길이방향을 따라 로드(104)를 연장하는 형상으로 설치된다.The first rack gear 111 is installed at the end of the rod 104. The first rack gear 111 is installed in a shape that extends the rod 104 along the longitudinal direction of the rod 104.

한편, 하우징(101) 내에 고정된 회전축(107)에는 제1 피니언(113)이 회전 가능하게 설치되는데, 제1 피니언(113)은 제1 랙기어(111)와 치합 되도록 설치된다. 따라서, 제1 랙기어(111)가 그 길이방향을 따라 이동되면, 제1 피니언(113)이 회전된다.Meanwhile, the first pinion 113 is rotatably installed on the rotation shaft 107 fixed in the housing 101, and the first pinion 113 is installed to engage with the first rack gear 111. Therefore, when the first rack gear 111 is moved along its longitudinal direction, the first pinion 113 is rotated.

하우징(101) 내에 고정된 다른 회전축(109)에는 제2 피니언(115)이 회전 가능하게 설치된다. 제2 피니언(115)은 제1 피니언(113)과 치합 되도록 설치되어, 제1 피니언(113)이 회전하면 제2 피니언(115)도 회전된다.The second pinion 115 is rotatably installed on the other rotation shaft 109 fixed in the housing 101. The second pinion 115 is installed to engage with the first pinion 113, and when the first pinion 113 rotates, the second pinion 115 also rotates.

이때, 제2 피니언(115)의 일측면에는 제3 피니언(117)의 일측면이 결합되며, 제3 피니언(117)은 제2 피니언(115)과 함께 회전축(109)에 회전 가능하게 설치된다. 따라서, 제2 피니언(115) 및 제3 피니언(117)은 동일한 각속도로 회전한다. 즉, 제1 피니언(113)이 회전하면 제2 피니언(115) 및 제3 피니언(117)이 동일한 각속도로 회전한다.At this time, one side of the third pinion 117 is coupled to one side of the second pinion 115, and the third pinion 117 is rotatably installed on the rotation shaft 109 together with the second pinion 115. . Thus, the second pinion 115 and the third pinion 117 rotate at the same angular velocity. That is, when the first pinion 113 rotates, the second pinion 115 and the third pinion 117 rotate at the same angular speed.

하우징(101) 내에는 제2 랙기어(119)가 길이방향으로 이동 가능하게 설치되는데, 제2 랙기어(119)는 제3 피니언(117)과 치합 되도록 설치된다.In the housing 101, the second rack gear 119 is installed to be movable in the longitudinal direction, and the second rack gear 119 is installed to engage with the third pinion 117.

로드(104)가 길이방향으로 이동하면, 서로 치합된 제1 피니언(113), 제2 피니언(115) 및 제3 피니언(117)이 회전하며 제2 랙기어(119)가 길이방향으로 이동하게 된다.When the rod 104 moves in the longitudinal direction, the first pinion 113, the second pinion 115 and the third pinion 117 meshed with each other rotate, and the second rack gear 119 moves in the longitudinal direction. do.

여기서, 로드(104)의 미세한 이동도 제2 랙기어(119)로 기계적인 진동 없이 전달되도록 하기 위해서, 제1 랙기어(111), 제1 피니언(113), 제2 피니언(115), 제3 피니언(117) 및 제2 랙기어(119)의 치형을 사이클로이드(cycloid) 치형으로 형성할 수 있다.Here, the first rack gear 111, the first pinion 113, the second pinion 115, the first pin gear in order to transmit the minute movement of the rod 104 to the second rack gear 119 without mechanical vibration The teeth of the third pinion 117 and the second rack gear 119 may be formed into cycloid teeth.

한편, 제2 랙기어(119)의 일단부에는 제1 광섬유 격자 센서(130)의 일단부가 연결되고, 제1 광섬유 격자 센서(130)의 타단부에는 미세조절기(180)가 연결된다. 이때, 제1 광섬유 격자 센서(130)는 광섬유(3) 상에 형성된 것으로, 광섬유(3)는 미세조절기(180)에 기계적으로만 연결되고, 그 일단부는 미세조절기(180)를 관통하여 광분리기(175)에 연결된다.Meanwhile, one end of the first optical fiber grating sensor 130 is connected to one end of the second rack gear 119, and the microcontroller 180 is connected to the other end of the first optical fiber grating sensor 130. At this time, the first optical fiber grating sensor 130 is formed on the optical fiber 3, the optical fiber 3 is only mechanically connected to the microcontroller 180, one end thereof passes through the microcontroller 180 to the optical separator 175 is connected.

제1 광섬유 격자 센서(130)는 하우징(101)에 접촉되지 않게 설치되고, 미세조절기(180)는 하우징(101)에 고정설치 된다. 따라서, 제2 랙기어(119)가 이동되어 제1 광섬유 격자 센서(130)의 일단부가 길이 방향으로 이동되면, 제1 광섬유 격자 센서(130)의 타단부는 하우징(101)에 고정 설치된 미세조절기(180)에 연결되어 있으므로, 제1 광섬유 격자 센서(130)에 장력이 가해지게 된다.The first optical fiber grating sensor 130 is installed so as not to contact the housing 101, and the microcontroller 180 is fixed to the housing 101. Therefore, when the second rack gear 119 is moved so that one end of the first optical fiber grating sensor 130 is moved in the longitudinal direction, the other end of the first optical fiber grating sensor 130 is fixed to the housing 101. Since it is connected to the 180, the tension is applied to the first optical fiber grating sensor 130.

제1 광섬유 격자 센서(130)에 장력이 가해지면 제1 광섬유 격자 센서(130)가 신장되는데, 이에 대하여는 아래에서 다시 설명하기로 한다.When tension is applied to the first optical fiber grating sensor 130, the first optical fiber grating sensor 130 is extended, which will be described later.

미세조절기(180)는 광섬유(3)와 기계적으로 연결된 부분을 광섬유(3)의 길이방향으로 미세하게 이동시켜 제1 광섬유 격자 센서(130)에 가해지는 장력을 조절할 수 있도록 한 기계장치이다. 미세조절기(180)는 일반적으로 기어비가 큰 기어열 또는 웜기어(worm gear) 등을 사용하여 큰 회전 변위를 작은 직선 변위로 변화시키는 장치로, 이에 관하여는 잘 알려진 사항이므로 미세조절기(180) 자체에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.The microcontroller 180 is a mechanical device for controlling the tension applied to the first optical fiber grating sensor 130 by finely moving a portion mechanically connected to the optical fiber 3 in the longitudinal direction of the optical fiber 3. The microcontroller 180 is a device for changing a large rotational displacement into a small linear displacement using a gear train or a worm gear having a large gear ratio, and the microcontroller 180 itself is known in this regard. Detailed description thereof will be omitted.

광섬유(3)가 연결된 광분리기(optical splitter, 175)에는 제2 광섬유 격자 센서(150)가 형성된 광섬유(4) 및 일단부가 광순회기(optical circulator, 173)와 연결된 광섬유(2)의 타단부가 연결된다. 광순회기(173)에는 광원(171)에 일단부가 연결된 광섬유(1)의 타단부 및 광신호 처리기(177)에 일단부가 연결된 광섬유(5)의 타단부가 연결된다.In the optical splitter 175 to which the optical fiber 3 is connected, the other end of the optical fiber 4 having the second optical fiber grating sensor 150 and the other end of the optical fiber 2 having one end connected to the optical circulator 173 Connected. The other end of the optical fiber 1 having one end connected to the light source 171 and the other end of the optical fiber 5 having one end connected to the optical signal processor 177 are connected to the optical circuit 173.

여기서, 광원(171)은 일정한 파장의 광신호를 발하는 장치이다. 광순회기(173)는 광원으로부터 광섬유(1)를 통하여 전달되는 광신호를 광섬유(2)를 통하여 광분리기(175)로 전달하고, 광분리기(175)로부터 광섬유(2)를 통하여 전달되어 오는 광신호를 광섬유(5)를 통하여 광신호 처리기(177)로 전달하는 장치이다.Here, the light source 171 is a device for emitting an optical signal of a constant wavelength. The optical circuit 173 transmits the optical signal transmitted from the light source through the optical fiber 1 to the optical separator 175 through the optical fiber 2, and the optical signal transmitted from the optical separator 175 through the optical fiber 2. The device transmits a signal to the optical signal processor 177 through the optical fiber 5.

그리고, 광분리기(175)는 광섬유(2)를 통하여 광순회기(173)로부터 전달되어 오는 광신호를 분리하여 일부는 제1 광섬유 격자 센서(130)로, 나머지는 제2 광섬유 격자 센서(150)로 전달하는 장치이다. 광신호 처리기(177)는 광섬유(5)를 통하여 전달되어 오는 광신호의 파장 및 세기를 측정하여, 그 변화를 관찰할 수 있도록 한 장치이다.In addition, the optical separator 175 separates an optical signal transmitted from the optical circuit 173 through the optical fiber 2, a part of which is a first optical fiber grating sensor 130, and the other is a second optical fiber grating sensor 150. Is the device to pass. The optical signal processor 177 measures a wavelength and an intensity of an optical signal transmitted through the optical fiber 5 and observes the change.

한편, 제1 광섬유 격자 센서(130) 및 제2 광섬유 격자 센서(150)는 브래그 격자를 이용한 것이다. 즉, 광섬유에 자외선을 격자형식으로 조사하게 되면 격자의 간격에 따라 특정 파장의 광신호를 반사하는 성질을 이용한 것으로, 브래그 격자가 형성된 광섬유에 가해지는 장력이 변화되어 자외선 격자의 간격에 변화가 생기면 반사되는 광신호의 파장도 변화된다.The first optical fiber grating sensor 130 and the second optical fiber grating sensor 150 use Bragg gratings. That is, when ultraviolet rays are irradiated to the optical fiber in the form of a lattice, it uses the property of reflecting an optical signal of a specific wavelength according to the spacing of the grating. The wavelength of the reflected optical signal is also changed.

따라서, 광섬유(1 내지 5)는, 화살표로 도시된 바와 같이, 광원(171)에서 발하는 광신호를 광순회기(173), 광분리기(175), 제1 광섬유 격자 센서(130) 및 제2 광섬유 격자 센서(150)로 전달하고, 제1 광섬유 격자 센서(130) 및 제2 광섬유 격자 센서(150)으로부터 반사되는 광신호를 광분리기(175) 및 광순회기(173)를 거쳐 광신호 처리기(177)로 전달하는 광경로를 형성한다.Therefore, the optical fibers 1 to 5, as shown by the arrow, the optical signal emitted from the light source 171, the optical circuit 173, the optical separator 175, the first optical fiber grating sensor 130 and the second optical fiber The optical signal is transmitted to the grating sensor 150, and the optical signal reflected from the first optical fiber grating sensor 130 and the second optical fiber grating sensor 150 is passed through the optical separator 175 and the optical circuit 173 to the optical signal processor 177. To form a light path forwarding

이때, 브래그 격자를 이용한 제1 광섬유 격자 센서(130) 및 제2 광섬유 격자 센서(150)와, 상술한 바와 같은 광원(171), 광순회기(173) 및 광분리기(175)는 잘 알려진 사항이므로 각각에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.In this case, the first optical fiber grating sensor 130 and the second optical fiber grating sensor 150 using the Bragg grating, the light source 171, the optical circuit 173 and the optical separator 175 as described above are well known matters. Detailed description of each will be omitted.

상술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치(100)의 작동을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of the pressure measuring device 100 using the optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention having the structure as described above are as follows.

압력변환부재(102)에 압력이 가해지면, 압력변환부재(102)는 일방향, 즉 하우징(101)의 내측 방향으로 힘을 가하며 이동되는데, 이 힘 및 변위는 로드(104)로 전달된다. 이때, 압력변환부재(102)는 탄성부재(103)에 의해 탄지되고 있으므로, 탄성부재(103)에 의해 로드(104)로 전달되는 힘 및 변위가 감소된다.When pressure is applied to the pressure converting member 102, the pressure converting member 102 is moved with a force applied in one direction, that is, the inner direction of the housing 101, the force and the displacement is transmitted to the rod 104. At this time, since the pressure conversion member 102 is supported by the elastic member 103, the force and displacement transmitted to the rod 104 by the elastic member 103 is reduced.

로드(104)로 전달되는 힘 및 변위의 감소는 탄성부재(103)의 탄성계수 등의 특성에 따라 변동될 수 있으므로, 탄성부재(103)의 특성을 미리 파악한 후 사용하는 것이 좋다. 탄성부재(103)로는 탄성한계 내에서 가해지는 힘에 따라 변위가 선형적으로 일어나는 스프링을 사용할 수 있다.The reduction of the force and displacement transmitted to the rod 104 may vary depending on the characteristics such as the elastic modulus of the elastic member 103, it is good to use after determining the characteristics of the elastic member 103 in advance. As the elastic member 103, a spring in which the displacement occurs linearly according to the force applied within the elastic limit may be used.

로드(104)로 전달된 힘 및 변위는 제1 랙기어(111)로 전달되고, 제1 랙기어(111)로 전달된 힘 및 변위는 제1 피니언(113), 제2 피니언(115), 제3 피니언(117) 및 제2 랙기어(119)로 전달된다.The force and displacement transmitted to the rod 104 is transmitted to the first rack gear 111, the force and displacement transmitted to the first rack gear 111 is the first pinion 113, the second pinion 115, It is transmitted to the third pinion 117 and the second rack gear 119.

여기서, 제1 랙기어(111)가 하우징(101)의 내측 방향의 변위를 가지므로, 제1 피니언(113)은 반시계방향으로 회전하고, 제2 피니언(115) 및 제3 피니언은 시계방향으로 회전하며, 제2 랙기어(119)는 제1 광섬유 격자 센서(130)을 신장시키는 방향의 변위를 갖게 된다.Here, since the first rack gear 111 has a displacement in the inner direction of the housing 101, the first pinion 113 rotates counterclockwise, and the second pinion 115 and the third pinion clockwise. Rotate, and the second rack gear 119 has a displacement in the direction in which the first optical fiber grating sensor 130 is extended.

그리고, 로드(104)로 전달된 힘 또한 제2 랙기어(119)를 거쳐 제1 광섬유 격 자 센서(130)로 전달되므로, 제1 광섬유 격자 센서(130)는 압력변환부재(102)에 가해진 압력에 비례하여 신장된다.In addition, since the force transmitted to the rod 104 is also transmitted to the first optical fiber lattice sensor 130 via the second rack gear 119, the first optical fiber grating sensor 130 is applied to the pressure converting member 102. Stretch in proportion to pressure.

따라서, 제1 랙기어(111), 제1 피니언(113), 제2 피니언(115), 제3 피니언(117) 및 제2 랙기어(119)를 변환부(110)라 칭하며, 변환부(110)는 압력변환부재(102)에 가해지는 힘 및 변위의 방향을 제1 광섬유 격자 센서(130)를 신장시키는 힘 및 변위의 방향으로 변환시킨다. 그리고, 변위의 양 또한 변환시킨다.Accordingly, the first rack gear 111, the first pinion 113, the second pinion 115, the third pinion 117 and the second rack gear 119 are referred to as a conversion unit 110, and the conversion unit ( 110 converts the direction of the force and displacement applied to the pressure converting member 102 into the direction of the force and the displacement extending the first optical fiber grating sensor 130. Then, the amount of displacement is also converted.

이때, 변환부(110)는 상술한 바와 같이 제1 랙기어(111), 제1 피니언(113), 제2 피니언(115), 제3 피니언(117) 및 제2 랙기어(119)로 구성될 수도 있으나, 압력변환부재(102)에 가해지는 힘 및 변위의 방향을 제1 광섬유 격자 센서(130)를 신장시키는 힘 및 변위의 방향으로 변환시킬 수 있는 다른 구성을 가질 수도 있다.At this time, the conversion unit 110 is composed of the first rack gear 111, the first pinion 113, the second pinion 115, the third pinion 117 and the second rack gear 119 as described above. It may be, but may have a different configuration capable of converting the direction of the force and displacement applied to the pressure conversion member 102 in the direction of the force and displacement extending the first optical fiber grating sensor 130.

한편, 변환부(110)에 의해 전달된 힘 및 변위에 제1 광섬유 격자 센서(130)에 장력이 작용하여 신장되면 광섬유(3)를 통하여 광분리기(175)로 전달되는 광신호의 파장이 변화되며, 이는 광신호 처리기(177)에 의해 관찰된다. 그러므로, 압력변환부재(102)에 가해지는 압력을 측정할 수 있게 된다.On the other hand, when the tension is applied to the first optical fiber grating sensor 130 by the force and displacement transmitted by the conversion unit 110, the wavelength of the optical signal transmitted to the optical separator 175 through the optical fiber 3 changes. This is observed by the optical signal processor 177. Therefore, the pressure applied to the pressure converting member 102 can be measured.

여기서, 제1 광섬유 격자 센서(130)는 상술한 바와 같이 광섬유(3) 상에 형성된 것으로, 제1 광섬유 격자 센서(130)에 가해지는 장력의 크기가 광섬유(3)의 탄성한계를 벗어나지 말아야 한다. 통상 광섬유(3)는 수십 내지 수백 마이크로 미터 단위의 탄성한계를 가지므로, 측정하고자 하는 압력의 범위에 따라 탄성부재(103)의 특성 및 변환부(110)에서 변환되는 변위의 양을 조절하여야 한다.Here, the first optical fiber grating sensor 130 is formed on the optical fiber 3 as described above, and the magnitude of the tension applied to the first optical fiber grating sensor 130 should not exceed the elastic limit of the optical fiber 3. . Since the optical fiber 3 generally has an elastic limit of several tens to hundreds of micrometers, it is necessary to adjust the characteristics of the elastic member 103 and the amount of displacement converted in the converting unit 110 according to the pressure range to be measured. .

즉, 큰 압력을 측정하기 위해서는 탄성계수가 큰 탄성부재(103)를 선정하고 변환부(110)의 제1 랙기어(111), 제1 피니언(113), 제2 피니언(115), 제3 피니언(117) 및 제2 랙기어(119)가 형성하는 기어열의 기어비를 조절하여 변위의 양을 감소시키는 방법을 사용할 수 있다.That is, in order to measure a large pressure, the elastic member 103 having a large modulus of elasticity is selected, and the first rack gear 111, the first pinion 113, the second pinion 115, and the third of the converter 110 are selected. By adjusting the gear ratio of the gear train formed by the pinion 117 and the second rack gear 119 can be used a method of reducing the amount of displacement.

한편, 압력변환부재(102)에 압력이 가해지기 전에 미세조절기(180)로 제1 광섬유 격자 센서(130)에 가해지는 장력을 조절하여, 제1 광섬유 격자 센서(130)로부터 반사되는 광신호의 파장을 목표로 한 초기값으로 설정한다. 이후 압력변환부재(102)에 압력이 가해져서 제1 광섬유 격자 센서(130)가 신장되어, 제1 광섬유 격자 센서(130)로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화되면, 초기값으로부터 파장이 변화된 정도를 측정하여 압력변환부재(102)에 가해진 압력을 산출할 수 있다.On the other hand, before the pressure is applied to the pressure conversion member 102 by adjusting the tension applied to the first optical fiber grating sensor 130 with the microcontroller 180, the optical signal reflected from the first optical fiber grating sensor 130 Set to the initial value aimed at the wavelength. Thereafter, when the pressure is applied to the pressure converting member 102 so that the first optical fiber grating sensor 130 is extended, and the wavelength of the optical signal reflected from the first optical fiber grating sensor 130 is changed, the wavelength is changed from the initial value. The pressure applied to the pressure converting member 102 can be calculated by measuring.

그런데, 제1 광섬유 격자 센서(130)는 온도에 따라 팽창 및 수축될 수 있으므로, 주변의 온도 변화에 의해 제1 광섬유 격자 센서(130)로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화될 수 있다. 따라서, 제1 광섬유 격자 센서(130)로부터 반사되는 광신호의 파장 변화 중 온도의 변화에 의한 파장 변화를 제외시켜야 압력변환부재(102)에 가해진 압력을 정확하게 산출할 수 있다.However, since the first optical fiber grating sensor 130 may expand and contract according to temperature, the wavelength of the optical signal reflected from the first optical fiber grating sensor 130 may change due to a change in ambient temperature. Therefore, it is possible to accurately calculate the pressure applied to the pressure converting member 102 only by subtracting the wavelength change caused by the temperature change among the wavelength change of the optical signal reflected from the first optical fiber grating sensor 130.

따라서, 온도 변화에 의한 제1 광섬유 격자 센서(130)의 변화를 보정하기 위한 제2 광섬유 격자 센서(150)를 하우징(101) 내에 설치한다. 제2 광섬유 센서(150)는 광섬유(4) 상에 형성된 것으로, 광섬유(4) 일단부는 광분리기(175)에 연결되고, 타단부는 하우징(101)에 의해 지지되지만 온도변화에 따라 자유롭게 신장 또는 수축되도록 설치된다.Therefore, the second optical fiber grating sensor 150 is installed in the housing 101 to correct the change of the first optical fiber grating sensor 130 due to the temperature change. The second optical fiber sensor 150 is formed on the optical fiber 4, one end of the optical fiber 4 is connected to the optical separator 175, the other end is supported by the housing 101, but is freely stretched or Installed to shrink.

이때, 제2 광섬유 격자 센서(150)에는 제1 광섬유 격자 센서(130)와 서로 다 른 간격을 갖는 브래그 격자가 형성되어야 한다. 이는, 제1 광섬유 격자 센서(130) 및 제2 광섬유 격자 센서(150)가 각각 반사하는 광신호의 파장 영역이 서로 다르도록 하여서, 두 광신호의 파장 변화를 서로 구분할 수 있어야 하기 때문이다.In this case, the Bragg grating having a different distance from the first fiber grating sensor 130 should be formed in the second fiber grating sensor 150. This is because the wavelength ranges of the optical signals reflected by the first optical fiber grating sensor 130 and the second optical fiber grating sensor 150 are different from each other, so that the change in wavelength of the two optical signals can be distinguished from each other.

그러므로, 제2 광섬유 격자 센서(150)로부터 반사되는 광신호의 파장이 온도에 따라 변화된 정도를 측정하여, 제1 광섬유 격자 센서(130)로부터 반사되는 광신호의 파장 변화와 비교함으로써, 제1 광섬유 격자 센서(130)의 온도에 따른 오차를 보정할 수 있게 된다.Therefore, the first optical fiber is measured by measuring the degree to which the wavelength of the optical signal reflected from the second optical fiber grating sensor 150 changes with temperature, and comparing the wavelength of the optical signal reflected from the first optical fiber grating sensor 130. The error according to the temperature of the grating sensor 130 can be corrected.

단, 제2 광섬유 격자 센서(150)는 제1 광섬유 격자 센서(130)와 동일한 환경, 즉 주변 온도 변화가 동일하게 가해지는 환경에 설치되어야 하므로, 제2 광섬유 격자 센서(150)는 하우징(101) 내의 제1 광섬유 격자 센서(130)와 인접한 위치에 설치될 수 있다. However, since the second optical fiber grating sensor 150 should be installed in the same environment as that of the first optical fiber grating sensor 130, that is, the environment in which the ambient temperature change is applied to the same, the second optical fiber grating sensor 150 may include the housing 101. ) May be installed at a position adjacent to the first optical fiber grating sensor 130.

상술한 바와 같이, 브래그 격자를 이용하는 제1 광섬유 격자 센서(130) 및 제2 광섬유 격자 센서(150)는 전자기파의 영향을 받지 않으므로, 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치(100)는 전자기파의 간섭 및 온도 변화와 같은 주변환경의 영향을 받지 않고 정확한 압력을 측정할 수 있다.As described above, since the first optical fiber grating sensor 130 and the second optical fiber grating sensor 150 using the Bragg grating are not affected by electromagnetic waves, the pressure measuring device using the optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention. The 100 may measure an accurate pressure without being affected by the surrounding environment such as electromagnetic interference and temperature change.

한편, 광순회기(173) 및 광분리기(175)를 연결하는 광섬유(2) 또는 광신호 처리기(177) 및 광순회기(173)를 연결하는 광섬유(5)의 길이를 연장하고, 광섬유(2) 또는 광섬유(5) 중 연장된 쪽에 중계기(도시되지 않음)가 추가로 설치될 수 있다. 중계기(도시되지 않음)가 설치되면, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치(100) 및 광신호 처리기(177) 사이의 거리가 먼 경우에도 압력을 실시간으로 측 정할 수 있다.Meanwhile, the optical fiber 2 connecting the optical circulator 173 and the optical separator 175 or the optical fiber 5 connecting the optical signal processor 177 and the optical circulator 173 are extended to extend the length of the optical fiber 2. Alternatively, a repeater (not shown) may be additionally installed on the extended side of the optical fiber 5. If a repeater (not shown) is installed, the pressure can be measured in real time even when the distance between the pressure measuring device 100 and the optical signal processor 177 using the optical fiber grating sensor is far.

여기서, 중계기(도시되지 않음)는 광섬유(2)를 통과하는 광신호를 증폭시켜 일정한 세기로 유지될 수 있게 하는 장치인데, 중계기(도시되지 않음)는 잘 알려진 사항이므로 그 자체에 대한 상세한 설명은 생략한다.Here, the repeater (not shown) is a device for amplifying the optical signal passing through the optical fiber 2 to be maintained at a constant intensity, the repeater (not shown) is a well-known matter, so a detailed description thereof Omit.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치(100)에 중계기(도시되지 않음)를 추가로 설치하면 원거리에서의 압력 측정이 가능하므로, 대형 선박, 건축물 등과 같은 대형 구조물에도 적용할 수 있다.Therefore, when a repeater (not shown) is additionally installed in the pressure measuring device 100 using the optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention, since pressure can be measured at a long distance, a large structure such as a large ship or a building Applicable to

이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유를 이용한 압력측정장치에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.Although the pressure measuring apparatus using the optical fiber according to the embodiment of the present invention has been described above, the spirit of the present invention is not limited to the embodiments presented herein, and those skilled in the art to understand the spirit of the present invention Within the scope, other embodiments may be easily proposed by adding, changing, deleting or adding components, but this will also be within the scope of the present invention.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치의 계통도.1 is a system diagram of a pressure measuring device using an optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

1, 2, 3, 4, 5 : 광섬유 101 : 하우징1, 2, 3, 4, 5: fiber optic 101: housing

102 : 압력변환부재 103 : 탄성부재102: pressure conversion member 103: elastic member

110 : 변환부 111 : 제1 랙기어 110: converter 111: first rack gear

113 : 제1 피니언 115 : 제2 피니언 113: first pinion 115: second pinion

117 : 제3 피니언 119 : 제2 랙기어117: third pinion 119: second rack gear

130 : 제1 광섬유 격자 센서 150 : 제2 광섬유 격자 센서130: first optical fiber grating sensor 150: second optical fiber grating sensor

171 : 광원 173 : 광순회기171: light source 173: optical circuit

175 : 광분리기 177 : 광신호 처리기175: optical separator 177: optical signal processor

180 : 미세조절기180: microcontroller

Claims (7)

가해지는 압력을 일방향의 힘으로 변환시키는 압력변환부재;A pressure converting member converting the applied pressure into a force in one direction; 상기 압력변환부재를 탄지하며 상기 일방향의 힘을 감소시키는 탄성부재;An elastic member holding the pressure conversion member and reducing the force in one direction; 상기 감소된 일방향의 힘의 크기 및 그 방향을 변환시키는 변환부; 및A converter converting the reduced magnitude of the force in one direction and the direction thereof; And 상기 크기 및 방향이 변환된 힘이 작용되는 제1 광섬유 격자 센서를 포함하는, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치.And a first optical fiber grating sensor to which the force whose size and direction are converted are applied. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 광섬유 격자 센서에 인접하게 설치되는 제2 광섬유 격자 센서를 더 포함하되,Further comprising a second optical fiber grating sensor installed adjacent to the first optical fiber grating sensor, 상기 제1 광섬유 격자 센서 및 상기 제2 광섬유 격자 센서에는 브래그 격자의 간격이 서로 다르게 형성되고, 상기 제2 광섬유 격자 센서는 주변의 온도에 따라 자유롭게 신장 또는 수축되도록 설치되는, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치.The first optical fiber grating sensor and the second optical fiber grating sensor are formed differently from the Bragg grating gap, the second optical fiber grating sensor is installed so as to be freely stretched or contracted according to the ambient temperature, pressure using the fiber grating sensor Measuring device. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 변환부는,The conversion unit, 상기 압력변환부재와 연결되는 제1 랙기어;A first rack gear connected to the pressure converting member; 상기 제1 랙기어와 치합되는 제1 피니언;A first pinion engaged with the first rack gear; 상기 제1 피니언과 치합되는 제2 피니언;A second pinion meshing with the first pinion; 상기 제2 피니언의 일측면에 그 일측면이 결합되어, 상기 제2 피니언과 동일한 회전각을 갖는 제3 피니언; 및A third pinion having one side coupled to one side of the second pinion, the third pinion having the same rotation angle as the second pinion; And 상기 제3 피니언에 치합되고, 일단부가 상기 제1 광섬유 격자 센서의 일단부에 연결되는 제2 랙기어를 포함하는, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치.And a second rack gear engaged with the third pinion and having one end connected to one end of the first optical fiber grating sensor. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 제1 랙기어, 상기 제2 랙기어, 상기 제1 피니언, 상기 제2 피니언, 상기 제3 피니언의 치형은 사이클로이드 치형인, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치.And the teeth of the first rack gear, the second rack gear, the first pinion, the second pinion and the third pinion are cycloid teeth. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 광섬유 격자 센서의 타단부에 연결되어, 상기 압력변환부재에 상기 압력이 가해지기 전에 상기 제1 광섬유 격자 센서에 작용하는 장력을 조절하는 미세조절기를 더 포함하는, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치.A microcontroller connected to the other end of the first optical fiber grating sensor, the micro-adjuster for adjusting the tension acting on the first optical fiber grating sensor before the pressure is applied to the pressure converting member. Measuring device. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제1 광섬유 격자 센서 및 상기 제2 광섬유 격자 센서로 전달되는 광신호를 발하는 광원;A light source emitting an optical signal transmitted to the first optical fiber grating sensor and the second optical fiber grating sensor; 상기 제1 광섬유 격자 센서 및 상기 제2 광섬유 격자 센서에 의해 반사되는 상기 광신호의 파장 변화를 측정하는 광신호 처리기; 및An optical signal processor for measuring a wavelength change of the optical signal reflected by the first optical fiber grating sensor and the second optical fiber grating sensor; And 상기 광원, 상기 광신호 처리기, 상기 제1 광섬유 격자 센서 및 상기 제2 광섬유 격자 센서 사이에서 광경로를 형성하는 광섬유를 더 포함하는, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치.And an optical fiber forming an optical path between the light source, the optical signal processor, the first optical fiber grating sensor, and the second optical fiber grating sensor. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 광신호 처리기에 연결되는 상기 광섬유에 설치되는 중계기를 더 포함하는, 광섬유 격자 센서를 이용한 압력측정장치.And a repeater installed in the optical fiber connected to the optical signal processor.
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