KR101125466B1

KR101125466B1 - 광섬유센서 위치측정 장치

Info

Publication number: KR101125466B1
Application number: KR1020090044039A
Authority: KR
Inventors: 권형우; 유원열
Original assignee: (주) 유식스
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2012-03-28
Also published as: KR20100125040A

Abstract

본 발명은 구조물에 매설되는 광섬유센서의 정확한 위치를 측정함으로써 각 센서단의 변위상태를 통하여 정확하고 정밀하게 구조물의 진단을 수행할 수 있도록 한 광섬유센서 위치측정 장치에 관한 것으로서, 구조물에 매설되는 광섬유센서로 광원을 입사시킨 후 반사되어 나오는 파장 중 각각의 센서에 맞는 파장을 걸러내도록 하는 광학필터와, 상기 광학필터에 의하여 걸러진 광신호를 전기적인 신호로 변환시켜주는 광검출기와, 상기 광검출기로부터 검출된 전기적인 신호를 증폭시키는 증폭기와, 증폭된 아날로그 신호를 디지털로 변환시키는 아날로그 디지털변환기와, 측정된 정보를 프로세싱 로직을 통하여 식별할 수 있도록 제어하는 콘트롤러로 이루어지는 광섬유센서 모니터링시스템에 있어서;

상기 모니터링시스템을 이용하여 기준위치에서 피측정 구조물에 매설된 개별센서단의 정확한 위치를 측정할 수 있는 위치측정수단을 더 구비하는 것이 특징이다.

광섬유센서, 파장, 입력, 모니터링, 파장가변링레이저, 브로드밴드광원

Description

광섬유센서 위치측정 장치{LOCATION MEASURING DEVICE FOR FIBER BRAGG GRATING}

본 발명은 광섬유센서 위치측정 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 광섬유센서를 이용하여 구조물을 모니터링 하는 시스템에 적용하여 광섬유센서의 위치를 정확하게 측정하여 소프트웨어적으로 보상하여 구조물 모니터링시스템의 측정 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 광섬유센서 위치측정 장치의 제공에 관한 것이다.

광섬유센서(Fiber Bragg Grating, 1)는 도 1에 도시된 바와 같이 광섬유(2)에 일정한 간격의 규칙적인 굴절율(Refractive Index) 변이격자(3)를 새긴 것으로, 광신호를 광섬유센서(1)에 입사하면 입력측으로 굴절율(Refractive Index) 변이 및 격자 간 거리에 따른 해당 파장만을 반사하고, 나머지 파장 대의 신호는 투과 시키는 특징이 있는 일종의 광학 필터 소자이다.

이러한 광섬유센서(1)는 다양한 용도로 사용되고 있으나 근자에 들어서는 구조물(교량, 대형건축물, 주요시설, 비행장, 고속철도 기타 등) 구축시 광섬유센서(1)를 매설한 후 구조물이 완성된 상태에서 구조물의 노화나 환경변화에 따른 변형을 감지하기 위한 모니터링시스템에 많이 적용되고 있다.

이러한 모니터링시스템(5)은 도 2에 도시된 바와 같이, 연속적으로 다수의 파장성분을 포함하는 광대역 광원을 광섬유센서(1)로 주입한 후 광섬유센서의 파장정합조건에 의해 반사되어 나오는 파장을 튜너블옵티컬필터(Tunable Optical Filter, 6)의 파장 스캐닝을 통하여 각 센서의 파장을 걸러내도록 하고, 이와 같이 걸러진 특정파장의 광신호를 전기적인 신호로 변환시켜주는 광검출기(7)와, 광검출기(7)의 전기적 신호를 증폭시키는 증폭기(8)와, 증폭된 아날로그 신호를 디지털로 변환시키는 아날로그 디지털변환기(9)와 측정된 정보를 프로세싱 로직을 통하여 식별할 수 있도록 제어하는 콘트롤러(10)로 이루어져 구조물에 매설된 각각의 광섬유센서(1)의 변위 값을 측정하게 된다.

상기 콘트롤러(10)에서 기준지점으로부터 센서까지의 거리(L)를 측정하는 수식 L = 1/2 × (t₁ - t₀) × c/n을 포함하여 측정하게 된다.

여기서, L은 기준지점으로부터 측정하고자 하는 센서까지의 거리.

t₁ - t₀는 측정 시작시점부터 반사로 인해 포토다이오드에 전기적 신호 피크가 검출되는 데까지 걸린 시간.

c는 진공중에서의 광속.

n은 광섬유의 굴절율.

1/2을 곱하는 이유는 센서까지 빛이 들어갔다가 반사되어 나오기 때문에 실제로는 거리의 두배를 빛이 왕복하기 때문입니다.

상기와 같이 측정된 각각의 광섬유센서의 변위 값(파장변화)에 구조물 구 축시 매설된 광섬유센서의 위치정보를 설계도로부터 제공받아 에 설치된 센서의 위치정보를 입력하여 보정해 줌으로서 정확한 파장의 측정이 가능하도록 하고 있다.

상기와 같은 종래 기술에서는 각각의 센서의 파장측정결과치에 설계시공도면 상에 나와 있는 센서의 위치를 수동으로 입력하여 보정하여야 각 센서별로 정확한 파장의 측정이 가능하게 된다.

이러한 경우에는 실제 구조물이 설계될 때에는 광섬유센서가 구조물에 직선으로 설치되는 것으로서 되어 있으나, 실제 구조물이 시공되는 과정에서 A위치의 센서와 B위치의 센서 사이에 발생하는 잔여 부분의 경우 정리하여 처리하기 때문에 설계상의 센서간 이격거리와 실제 시공된 후의 이격거리는 달라질 수 있으며, 이를 측정결과에 있어 무시할 수 없는 오차를 발생시킨다.

또한, 실제 시공시 광섬유센서가 직선으로 설치되지 않는 경우가 발생하는 것은 물론, 광섬유센서의 전체길이가 짧은 경우에는 큰 문제를 야기하지 않을 수 있으나, 광섬유센서의 전체길이가 수㎞ 또는 수십㎞에 이르는 경우도 많기 때문에 각 센서의 파장에 실측 없이 시공도면에 기초한 위치를 대입시켜 센서위치를 결정하였을 경우에는 상당한 오차가 발생하게 된다.

이와 같이 실제 센서의 위치와 이론(설계)상의 센서 위치가 다르게 됨으로서 센서의 파장 변화에 따른 정확한 위치를 확인하는 것이 어렵기 때문에 제공된 데이터를 통하여 구조물의 안전상태 또는 위험상태를 정확하게 분석하여 조치하는 것이 어렵게 된다.

구조물이 외부 또는 내부요인에 의하여 어느 특정 위치에 이상발생을 감지한 상태라 하더라도 해당 광섬유센서의 위치 측정에 오차가 발생하게 될 경우 정확한 진단과 그 진단에 따르는 후속조치를 수행하였음에도 불구하고 구조물의 안전이 확보되지 못하게 되는 등 여러 문제점이 발생하게 된다.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서 구조물에 매설되는 광섬유센서로 광원을 입사시킨 후 반사되어 나오는 파장 중 각각의 센서에 맞는 파장을 걸러내도록 하는 광학필터와, 상기 광학필터에 의하여 걸러진 광신호를 전기적인 신호로 변환시켜주는 광검출기와, 상기 광검출기로부터 검출된 전기적인 신호를 증폭시키는 증폭기와, 증폭된 아날로그 신호를 디지털로 변환시키는 아날로그 디지털변환기와, 측정된 정보를 프로세싱 로직을 통하여 식별할 수 있도록 제어하는 콘트롤러로 이루어지는 광섬유센서 모니터링시스템에 있어서;

상기 모니터링시스템을 이용하여 기준위치에서 광섬유센서에 구비되는 센서단의 정확한 위치를 측정할 수 있는 위치측정수단을 더 구비하여, 각 센서단의 정확한 위치를 측정하여 각 센서단의 변위상태를 통하여 정확하고 정밀하게 구조물의 진단을 수행할 수 있는 목적 달성이 가능하다.

본 발명은 구조물 구조물에 매설된 각각이 광섬유센서로 입사되어 해당 광섬유센서로부터 반사되어 나오는 반사파장이 모니터링시스템까지 도달하는 시간을 측정하여 거리로 환산하여 실제 기준위치에서 각 광섬유센서와의 거리를 정확하게 측 정하여 소프트웨어적으로 보상하여 측정정확도를 향상시키도록 함으로서 구조물 모니터링을 정확하고 효율적으로 수행가능하게 되는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 기술이 적용된 광섬유센서 위치측정 장치를 도시한 1예의 구성도, 도 4는 본 발명의 기술이 적용된 광섬유센서 위치측정 장치를 도시한 2예의 구성도로서 함께 설명한다.

통상적인 광섬유센서 모니터링시스템(100)은 구조물에 매설되는 광섬유센서(101)로 입사시킨 후 반사되어 나오는 파장 중 각각의 센서에 맞는 파장을 걸러내도록 하는 광학필터(Tunable Optical Filter, 102)를 구비하고, 상기 광학필터(102)에 의하여 걸러진 광신호를 전기적 신호로 변환하는 광검출기(103)와, 상기 광검출기(103)의 전기적인 신호를 증폭시키는 증폭기(104)와, 증폭된 아날로그 신호를 디지털로 변환시키는 아날로그 디지털변환기(105)와 측정된 정보를 프로세싱 로직을 통하여 식별할 수 있도록 제어하는 콘트롤러(106)로 이루어진다.

본 발명에서는 상기 모니터링시스템(100)을 이용하여 피측정 구조물에 매설된 광섬유센서(101)에 각각 구비되는 센서단(107,108,109...)의 정확한 위치를 측정할 수 있는 위치측정수단(110)을 더 구비하는 광섬유센서 위치측정 장치(D)를 제공하는 것을 특징으로 한다.

상기 위치측정수단(110)은 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...)으로 파장을 입력하기 위한 가변파장입력수단으로 출력파장을 마이크로컨트롤러를 이용하여 제어하여 광섬유센서(101)에 구비되는 각각의 센서단(107,108,109...)에 맞는(반사 되는)파장을 연속하여 만들어내는 파장가변링레이저(111)를 구비한다.

상기 파장가변링레이저(111)는 파장가변링레이저(111)로부터 생성된 파장을 광섬유센서(101) 어레이(Array)로 입력시킬 수 있도록 펄스(Pulse) 형태로 만드는 광변조기(Electoro Optic Modulator, 112)와 연결한다.

상기 광변조기(112)와 광섬유센서(101) 및 모니터링시스템(110)을 구성하는 광검출기(103) 사이에는 광학커플러(113)를 연결하여 파장가변링레이저(111)로 부터 제공되는 입사광은 광섬유센서(101)로 입사되도록 하고, 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...)로부터 반사되어 나오는 반사광은 광검출기(103)로 제공하도록 분리시키는 역할을 수행하도록 한다.

본 발명의 다른 예로서는, 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...)으로 파장을 입력하기 위한 가변파장입력수단을 파장가변링레이저(111)를 사용하지 않고 광원자체에 다수의 파장성분이 포함되어 있는 White Light Source 또는 SLED와 같은 브로드밴드(Broadband)광원(115)을 사용하여 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...)의 위치를 측정할 수 있도록 한다.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 광섬유센서 위치측정 장치(D)의 작동상태에 대하여 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

상기 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...)으로 파장을 입력하기 위 한 수단으로 파장가변링레이저(111)를 구비한 경우에는,

인가전압에 비례하여 투과대역이 변화되는 광학필터(102)를 파장가변링레이저(111)의 궤환루프에 구비한 후 광학필터(102)에 삼각파를 인가하면 파장가변링레이저(111)에서 연속적인 파장의 레이저 발진이 일어나고 이를 커플러를 통하여 광변조기(112)로써 펄스 형태로 변조시킨다.

여기서 파장가변링레이저(111)는 일종의 파장스캐너로 동작하며 광변조기(112)에 의해 생성된 광펄스는 프로브(Probe)시그널의 역할을 수행한다.

상기 광섬유센서(101)에 구비되는 각 센서단(107,108,109...)은 서로 다른 고유의 반사파장을 가지며, 파장가변링레이저(111)에 의해 연속적으로 생성된 광펄스에 파장결맞음이 일어날 경우 광검출기에는 전기적인 피크 신호가 검출된다.

예를 들어 광변조기(112)에서 광섬유센서(101)에 입력할 수 있는 펄스형태로 첫 번째 위치의 센서단(107)에 반사될 수 있도록 변조된 파장은 광학커플러(113)를 통하여 광섬유센서(101)로 입력되고, 입력된 파장은 첫 번째에 위치한 센서(107)에 도달하면 해당 파장은 반사되어 광학커플러(113)를 통하여 광검출기(103)로 도달하게 된다.

상기와 같이 광검출기(103)로 도달한 파장은 전기적인 신호로 변환되어 해당 센서단에서의 반사로 인한 피크 신호를 만들어내어 증폭기(104)와 아날로그 디지탈변환기(105)를 거쳐 증폭과 아날로그 디지털의 변환을 거친 후 콘트롤러(106)에 의하여 파장의 입력 기준시점부터 반사로 인한 전기적인 피크신호 검출시점까지의 시간을 측정함으로서 첫 번째 센서(107)의 위치를 측정가능하게 된다.

물론, 두 번째 센서(108) 또는 그 이상의 센서도 마찬가지로 해당 센서에 맞는 파장을 파장가변링레이저(111)로부터 출력 받아 광변조기(112)를 통하여 펄스형태로 변환한 후 광학커플러(113)를 통하여 광섬유센서(101)로 입사시킨 후 해당 센서로부터 반사되어오는 파장을 모니터링시스템(100)을 통하여 확인하여 해당 센선(107,108,019...)의 위치를 소프트웨어적으로 측정할 수 있게 된다.

이와 같이 측정한 각 센서(107,108,109...)의 값은 콘트롤러(106)에 의하여 저장되며, 각 센서(107,108,109...)의 위치측정이 끝난 후에는 광섬유센서(101)의 각 센서(107,108,109...)의 변위 값을 모니터링시스템(100)을 이용하여 통상의 측정 방법과 같이 측정하여 콘트롤러(106)에 저장한 후 프로세싱 제어 로직을 통하여 변위값과 위치 값을 대입시켜 보정을 수행한 후 정확한 측정값을 산출할 수 있게 되는 것이다.

상기 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...)으로 파장을 입력하기 위한 수단으로 브로드밴드광원(115)을 이용한 경우에는, 광원 자체에 다수의 파장성분이 포함되어 있기 때문에 브로드밴드광원(115)이 진행하면서 각 센서단(107,108,109...)에 해당하는 파장의 신호만 선택(반사)되어 모니터링시스템(100)으로 도달하고, 모니터링시스템(100)에서는 각 센서(107,108,109...)의 이격 거리에 해당되는 반사 피크(Peak)가 시간차를 두고 검출되기 때문에 콘트롤러(106)에서는 이들 피크(Peak) 신호 간의 시간을 측정함으로서 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...) 위치 측정 가능하게 되는 것이다.

물론, 파장가변링레이저(111) 또는 브로드밴드광원(115)을 통하여 발생한 파장을 광선유센서(101)로 입사시킬 경우 각 센서단(107,108,109...)와 매치 되지 않은 파장은 그대로 통과하고 해당되는 파장만 해당 센서단(107,108,109...)에서 반사시키기 때문에 측정 과정에서의 파장 간섭 등에 의한 측정 오류현상은 발생하지 않음은 당연할 것이다.

이러한 본 발명은 구조물 시공 과정에서 매설되는 광섬유센서(101)가 직선으로 설치되지 않거나, 많은 여장처리 되어 설계상의 위치와 실제 위치가 다를 경우 이를 소프트웨어적인 보상을 통하여 정확하게 각 센서단의 위치를 측정할 수 있으므로 해당 센서단의 변위상태를 통하여 정확하고 정밀하게 구조물의 진단을 수행할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 기술이 적용된 광섬유센서 위치측정 장치를 설명하기 위한 광섬유센서를 도시한 구성도.

도 2는 본 발명의 기술이 적용된 광섬유센서 위치측정 장치를 설명하기 위한 광섬유센서 측정장치를 도시한 구성도.

도 3은 본 발명의 기술이 적용된 광섬유센서 위치측정 장치를 도시한 1예의 구성도.

도 4는 본 발명의 기술이 적용된 광섬유센서 위치측정 장치를 도시한 2예의 구성도.

*도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명*

100; 모니터링시스템

101; 광섬유센서

102; 광학필터

107,108,109...; 센서단

110; 위치측정수단

111; 파장가변링레이저

112; 광변조기

113; 광커플러

115; 브로드밴드광원

Claims

구조물에 매설되는 광섬유센서(101)로 광원을 입사시킨 후 반사되어 나오는 파장 중 각각의 센서에 맞는 파장을 걸러내도록 하는 광학필터(102)와;

상기 광학필터(102)에 의하여 걸러진 광신호를 전기적인 신호로 변환시키는 광검출기(103)와;

상기 광검출기(103)로부터 검출된 전기적 신호를 증폭시키는 증폭기(104)와;

증폭된 아날로그 신호를 디지털로 변환시키는 아날로그 디지털변환기(105)와;

측정된 정보를 프로세싱 로직을 통하여 식별할 수 있도록 제어하는 콘트롤러(106)로 이루어지는 광섬유센서 모니터링시스템(100)에 있어서;

상기 모니터링시스템(100)을 이용하여 기준위치에서 피측정 구조물에 매설된 광섬유센서(101)에 구비되는 개별 센서단(107,108,109...)의 정확한 위치를 측정할 수 있는 위치측정수단(110)을 더 구비하고;

상기 위치측정수단(110)은 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...)으로 파장을 입력하기 위한 가변파장입력수단과;

상기 가변파장입력수단과 연결되어 가변파장입력수단으로부터 생성된 파장을 광섬유센서(101) 어레이(Array)로 입력시킬 수 있도록 펄스(Pulse) 형태로 만드는 광변조기(112)와;

상기 광변조기(112)와 광섬유센서(101) 및 모니터링시스템(100)을 구성하는 광검출기(103) 사이에 연결하여 가변파장입력수단으로부터 제공되는 입사광은 광섬유센서(101)로 입사되도록 하고, 광섬유센서(101)의 각 센서단(107,108,109...)로부터 반사되어 나오는 반사광은 광검출기(103)로 제공하도록 분리시키는 광학커플러(113)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유센서 위치측정 장치.
제 1 항에 있어서;

상기 가변파장입력수단은 출력파장을 마이크로컨트롤러를 이용하여 제어하여 광섬유센서(101)에 구비되는 각각의 센서단(107,108,109...)에 맞는(반사 되는)파장을 연속하여 만들어내는 파장가변링레이저(111) 또는,

광원자체에 다수의 파장성분이 포함되어 있는 브로드밴드광원(115)인 것을 특징으로 하는 광섬유센서 위치측정 장치.