KR101068463B1 - Optical fiber sensor using reflective grated panel - Google Patents
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Abstract
이 발명의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서는, 케이스와; 반사물질로 구성된 반사면과, 반사면보다 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 비 반사물질로 구성된 비 반사면이 주기적으로 배열된 격자 형태로 구성되어, 케이스 내에 설치되는 1개의 반사 격자판과; 반사 격자판의 표면과 수직한 방향으로 그 단부가 위치하도록 케이스에 지지되며, 반사 격자판에 광을 조사하는 발광부와 반사 격자판에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 각각 하는 한 가닥의 광섬유로 구성된다. 이 발명은 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량을 수신하여 이를 이용하므로, 외력에 의해 가해진 변위, 압력, 진동 또는 가속도 등 다양한 측정이 가능한 센서 제작이 가능하다. 또한, 이 발명은 전자기파 간섭을 받지 않는 한 가닥의 광섬유와 1개의 반사 격자판을 이용함에 따라, 저렴한 비용으로 토목 구조물이나 건축 구조물, 전자기적 환경이 열악한 발전소나 철도 선로 등의 광범위한 분야에서 적용할 수 있는 센서 제작이 가능하다.The optical fiber sensor using the reflective grating board of this invention is a case; A reflective grating plate formed in a case in which a reflective surface made of a reflective material and a non-reflective surface made of a non-reflective material having a relatively lower reflectance than the reflective surface are arranged in a periodic arrangement and installed in a case; It is supported by the case so that its end is positioned in a direction perpendicular to the surface of the reflective grating, and consists of a single optical fiber serving as a light emitting part for irradiating light to the reflective grating and a light receiving part for receiving the reflected light reflected from the reflective grating. do. The present invention receives the amount of reflected light after irradiating light through an optical fiber that is not subjected to electromagnetic interference to the reflective grating formed periodically with a reflective surface and a non-reflective surface, and thus uses the amount of reflected light, such as displacement, pressure, vibration, or acceleration applied by an external force. It is possible to manufacture sensors that can measure a variety of things. In addition, the present invention can be applied to a wide range of fields, such as civil engineering structures, building structures, power plants or railway lines with poor electromagnetic environment at low cost by using stranded optical fiber and one reflective grating as long as it is not subjected to electromagnetic interference. It is possible to manufacture a sensor.
광섬유, 격자판, 격자, 반사, 가속도, 변위계, 압력계, 센서 Optical fiber, grating, grating, reflection, acceleration, displacement meter, manometer, sensor
Description
이 발명은 광섬유 센서에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량을 수신하여 이를 이용함으로써, 외력에 의해 가해진 변위, 압력, 진동 또는 가속도 등 다양한 측정이 가능한 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서에 관한 것이다. The present invention relates to an optical fiber sensor, and more particularly, by irradiating light through an optical fiber that is not subjected to electromagnetic interference to a reflective grating on which a reflective surface and a non-reflective surface are periodically formed, and receiving and using the amount of light reflected therefrom, The present invention relates to an optical fiber sensor using a reflective grating that can measure various displacements, pressures, vibrations, or accelerations.
교량, 대형 건축물 또는 발전설비와 같은 대형 구조물은, 매우 복잡한 만큼 다양한 원인에 의해 사고가 발생할 수 있다. 이러한 사고는 막대한 인명과 재산상의 손실을 발생시키고, 산업현장과 일상생활에 큰 불편을 초래할 수 있다. 따라서, 이러한 대형 구조물의 안전유지를 위해서는 재난이 발생하기 전에 정기적으로 점검하여 상황에 맞게 수리 또는 보수를 해야 한다. Large structures, such as bridges, large buildings, or power generation facilities, are so complex that accidents can occur for a variety of reasons. Such accidents can cause enormous loss of life and property, and can cause great inconvenience to industrial sites and daily life. Therefore, in order to maintain the safety of such a large structure, it is necessary to check regularly before a disaster occurs and repair or repair it accordingly.
그러나, 전자기적 환경이 열악한 발전소와 철도 선로의 경우에는, 설치되는 센서의 수가 많고 센서를 연결하는 전선의 길이도 상당히 길어 전자파를 차단하지 못할 경우 신호 잡음 문제가 심각하다. 따라서, 기존의 전자기반 센서를 사용하는 데 문제가 있다.However, in the case of power plants and railway tracks in which the electromagnetic environment is poor, the signal noise problem is serious when the number of sensors installed and the length of the wire connecting the sensors are too long to block the electromagnetic waves. Therefore, there is a problem in using the existing electronic-based sensor.
광섬유 센서는 지능형 구조물(smart structure)의 감지계이기도 하다. 이러한 광섬유 센서는 빛을 이용하여 측정하기 때문에 전자기파의 간섭을 받지 않는다. 따라서, 전자기파 환경이나 구조물의 운용 중에도 사용이 가능하다. 또한, 감도가 매우 뛰어나고, 결함의 실시간 측정이 가능하다. 또한, 크기가 작고 가벼워서 구조물에 적용할 경우 무게 집중 효과가 적으며, 직경이 매우 작고 유연하여 사용자가 원하는 크기로 제작할 수 있다. 이밖에도 센서 수명과 직결되는 부식과 같은 환경적 영향에 강하고, 온도특성이 우수하여 넓은 운용온도 범위에서 사용이 가능하며, 원거리에서도 정보를 취득할 수 있어 위험한 환경에서도 실험장비나 인명 손실의 걱정 없이 모니터링(monitoring)이 가능한 장점 등이 있다. The optical fiber sensor is also a sensor of smart structure. These optical fiber sensors do not interfere with electromagnetic waves because they are measured using light. Therefore, it can be used even during the operation of the electromagnetic environment or the structure. In addition, the sensitivity is very excellent and real-time measurement of defects is possible. In addition, it is small in size and light in weight, so when applied to the structure, less weight concentration effect, the diameter is very small and flexible, so that the user can produce the desired size. In addition, it is resistant to environmental influences such as corrosion, which is directly related to sensor life, and has excellent temperature characteristics, so it can be used in a wide range of operating temperatures. There are advantages such as monitoring.
이러한 장점들로 인해 지금까지 광섬유 센서를 이용하여 물리량을 측정하는 다양한 연구가 진행되어 왔다. 또한, 구조물의 건전성을 모니터링하기 위한 감지센서로서 광섬유 센서에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다. 그러나, EFPI(extrinsic fabry-perot interferometric) 센서의 경우에는 간섭신호를 이용하므로 현미경을 이용하여 미소한 간극을 만들어 주어야 하고, 간섭신호가 정현파로 나오지 않기 때문에 신호처리가 복잡하다. 그리고, FBG(fiber Bragg grating) 센서의 경우에는 시스템을 구성하는 데 많은 비용이 소요되기 때문에 비경제적이다.Due to these advantages, various studies have been conducted to measure physical quantities using optical fiber sensors. In addition, various studies have been conducted on the optical fiber sensor as a sensor for monitoring the health of the structure. However, in the case of an extrinsic fabry-perot interferometric (EFPI) sensor, an interference signal is used, so a microscopic gap must be made using a microscope, and signal processing is complicated because the interference signal does not come out as a sine wave. In addition, the fiber Bragg grating (FBG) sensor is uneconomical because the system is expensive to construct.
그리고, 종래에는 격자무늬 패턴을 이용하여 변위, 스트레인 또는 가속도 등을 측정하는 기술들이 있다. 이 기술은 2개의 격자무늬 패턴(Grating Pattern)이 서로 겹쳐져 있을 때 발생하는 무아레 프린지 현상을 이용한다. 따라서, 이 기술은 2개의 격자판이 필요하다. 또한, 이 기술은 투과신호를 이용해 변위, 스트레인 또는 가속도 등을 측정하기 때문에, 발광부와 수광부의 역할을 각각 수행하는 2개의 광섬유를 한 쌍으로 구성해야 한다. 그로 인해, 센서로 제작할 경우에는 양쪽으로 광섬유 라인이 뻗어 있게 되므로 그 구조가 복잡해지는 단점이 있다.In the related art, there are techniques for measuring displacement, strain or acceleration using a grid pattern. This technique uses the moire fringe phenomenon that occurs when two grating patterns overlap each other. Thus, this technique requires two gratings. In addition, since this technique measures the displacement, strain, or acceleration using the transmitted signal, it is necessary to configure a pair of two optical fibers, each of which serves as a light emitting unit and a light receiving unit. Therefore, when fabricating a sensor, since the optical fiber lines extend to both sides, the structure is complicated.
따라서, 토목 구조물이나 건축 구조물, 전자기적 환경이 열악한 발전소나 철도 선로 등의 광범위한 분야에서 적용할 수 있는 단순하고 경제적이면서 효율적인 센서에 대한 연구개발이 절실히 요구되고 있다.Therefore, there is an urgent need for research and development of simple, economical and efficient sensors that can be applied in a wide range of fields such as civil engineering structures, building structures, power plants or railway tracks with poor electromagnetic environment.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량을 수신하여 이를 이용함으로써, 외력에 의해 가해진 변위, 압력, 진동 또는 가속도 등 다양한 측정이 가능한 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, the amount of light that is reflected after irradiating light through the optical fiber that does not receive electromagnetic interference to the reflective grating formed periodically with a reflective surface and a non-reflective surface By receiving and using the same, an object of the present invention is to provide an optical fiber sensor using a reflective grating plate capable of various measurements such as displacement, pressure, vibration or acceleration applied by an external force.
또한, 이 발명은 전자기파 간섭을 받지 않는 한 가닥의 광섬유와 1개의 반사 격자판을 이용함에 따라, 토목 구조물이나 건축 구조물, 전자기적 환경이 열악한 발전소나 철도 선로 등의 광범위한 분야에서 적용할 수 있는 저렴한 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서를 제공하는 데 다른 목적이 있다.In addition, the present invention uses a strand of optical fiber and one reflective grating as long as it is not subjected to electromagnetic interference, so that it can be applied to a wide range of fields such as civil engineering structures, building structures, power plants or railway tracks with poor electromagnetic environment. Another object is to provide an optical fiber sensor using a grid.
이 발명의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서는, 케이스와; 반사물질로 구성되어 반사영역을 형성하는 반사면과, 반사면보다 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 비 반사물질로 구성되어 비 반사영역을 형성하는 비 반사면이 주기적으로 배열된 격자 형태로 구성되어, 케이스 내에 설치되는 1개의 반사 격자판과; 반사 격자판의 표면과 수직한 방향으로 그 단부가 위치하도록 케이스에 지지되며, 반사 격자판에 광을 조사하는 발광부와 반사 격자판에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 각각 하는 한 가닥의 광섬유를 포함하며, 반사면의 폭과 비 반사면의 폭이 광섬유에서 조사되는 광빔의 직경과 동일하거나 작은 것을 특징으로 한다. The optical fiber sensor using the reflective grating board of this invention is a case; A reflective surface composed of a reflective material to form a reflective area, and a non-reflective surface composed of a non-reflective material having a relatively lower reflectance than the reflective surface to form a non-reflective area are formed in a lattice form periodically arranged in the case. One reflective grating installed; It is supported by the case so that its end is located in a direction perpendicular to the surface of the reflective grating, and includes a strand of optical fiber, each of which serves as a light emitting portion for irradiating light to the reflective grating and a light receiving portion for receiving the reflected light reflected from the reflective grating The width of the reflective surface and the width of the non-reflective surface are the same or smaller than the diameter of the light beam irradiated from the optical fiber.
이 발명의 반사 격자판은 반사면과 비 반사면이 직사각형 형태로 각각 형성될 수 있다. The reflective grating of the present invention may have a reflective surface and a non-reflective surface each formed in a rectangular shape.
이 발명의 광섬유의 단부는 수직 절단면 형태를 갖는 것이 바람직하고, 광섬유의 수직 절단면의 단부에는 광섬유로 반사되는 반사광의 광량을 증가시키기 위해 평행광을 만들어주는 시광기(collimator)를 장착하는 것이 더 바람직하다.It is preferable that the end of the optical fiber of the present invention has a vertical cut surface shape, and at the end of the vertical cut surface of the optical fiber, it is more preferable to mount a collimator for producing parallel light to increase the amount of reflected light reflected by the optical fiber. Do.
이 발명의 변위 측정용 광섬유 센서는, 상기와 같이 구성된 광섬유 센서를 이용하되, 반사 격자판의 일측을 측정 대상물의 일측에 고정하되, 측정 대상물의 이동방향 쪽으로 반사 격자판의 반사면과 비 반사면이 주기적으로 배열되도록 고정해, 측정 대상물의 변위를 측정하는 것을 특징으로 한다. In the optical fiber sensor for displacement measurement of the present invention, the optical fiber sensor configured as described above is used, but one side of the reflective grating is fixed to one side of the measurement target, and the reflective and non-reflective surfaces of the reflective grating are periodically oriented toward the moving direction of the measurement target. It is fixed so as to be arranged as, characterized in that for measuring the displacement of the measurement object.
이 발명의 진동 및 가속도 측정용 광섬유 센서는, 상기와 같이 구성된 광섬유 센서를 이용하되, 케이스의 하부 내측면에 고정되는 단일 감쇠자와, 단일 감쇠자의 상부에 설치되는 단일 탄성자와, 단일 탄성자의 상부에 설치되는 단일 질량체를 더 포함하며, 케이스를 측정 대상물에 고정하고, 측정 대상물의 진동 및 가속도방향 쪽으로 반사 격자판의 반사면과 비 반사면이 주기적으로 배열되도록 반사 격자판의 일측을 단일 질량체의 일측에 결합해, 측정 대상물의 진동 및 가속도를 측정하는 것을 특징으로 한다. The optical fiber sensor for vibration and acceleration measurement of the present invention, using the optical fiber sensor configured as described above, a single attenuator fixed to the lower inner side of the case, a single elastic member provided on the upper side of the single attenuator, It further includes a single mass body installed on the upper side, and the case is fixed to the measurement object, one side of the single-side mass of one side of the reflective grating so that the reflective surface and the non-reflective surface of the reflective grating periodically arranged in the direction of vibration and acceleration of the measurement object. It is characterized in that for measuring the vibration and acceleration of the measurement object.
이 발명의 압력 측정용 광섬유 센서는, 상기와 같이 구성된 광섬유 센서를 이용하되, 케이스의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되는 가이드바와, 케이스의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되되 가이드바의 일측에 설치되는 탄성자를 더 포함하며, 반사 격자판이 가이드바를 따라 슬라이드 이동 가능하도록 반사 격자판을 가이드바에 결합하고, 반사 격자판에 가해지는 압력방향 쪽으로 반사 격자판의 반사면과 비 반사면이 주기적으로 배열되도록 반사 격자판의 일측을 탄성자의 상부에 고정해, 압력을 측정하는 것을 특징으로 한다.The optical fiber sensor for pressure measurement of the present invention uses a fiber sensor configured as described above, but is fixed to the lower inner surface of the case and installed in a vertical direction, and a guide bar fixed to the lower inner surface of the case and installed in a vertical direction. It further comprises an elastomer installed on one side of the guide bar, the reflective grating is coupled to the guide bar so that the reflective grating slides along the guide bar, the reflective surface and the non-reflective surface of the reflective grating in the pressure direction applied to the reflective grating One side of the reflective grating plate is fixed to the upper part of the elastic member so as to be periodically arranged, and the pressure is measured.
이 발명은 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량을 수신하여 이를 이용하므로, 외력에 의해 가해진 변위, 압력, 진동 또는 가속도 등 다양한 측정이 가능한 센서 제작이 가능하다. The present invention receives the amount of reflected light after irradiating light through an optical fiber that is not subjected to electromagnetic interference to the reflective grating formed periodically with a reflective surface and a non-reflective surface, and thus uses the amount of reflected light, such as displacement, pressure, vibration, or acceleration applied by an external force. It is possible to manufacture sensors that can measure a variety of things.
또한, 이 발명은 전자기파 간섭을 받지 않는 한 가닥의 광섬유와 1개의 반사 격자판을 이용함에 따라, 저렴한 비용으로 토목 구조물이나 건축 구조물, 전자기적 환경이 열악한 발전소나 철도 선로 등의 광범위한 분야에서 적용할 수 있는 센서 제작이 가능하다.In addition, the present invention can be applied to a wide range of fields, such as civil engineering structures, building structures, power plants or railway lines with poor electromagnetic environment at low cost by using stranded optical fiber and one reflective grating as long as it is not subjected to electromagnetic interference. It is possible to manufacture a sensor.
또한, 이 발명은 반사 격자판을 MEMS 공정으로부터 대량생산이 가능하고, 광원(laser source)과 광검출기(photodetector)로 광학시스템을 구성할 수 있으므로, 비용절감 효과를 기대할 수 있어 실 구조물의 적용 활용도를 높일 수 있다.In addition, the present invention can mass-produce the reflective gratings from the MEMS process, and the optical system can be composed of a laser source and a photodetector, so that a cost-saving effect can be expected. It can increase.
또한, 이 발명은 반사 격자판을 측정 대상물에 편리하게 결합하거나 고정할 수 있으므로, 측정 대상물의 수평방향 및/또는 수직방향에 대한 자유로운 측정이 가능하다. In addition, the present invention can conveniently couple or fix the reflective grating to the measurement object, so that free measurement in the horizontal and / or vertical direction of the measurement object is possible.
먼저, 이 발명에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서의 기본 원리에 대해 설명한다.First, the basic principle of the optical fiber sensor using the reflective grating board according to the present invention will be described.
도 1은 이 발명에 사용되는 반사 격자판의 구성도이고, 도 2는 이 발명에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서의 기본 원리를 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 광섬유 센서의 구성관계를 좀 더 구체적으로 나타낸 구성도이며, 도 4는 도 3에 도시된 광섬유 센서를 통해 취득한 신호형태를 나타낸 그래프이다.1 is a block diagram of a reflective grating used in the present invention, Figure 2 is a block diagram showing the basic principle of the optical fiber sensor using a reflective grating according to the present invention, Figure 3 is a configuration relationship of the optical fiber sensor shown in FIG. 4 is a configuration diagram illustrating the signal form obtained through the optical fiber sensor shown in FIG. 3.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 이 발명의 반사 격자판(100)은 반사물질로 구성되어 반사영역을 형성하는 반사면(110)과, 비 반사물질로 구성되어 비 반사영역을 형성하는 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되어 격자 형태로 구성되어 있다. 여기서, 반사면(110)은 완전반사를 포함하되 완전반사가 아니더라도 비 반사면(120) 보다 반사율이 높은 것을 의미하고, 비 반사면(120)은 완전 무반사를 포함하되 완전 무반사가 아니더라도 반사면(110) 보다 반사율이 낮은 것을 의미하는 것으로, 넓은 의미로 각각 해석되어야 할 것이다.As shown in Figures 1 to 4, the
반사 격자판(100)은 반사면(110)과 비 반사면(120)이 직사각형 형태로 각각 형성된다. 즉, 반사 격자판(100)은 반사면(110)과 비 반사면(120)이 일정 주기(d)(pitch)를 갖고 반복적으로 배열되는 구조를 갖는다. 여기서, 일정 주기(d)라 함은 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)에 대한 합을 의미한다. 그리고, 반사면(110)과 비 반사면(120)은 광의 입사영역이 달라짐에 따라 반사되는 광량이 정현파적인 형태로 달라질 수 있다면 반사면(110)과 비 반사면(120) 간의 경계라인이 직선 형태가 아닌 곡선 형태로 구성하여도 무방하다.In the
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이 발명의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서는 광섬유(200)가 고정된 상태에서 직선운동을 하는 반사 격자판(100)에 광을 조사하고, 그 후 반사 격자판(100)에서 반사되는 반사광의 광량을 수신하여 이용하도록 구성된다. 이때, 반사 격자판(100)은 그 직선운동방향 쪽으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 배치된다. 그리고, 광섬유(200)는 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치된다. 따라서, 반사 격자판(100)은 광섬유(200) 끝단의 수직 절단면(210)과 수직한 방향으로 움직이고, 광섬유(200)의 수직 절단면(210)을 통해 조사되는 광은 반사 격자판(100)에서 반사되는 광량의 합으로 변조되어 일정 주기(d)마다 출력광으로 출력된다. 이때, 광섬 유(200)의 수직 절단면(210)의 단부에는 광섬유로 반사되는 반사광의 광량을 증가시키기 위해 평행광을 만들어주는 시광기(collimator)를 더 장착하는 것이 바람직하다. As shown in Figures 2 and 3, the optical fiber sensor using the reflective grating of the present invention irradiates light to the
여기서, 반사면(110)과 비 반사면(120) 간의 반사율의 차이가 클수록 간섭신호는 줄어들고 출력신호는 더 큰 진폭을 갖게 되어 해상도가 좋아진다. 이때, 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)이 광섬유(200)에서 조사되는 광빔의 직경과 동일하거나 작아야 주기적인 신호를 취득하여 신호처리가 가능하다. 다시 말해, 광빔의 직경과 같은 크기의 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)을 갖는 반사 격자판(100)을 사용할 때, 반사된 신호의 진폭이 가장 크다. 그리고, 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2) 간에 일정 비율을 갖거나 이들 폭(d1, d2)이 광빔의 직경보다 작아도 정현파의 신호가 나타나지만, 가우시안 분포를 갖는 광빔의 경우에는 광빔 직경의 40% 이상의 폭(d1, d2)을 갖는 반사면(110)과 비 반사면(120)을 구비한 반사 격자판(100)을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2) 간에 비율을 0.8~1.2로 구성하여도 정현파 신호를 얻을 수 있다.Here, as the difference in reflectance between the
이 발명은 광섬유(200)를 통해 전송되는 광원(220)으로 LD(laser diode) 또는 LED(light emitting diode) 등을 사용하여 광섬유(200) 끝단의 수직 절단면(210)을 통해 반사 격자판(100)에 광을 조사한다. 이때, 반사 격자판(100)의 반사영역인 반사면(110)에서 입사한 광은 반사되어 다시 광섬유(200)의 수직 절단면(210)을 통해 광섬유(200)로 전달된다. 그러면, 반사된 광은 셔큘레이터(230 ; circulator) 또는 커플러(coupler)에 의해 입사할 때와 그 경로를 달리하여 광검출기(240 ; photo detector)로 입력된다. 그로 인해, 출력광을 검출할 수 있게 된다. The present invention is a
이때, 동일한 변위 변화에 대해서도, 반사면(110)의 폭(d1), 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2) 간의 비율에 따라 도 4와 같이 서로 다른 민감도를 갖는 출력파형이 출력된다. 다시 말해, 도 4의 (b)와 같이 어느 구간에서나 해상도(resolution)가 일정한 삼각파가 만들어지기도 하고, 도 4의 (a)와 같이 정현파가 만들어지기도 하며, 비 선형적인 함수가 만들어지기도 한다. 이때, 비 선형적인 함수가 얻어지게 되면 수신한 신호로부터 변위의 예측이 어렵게 된다. At this time, even for the same displacement change, the width d1 of the
따라서, 반사 격자판(100)을 이용해 센서를 구성함에 있어서, 정현파를 출력할 수 있는 조건을 맞추는 것도 중요하지만, 센서의 민감도를 고려한 반사 격자판(100)의 패턴설계 또한 필요하다. 또한, 반사 격자판(100)을 사용하여 반사되는 광량의 변화를 통해 변위를 측정할 경우에는, 측정 대상의 변위 크기와 속도, 광량 측정 시스템의 응답속도 및 신호처리 속도 등을 고려하되, 다음의 두 가지 요소를 서로 절충해야 한다. 첫째는 반사 격자판(100)의 이동에 따라 나타나는 신호의 응답속도로 얼마나 빠르게 반응할 것인지 이고, 둘째는 반사 격자판(100)의 이동을 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는지 이다.Therefore, in constructing the sensor using the reflective grating
반사 격자판(100)의 이동에 따른 반응속도를 높이기 위해서는 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)을 줄여 이동구간 내에 많은 주기가 나타나게 하여, 특별한 신호처리 없이 주기를 보고 판단할 수 있게 하는 것이다. 그러나, 이 방법은 진폭이 줄어들게 되므로 이를 전압의 크기로 변환하여 측정할 때에 측정하는 광 검출기(240)의 사양(해상도)에 제약을 받게 된다. 한편, 느리게 바뀌는 변위를 정밀하게 측정할 경우에는 반사되는 광량의 변화 폭을 가능한 한 크게 해야 하므로 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)을 비교적 크게 설정해야 한다. 따라서, 반사 격자판(100)은 측정 대상의 상기와 같은 두 가지 측면을 모두 고려하여 설계해야 한다. In order to increase the reaction speed according to the movement of the
이 발명은 기존의 무아레 현상을 이용한 광섬유 센서에 비해 반사 격자판(100)을 1개만 사용하고, 광의 투과신호를 이용하지 않고 반사신호만을 이용하기 때문에 발광부와 수광부를 따로 두지 않고 한 가닥의 광섬유(200)에서 발광부와 수광부의 역할을 함께 하도록 구성된다. 따라서, 센서로 제작할 경우 그 구조를 단순화할 수 있다. 또한, 상기와 같은 기본 원리로 센서 헤드 모듈을 설계할 경우, 모든 전기/전자 장치로 인한 전자기파의 간섭을 배제할 수 있으므로, 이 발명의 광섬유 센서를 원자력, 기타 전력 생산에 필요한 기계설비 또는 건축/토목 구조물에 모두 적용가능하다. 또한, 이런 다양한 분야에 적용할 경우, 광섬유 센서의 특유의 장점으로 인해 환경적 잡음으로 인한 측정 결과의 신뢰성 저하를 최소화할 수 있다. 따라서, 상기와 같은 기본 원리를 바탕으로 센서 헤드부의 시스템을 측정하고자 하는 변수에 맞게 구성하면 광섬유 센서로의 활용이 가능하다.The present invention uses only one reflective grating
아래에서, 이 발명에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서의 양호한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of an optical fiber sensor using a reflective grating according to the present invention will be described in detail.
<제1 실시예><First Embodiment>
도 5a 및 도 5b는 이 발명의 제1 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서를 이용하여 측정 대상물의 1축, 2축 변위 측정 개념을 도시한 개념도이다.5A and 5B are conceptual views illustrating a concept of measuring uniaxial and biaxial displacements of a measurement object using an optical fiber sensor using a reflective grating according to a first embodiment of the present invention.
도 5a에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서는 상기의 기본 원리에서 설명한 바와 같이 광섬유(200)가 고정된 상태에서 직선운동을 하는 반사 격자판(100)에 광을 조사하고, 그 후 반사 격자판(100)에서 반사되는 반사광의 광량을 수신하도록 구성된다. 여기서, 반사 격자판(100)의 일측이 측정 대상물(500)의 일측에 고정된다. 이때, 반사 격자판(100)은 측정 대상물(500)의 직선운동방향 쪽으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 측정 대상물(500)에 고정된다. 또한, 광섬유(200)는 그 단면이 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다.As shown in FIG. 5A, the optical fiber sensor using the reflective grating plate of this embodiment irradiates light to the reflective grating
따라서, 측정 대상물(500)이 움직이면, 반사 격자판(100)이 광섬유(200)의 단면과 수직한 방향으로 움직이고, 광섬유(200)의 끝단을 통해 조사되는 광은 반사 격자판(100)에서 반사되는 광량의 합으로 변조되어 일정 주기(d)마다 출력광으로 출력되므로, 측정 대상물(500)의 1축에 대한 움직임 변위의 감지가 가능하다.Therefore, when the
그리고, 도 5b와 같이 측정 대상물(500)의 2축에 대한 움직임 변위를 측정하고자 할 경우에는, 도 5a와 동일한 개념으로 반사 격자판(100a)과 광섬유(200a)를 1개씩 더 설치함으로써, 측정 대상물(500)의 2축에 대한 움직임 변위의 감지가 가능하다. 따라서, 이 실시예는 상기와 같은 개념으로 반사 격자판과 광섬유를 설치함으로써, 측정 대상물의 다축에 대한 움직임 변위의 감지가 가능하다.And, if you want to measure the movement displacement with respect to the two axes of the
<제2 실시예>Second Embodiment
도 6은 이 발명의 제2 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이다.Fig. 6 is a schematic diagram showing the configuration of the optical fiber sensor for displacement measurement using the reflective grating plate according to the second embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서(600)는 원통형 케이스(610)와, 원통형 케이스(610)의 내부에 배치되는 원형 실린더(630)와, 일측이 원형 실린더(630)에 고정되고 타측이 원통형 케이스(610)의 하부를 관통하여 측정 대상물의 일측에 고정되는 연결바(640)와, 원형 실린더(630)의 상단에 고정되는 고정대(650)와, 고정대(650)에 그 일측이 고정되는 상기와 같이 구성되는 반사 격자판(100), 및 원통형 케이스(610)의 일측에서 관통하여 설치되되 반사 격자판(100)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 광섬유(200)로 구성된다. As shown in FIG. 6, the
여기서, 반사 격자판(100)은 측정 대상물의 직선운동방향 쪽으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 고정대(650)에 고정된다. 또한, 광섬유(200)는 그 단면이 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다. 그리고, 원통형 케이스(610)와 원형 실린더(630)가 접촉하는 부위에는 원형 실린더(630)가 상하로 이동할 때에 발생하는 마찰을 줄이기 위해 마찰계수가 낮은 폴리머 등의 재료로 코팅하는 것이 바람직하다. 그리고, 외력으로 인한 광섬유(200)의 진동이 발생하지 않도록 가능한 광섬유(200)의 길이를 짧게 하고, 광섬유(200)가 관통하는 원통형 케이스(610)의 구멍 둘레에 광섬유(200)를 가이드하는 가이드 부재(660)를 설치하는 것이 바람직하다. 이때, 가이드 부재(660)는 에폭시 등의 접착제로 원통형 케이스(610)의 구멍 둘레에 고정 된다. Here, the reflective grating
따라서, 측정 대상물이 움직이면, 반사 격자판(100)이 광섬유(200)의 단면과 수직한 방향으로 움직이고, 광섬유(200)의 끝단을 통해 조사되는 광은 반사 격자판(100)에서 반사되는 광량의 합으로 변조되어 일정 주기를 갖는 정현파로 출력되므로, 측정 대상물의 1축에 대한 움직임 변위의 감지가 가능하다.Therefore, when the measurement object is moved, the
<제3 실시예>Third Embodiment
도 7은 이 발명의 제3 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 진동 및 가속도 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이다.7 is a schematic diagram showing the configuration of the optical fiber sensor for vibration and acceleration measurement using a reflective grating plate according to a third embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서(700)는 케이스(710)와, 케이스(710)의 하부 내측면에 고정되는 단일 감쇠자(720)와, 단일 감쇠자(720)의 상부에 설치되는 단일 탄성자(730)와, 단일 탄성자(730)의 상부에 설치되는 단일 질량체(740)와, 단일 질량체(740)의 일측에 고정되는 상기와 같이 구성되는 반사 격자판(100), 및 케이스(710)의 일측에서 관통하여 설치되되 반사 격자판(100)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 광섬유(200)로 구성된다. As shown in FIG. 7, the
여기서, 반사 격자판(100)은 측정 대상물의 진동 및/또는 가속도 방향으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 단일 질량체(740)에 고정된다. 또한, 광섬유(200)는 그 단면이 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다. 그리고, 광섬유(200)가 관통하는 케이스(710)의 구멍 둘레에 광섬유(200)를 가이드하는 가이드 부재(750)를 설치하 는 것이 바람직하다. 이때, 가이드 부재(750)는 에폭시 등의 접착제로 케이스(710)의 구멍 둘레에 고정된다. Here, the
상기와 같이 구성된 이 실시예의 광섬유 센서(700)를 이용한 측정 대상물의 가속도를 측정함에 있어서는, 반사 격자판(200)에서 반사된 광량의 합으로부터 반사 격자판(200)과 케이스(710) 간의 상대변위를 구하고, 이 상대변위를 이용해 가속도를 측정할 수 있다. 이때, 반사 격자판(200)이 단일 질량체(740)에 결합되어 일체로 작용하므로 진동학적 관점에서 단일 질량체(740)의 상대변위와 외부에서 가해지는 가속도와의 선형관계를 이용해 최종적인 외부 가속도를 측정할 수 있다.In measuring the acceleration of the measurement object using the
<제4 실시예><Fourth Embodiment>
도 8은 이 발명의 제4 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 압력 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이다.8 is a schematic diagram showing the configuration of the optical fiber sensor for pressure measurement using a reflective grating according to a fourth embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반사 격자판을 이용한 압력 측정용 광섬유 센서(800)는 케이스(810)와, 케이스(810)의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되는 가이드바(820)와, 케이스(810)의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되되 가이드바(820)의 일측에 설치되는 탄성자(830)와, 탄성자(830)의 상부에 고정되며 가이드바(820)를 따라 직선운동이 가능한 상기와 같이 구성되는 반사 격자판(100)과, 케이스(810)의 일측에서 관통하여 설치되되 반사 격자판(100)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 광섬유(200), 및 반사 격자판(100)의 상부에 설치되어 외부의 압력이 반사 격자판(100)에 부가되도록 하는 압력 부가판(840)으로 구성된다. As shown in FIG. 8, the
여기서, 반사 격자판(100)은 압력이 가해지는 방향으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 탄성자(830)에 고정된다. 또한, 광섬유(200)는 그 단면이 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다. 그리고, 가이드 바(820)에는 홈이 파여 있어 반사 격자판(100)의 일부분이 끼워진 상태에서 슬라이드 이동이 가능하고, 보다 원활한 슬라이드 이동이 가능하도록 홈의 내부에 마찰을 줄이는 볼 베어링이 설치될 수 있다.Here, the reflective grating
그리고, 압력 부가판(840)은 그 둘레가 케이스(810)의 상단에 지지된 상태로 반사 격자판(100)에 연결되는 것으로서, 얇은 판으로 구성된다. 그리고, 광섬유(200)가 관통하는 케이스(810)의 구멍 둘레에 광섬유(200)를 가이드하는 가이드 부재(850)를 설치하는 것이 바람직하다. 이때, 가이드 부재(850)는 에폭시 등의 접착제로 케이스(810)의 구멍 둘레에 고정된다. In addition, the
상기와 같이 구성된 이 실시예의 광섬유 센서(800)를 이용하여 압력을 측정함에 있어서는, 압력이 가해짐에 따라 반사 격자판(100)이 이동하고, 그로 인한 가이드 바(820)의 변위정보를 이용해 압력을 측정할 수 있다.In measuring the pressure using the
이상에서 이 발명의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.The technical details of the optical fiber sensor using the reflective grating plate of the present invention have been described above with the accompanying drawings, but this is only illustrative of the best embodiment of the present invention and is not intended to limit the present invention.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations within the scope of the appended claims without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 이 발명에 사용되는 반사 격자판의 구성도이고, 1 is a block diagram of a reflective grating used in the present invention,
도 2는 이 발명에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서의 기본 원리를 나타낸 구성도이고, 2 is a block diagram showing the basic principle of the optical fiber sensor using a reflective grating according to the present invention,
도 3은 도 2에 도시된 광섬유 센서의 구성관계를 좀 더 구체적으로 나타낸 구성도이고, 3 is a configuration diagram showing in more detail the configuration of the optical fiber sensor shown in FIG.
도 4는 도 3에 도시된 광섬유 센서를 통해 취득한 신호형태를 나타낸 그래프이고, 4 is a graph showing a signal form acquired through the optical fiber sensor shown in FIG.
도 5a 및 도 5b는 이 발명의 제1 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서를 이용하여 측정 대상물의 1축, 2축 변위 측정 개념을 도시한 개념도이고, 5A and 5B are conceptual views illustrating a concept of measuring uniaxial and biaxial displacements of a measurement object using an optical fiber sensor using a reflective grating according to a first embodiment of the present invention.
도 6은 이 발명의 제2 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이고, 6 is a schematic diagram showing the configuration of the optical fiber sensor for displacement measurement using the reflective grating plate according to the second embodiment of the present invention;
도 7은 이 발명의 제3 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 진동 및 가속도 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이며, 7 is a schematic diagram showing the configuration of the optical fiber sensor for vibration and acceleration measurement using a reflective grating according to a third embodiment of the present invention,
도 8은 이 발명의 제4 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 압력 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이다.8 is a schematic diagram showing the configuration of the optical fiber sensor for pressure measurement using a reflective grating according to a fourth embodiment of the present invention.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠ ♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawing ♠
100 : 반사 격자판 110 : 반사면100: reflective grating 110: reflective surface
120 : 비 반사면 200 : 광섬유120: non-reflective surface 200: optical fiber
210 : 수직 절단면210: vertical cutting plane
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JP2007121008A (en) | 2005-10-26 | 2007-05-17 | Ntt Infranet Co Ltd | Seismometer/tsunami meter by optical fiber and earthquake/tsunami observation system |
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2009
- 2009-05-13 KR KR1020090041811A patent/KR101068463B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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Non-Patent Citations (1)
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논문 |
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CN111141219A (en) * | 2020-03-27 | 2020-05-12 | 深圳大学 | High-precision tunnel slab staggering positioning system and method based on low-coherence interference technology |
CN111141219B (en) * | 2020-03-27 | 2020-11-03 | 深圳大学 | High-precision tunnel slab staggering positioning system and method based on low-coherence interference technology |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR20100122753A (en) | 2010-11-23 |
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