KR101129261B1 - FBGFiber Bragg Gratings Acceleration Sensor for Multi-Point Measuring by Series Connection - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 브래그 격자 가속도 센서에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 광섬유 브래그 격자를 이용하여 가속도를 측정하도록 함으로써 직렬 연결을 통한 동시 다점 계측이 가능한, 광섬유 브래그 격자 가속도 센서를 제공함에 있다.
본 발명의 광섬유 브래그 격자 가속도 센서는, 물체(500)에 부착되어 상기 물체(500)의 가속도를 측정하는 가속도 센서(100)에 있어서, 함체 형태로 형성되는 케이스(110); 상기 케이스(110)의 내부 바닥면에 고정되는 마운트(120); 일측이 상기 마운트(120)의 상부에 고정되는 외팔보(130); 상기 외팔보(130)의 타측 끝단부에 부착되는 무게추(140); 상기 외팔보(130)의 길이 방향으로 연장되며 상기 외팔보(130)에 내장 구비되는 FBG(Fiber Bragg Gratings, 150); 상기 케이스(110)의 외측에 구비되어 외부로부터 연결되는 광섬유와 연결 가능하도록 형성되며, 입력 연결부(161) 및 출력 연결부(162)의 한 쌍으로 이루어지는 연결부(160); 광신호를 전달 가능한 광섬유로 이루어져, 상기 FBG(150)의 일측 끝단과 상기 입력 연결부(161)를 연결하고, 상기 FBG(150)의 타측 끝단과 상기 출력 연결부(162)를 연결하는 연결선(170); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to an optical fiber Bragg grating acceleration sensor, and an object of the present invention is to provide an optical fiber Bragg grating acceleration sensor capable of simultaneous multi-point measurement through a series connection by measuring the acceleration using the optical fiber Bragg grating.
The optical fiber Bragg grating acceleration sensor of the present invention, the acceleration sensor 100 is attached to the object 500 to measure the acceleration of the object 500, the case 110 is formed in the form of an enclosure; A mount 120 fixed to an inner bottom surface of the case 110; One side cantilever 130 is fixed to the upper portion of the mount 120; A weight 140 attached to the other end of the cantilever 130; Fiber Bragg Gratings (FBG) 150 extending in the longitudinal direction of the cantilever 130 and provided in the cantilever 130; A connection part 160 provided at an outer side of the case 110 and formed to be connected to an optical fiber connected from the outside, and including a pair of an input connection part 161 and an output connection part 162; The connection line 170 is formed of an optical fiber capable of transmitting an optical signal, and connects one end of the FBG 150 and the input connector 161, and connects the other end of the FBG 150 and the output connector 162. ; And a control unit.
Description
본 발명은 직렬 연결을 통한 동시 다점 계측이 가능한 광섬유 브래그 격자 가속도 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber Bragg grating acceleration sensor capable of simultaneous multi-point measurement through a series connection.
FBG(Fiber Bragg Gratings) 센서, 즉 광섬유 브래그(Bragg)격자 배열형 센서란, 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다. 일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다. 또한, FBG 센서에는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 빛의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다.Fiber Bragg Gratings (FBG) sensors, or fiber Bragg lattice array sensors, inscribe several fiber Bragg gratings on a single fiber in a single length, and then change the temperature according to external conditions such as temperature or intensity. It is a sensor using the characteristic that the wavelength of light reflected from the grating is changed. Generally, a germanium (Ge) material is usually added to the optical fiber core in order to increase the refractive index than the cladding, and structural defects may occur when the material is deposited on silica glass. In this case, when irradiated with strong ultraviolet rays to the optical fiber core, the bonding structure of germanium is deformed and the refractive index of the optical fiber is changed. Fiber Bragg grating refers to a periodic change in the refractive index of the fiber core using this phenomenon. This grating reflects only the wavelengths satisfying the Bragg condition and transmits the other wavelengths as they are. When the ambient temperature of the grating is changed or tension is applied to the grating, the refractive index or length of the optical fiber changes, which causes the wavelength of reflected light to change. Therefore, by measuring the wavelength of the light reflected from the optical fiber Bragg grating, it is possible to detect the temperature, tension, pressure, bending. In addition, in the FBG sensor, multiple gratings are used for one strand of optical fiber. In this case, by varying the reflection wavelength of each grating, it is possible to easily distinguish the physical quantity experienced by a particular grating from the reflected light spectrum.
FBG 센서의 가장 큰 응용 중에 하나는 구조물의 상태를 진단하는 것이다. 교량, 댐, 건축물 등의 제작 시에 콘크리트 내부에 FBG 센서를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도 등을 감지하여 구조물의 안전 상태를 진단할 수 있다. FBG 센서는 또한 항공기나 헬리콥터 등의 날개 상태 진단 등에도 응용되는 등, 인장 및 수축과 같은 변형값을 감지하여 응용하는 분야에 널리 사용 가능한 기술이다.One of the biggest applications of FBG sensors is to diagnose the condition of the structure. When manufacturing bridges, dams, buildings, etc., FBG sensors can be installed inside the concrete, and the safety status of the structure can be diagnosed by detecting the tension distribution and the degree of bending inside the structure. FBG sensors are also widely used in the field of sensing and application of strain values such as tension and contraction, such as those used in aircraft or helicopter wing condition diagnosis.
이와 같이 FBG 센서는, 센서 자체가 고유한 파장값을 가지므로 각종 구조물의 초기값 대비 누적변형을 측정할 수 있으며, 전자 유도의 영향이 없어, 잡음이 없고 신뢰성과 계측 정밀도의 향상이 가능하다. 또한 광섬유 내에 서로 다른 간격을 가지는 브래그 격자를 여러 개 형성할 수 있으므로, 한 가닥의 광섬유 케이블에 최대 30개 정도의 센서를 종속 접속할 수 있으며, 한 개의 센서로 화재 감지(온도 센서), 침입자 감지, 토목구조물의 건전성 감시 등 여러 기능을 동시에 수행할 수 있다. 또한 광섬유센서 방식은 전기식에 비해 측정거리를 10배 이상으로 연장할 수 있으며, 낙뢰의 영향이 없고 고전압, 강자계 환경에서도 사용이 가능하고, 기본적으로 방폭 성능을 구비하고 있으며, 전기식의 경우 배선의 열화, 단락 등으로 발화의 위험 상존하는 것과는 달리 녹슬거나 부식이 없고, 내구성이 높으며, 발화의 위험이 없어 석유화학 등의 중요 플랜트 내에서도 안전하게 사용할 수 있는 등의 여러 장점이 있다.
As such, since the sensor itself has a unique wavelength value, the FBG sensor can measure cumulative deformation compared to the initial value of various structures, and there is no influence of electromagnetic induction, thereby reducing noise and improving reliability and measurement accuracy. In addition, several Bragg gratings with different spacings can be formed in the optical fiber, so that up to 30 sensors can be cascaded to one strand of optical fiber cable. With one sensor, fire detection (temperature sensor), intruder detection, Several functions can be performed at the same time, including monitoring the soundness of civil structures. In addition, the optical fiber sensor method can extend the measuring distance by more than 10 times compared to the electric type, and can be used in high voltage and ferromagnetic environment without the effect of lightning, and it is basically equipped with explosion-proof performance. Risk of ignition due to deterioration, short circuit, etc. Unlike existing ones, there are various advantages such as no rust or corrosion, high durability, and no risk of ignition so that they can be safely used in important plants such as petrochemicals.
한편, 종래의 가속도 센서는 일반적으로 탄성계를 이용하여 만들어져 왔다. 도 1은 종래의 가속도 센서의 구조 및 원리를 설명하는 도면으로서, 도시된 바와 같이 각각 일측이 고정단에 고정되어 있는 탄성체(k1)(k2)들이 하나의 무게추(m) 양쪽에 연결되어 있는 형태로 이루어진다. 여기에, 상기 탄성체들 중 하나 또는 양쪽의 고정단 측에 압전 소자가 구비되어 있다.On the other hand, conventional acceleration sensors have generally been made using an elastic system. 1 is a view for explaining the structure and principle of a conventional acceleration sensor, as shown in each of the elastic body (k1) (k2), one side is fixed to the fixed end is connected to both of the weight (m) In the form of Here, a piezoelectric element is provided on the fixed end side of one or both of the elastic bodies.
이와 같은 종래의 가속도 센서가 부착된 물체가 소정의 가속도로 운동하게 되면, 상기 가속도 센서 내의 상기 무게추(m)가 가속도의 크기 및 상기 탄성체(k1)(k2)의 탄성계수와 관련하여 이동을 하게 된다. 이에 따라 상기 압전 소자에 압력이 걸려 상기 압전 소자의 특성에 따라 소정의 전기 신호가 발생되게 되며, 이 전기 신호 값을 측정하여 상기 무게추(m)에 걸리는 가속도의 크기를 측정할 수 있게 된다.When the object with the conventional acceleration sensor is attached at a predetermined acceleration, the weight m in the acceleration sensor moves relative to the magnitude of the acceleration and the elastic modulus of the elastic bodies k1 and k2. Done. Accordingly, a pressure is applied to the piezoelectric element so that a predetermined electric signal is generated according to the characteristics of the piezoelectric element, and the magnitude of the acceleration applied to the weight m can be measured by measuring the electric signal value.
그런데, 이러한 탄성계를 이용한 종래의 가속도 센서의 경우 한 점에서밖에는 측정할 수 없다는 단점이 있다. 따라서 전체가 강체로 이루어져 모든 위치에서 동일한 가속도가 작용하는 물체가 아닌 경우, 각부에서의 가속도를 측정하고 싶을 때 종래의 가속도 센서에서는 다수 개의 가속도 센서를 각 점에 부착하고 또한 각 가속도 센서로부터 나오는 신호선(즉 상기 압전 소자에서 측정되는 전기 신호 값을 빼낼 수 있는 신호선)을 각각 연결해 주어야 하는 바, 센서 부착 및 측정이 어려운 문제가 있다.
However, the conventional accelerometer using such an elastic system has a disadvantage in that only one point can be measured. Therefore, when the entire body is not an object with the same acceleration in all positions, when the acceleration is to be measured at each position, in the conventional acceleration sensor, a plurality of acceleration sensors are attached to each point and a signal line from each acceleration sensor is used. (That is, a signal line capable of extracting the electric signal value measured by the piezoelectric element) must be connected to each other, which causes a problem in that it is difficult to attach and measure the sensor.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 광섬유 브래그 격자를 이용하여 가속도를 측정하도록 함으로써 직렬 연결을 통한 동시 다점 계측이 가능한, 광섬유 브래그 격자 가속도 센서를 제공함에 있다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to enable the measurement of the acceleration using the optical fiber Bragg grating, the optical fiber Bragg grating capable of simultaneous multi-point measurement through a series connection It is to provide an acceleration sensor.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 브래그 격자 가속도 센서는, 물체(500)에 부착되어 상기 물체(500)의 가속도를 측정하는 가속도 센서(100)에 있어서, 함체 형태로 형성되는 케이스(110); 상기 케이스(110)의 내부 바닥면에 고정되는 마운트(120); 일측이 상기 마운트(120)의 상부에 고정되는 외팔보(130); 상기 외팔보(130)의 타측 끝단부에 부착되는 무게추(140); 상기 외팔보(130)의 길이 방향으로 연장되며 상기 외팔보(130)에 내장 구비되는 FBG(Fiber Bragg Gratings, 150); 상기 케이스(110)의 외측에 구비되어 외부로부터 연결되는 광섬유와 연결 가능하도록 형성되며, 입력 연결부(161) 및 출력 연결부(162)의 한 쌍으로 이루어지는 연결부(160); 광신호를 전달 가능한 광섬유로 이루어져, 상기 FBG(150)의 일측 끝단과 상기 입력 연결부(161)를 연결하고, 상기 FBG(150)의 타측 끝단과 상기 출력 연결부(162)를 연결하는 연결선(170); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.The optical fiber Bragg grating acceleration sensor of the present invention for achieving the object as described above, in the
이 때, 상기 가속도 센서(100)는 상기 물체(500) 상에 다수 개 배치되되, 각 상기 가속도 센서(100)의 상기 연결부(160)가 광신호를 전달 가능한 광섬유로 이루어지는 신호선(200)에 의하여 직렬 연결되는 것을 특징으로 한다.In this case, a plurality of
또한, 상기 FBG(150)는 상기 외팔보(130) 및 상기 마운트(120)의 연결부 중 상기 마운트(120)의 외곽선 위치를 루트부(R)라 할 때, 상기 루트부(R)로부터 상기 외팔보(130)의 중심선을 따라 상기 무게추(140) 쪽으로 연장되어 구비되는 것을 특징으로 한다.In addition, the FBG 150 is the cantilever (130) from the root portion (R) when the position of the outline of the
또한, 상기 외팔보(130)는 상기 외팔보(130) 및 상기 마운트(120)의 연결부 중 상기 마운트(120)의 외곽선 위치를 루트부(R)라 할 때, 상기 루트부(R) 측 폭이 넓고 상기 무게추(140)가 부착된 측 폭이 좁은 사다리꼴 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the
또한, 상기 연결선(170)은 상기 외팔보(130)의 변형 시 접촉이 일어나지 않도록 상기 무게추(140) 쪽에서 꼬임으로써 상기 외팔보(130)의 상기 무게추(140) 측 끝단과의 간격을 형성하여 유지하는 꼬임부(S)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the
본 발명에 의하면, 종래의 (특히 탄성계를 이용하는) 가속도 센서가 한 점에서밖에는 가속도를 측정할 수 없었던 문제를 해결하여, 여러 위치에서의 가속도 측정을 용이하게 할 수 있게 되는 큰 효과가 있다. 보다 상세히 설명하자면, 본 발명의 광섬유 브래그 격자 가속도 센서는, 브래그 격자의 원리를 이용하여 가속도를 측정하기 때문에 직렬 연결을 해도 각각의 가속도 센서에서 측정되는 값을 독립적으로 뽑아내는 것이 용이하여, 여러 위치에 본 발명의 가속도 센서를 각각 배치시키고 서로를 단 하나의 신호선으로 직렬 연결하여도 각 가속도 센서에서의 측정값을 정확히 알아낼 수 있게 되는 것이다.According to the present invention, there is a great effect that the conventional acceleration sensor (particularly using an elastic system) solves the problem that acceleration can only be measured at one point, and facilitates acceleration measurement at various positions. In more detail, since the optical fiber Bragg grating acceleration sensor of the present invention measures acceleration using the principle of Bragg grating, it is easy to extract the values measured by each acceleration sensor independently even in series connection, Even if each of the acceleration sensors of the present invention is disposed and connected to each other in series with only one signal line, the measured values of each acceleration sensor can be accurately determined.
뿐만 아니라 본 발명의 가속도 센서는 여러 개의 가속도 센서를 하나의 신호선으로 연결하여 동시 다점 신호 측정망을 구성할 수 있으므로, 측정 지점이 많을 경우 신호선의 무게를 줄일 수 있는 효과가 있다. 이 때, 이러한 효과에 따라 구조물의 동특성에 영향을 크게 저감시켜 줌으로써, 가속도의 측정 정밀도를 보다 향상시킬 수 있는 효과 또한 있다.
In addition, the acceleration sensor of the present invention can configure a multi-point signal measuring network by connecting a plurality of acceleration sensors to a single signal line, there is an effect that can reduce the weight of the signal line when there are many measuring points. At this time, according to this effect, by greatly reducing the influence on the dynamic characteristics of the structure, there is also an effect that can further improve the measurement accuracy of the acceleration.
도 1은 종래의 가속도 센서의 구조 및 원리.
도 2는 본 발명의 가속도 센서.
도 3은 본 발명의 가속도 센서의 사용 상태도.1 is a structure and principle of a conventional acceleration sensor.
2 is an acceleration sensor of the present invention.
3 is a state diagram used in the acceleration sensor of the present invention.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 광섬유 브래그 격자 가속도 센서를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
Hereinafter, an optical fiber Bragg grating acceleration sensor according to the present invention having the configuration as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2는 본 발명의 가속도 센서를 도시하고 있다. 본 발명의 가속도 센서(100)는 어떤 물체(500)에 부착되어 상기 물체(500)의 가속도를 측정하게 되는데, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 케이스(110)와, 마운트(120)와, 외팔보(130)와, 무게추(140)와, FBG(Fiber Bragg Gratings, 150)와, 연결부(160)와, 연결선(170)을 포함하여 이루어지게 된다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.2 shows an acceleration sensor of the present invention.
상기 케이스(110)는 함체 형태로 형성되어, 상기 물체(500) 상에 직접 부착 구비되며, 또한 외부로부터 그 내부의 구조를 보호하는 역할을 한다.The
상기 마운트(120)는 상기 케이스(110)의 내부 바닥면에 고정되며, 상기 외팔보(130)는 일측이 상기 마운트(120)의 상부에 고정되게 된다. 상기 마운트(120)에 의하여, 상기 외팔보(130)는 상기 케이스(110)의 내부 바닥면으로부터 소정 간격 이격된 위치에 고정 지지될 수 있게 된다.The
상기 무게추(140)는 상기 외팔보(130)의 타측, 즉 상기 외팔보(130)가 상기 마운트(120)와 결합된 위치의 반대쪽 끝단부에 부착된다. 상기 외팔보(130) 끝에 상기 무게추(140)가 부착됨으로써 상기 외팔보(130) 및 상기 무게추(140)는 하나의 진동계를 형성하게 되는데, 이러한 진동계의 주파수 응답 특성은, 상기 외팔보(130)의 두께, 길이, 상기 무게추(140)의 무게 등에 따라 설계자에 의하여 적절히 결정될 수 있다.The
상기 FBG(150)는 상기 외팔보(130)의 길이 방향으로 연장되며 상기 외팔보(130)에 내장 구비되게 된다. 상기 외팔보(130) 및 상기 FBG(150)에 의하여 가속도의 측정이 이루어지게 되는데, 이에 대해서는 이후 보다 상세히 설명한다.The FBG 150 extends in the longitudinal direction of the
상기 연결부(160)는 상기 케이스(110)의 외측에 구비되어 외부로부터 연결되는 광섬유와 연결 가능하도록 형성된다. 이 때, 상기 연결부(160)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 입력 연결부(161) 및 출력 연결부(162)의 한 쌍으로 이루어지게 된다.The
상기 연결선(170)은 광신호를 전달 가능한 광섬유로 이루어져, 상기 FBG(150)의 일측 끝단과 상기 입력 연결부(161)를 연결하고, 상기 FBG(150)의 타측 끝단과 상기 출력 연결부(162)를 연결하게 된다. 도 2에서는 상기 입력 연결부(161)가 상기 FBG(150)의 상기 마운트(120) 쪽에, 상기 출력 연결부(162)가 상기 FBG(150)의 상기 무게추(140) 쪽에 구비되는 것으로 도시되어 있으며, 이에 따라 상기 FBG(150)의 상기 마운트(120) 쪽 끝단이 상기 입력 연결부(161)와, 상기 FBG(150)의 상기 무게추(140) 쪽 끝단이 상기 출력 연결부(161)와 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 물론 하나의 실시예일 뿐으로, 광섬유 연결의 편의성이나 제작 또는 설계 상의 목적 등에 따라 그 위치나 연결 방향 등이 적절히 변경될 수 있음은 당연하다.
The
FBG(Fiber Bragg Gratings) 센서, 즉 광섬유 브래그(Bragg)격자 센서란, 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.Fiber Bragg Gratings (FBG) sensors, or fiber Bragg grating sensors, inscribe several fiber Bragg gratings on a strand of fiber along a certain length, and then in each grating according to external conditions such as temperature or intensity. It is a sensor using the characteristic that the wavelength of reflected light is changed.
일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이런 경우, 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다. 광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. Generally, a germanium (Ge) material is usually added to the optical fiber core in order to increase the refractive index than the cladding, and structural defects may occur when the material is deposited on silica glass. In this case, when the ultraviolet rays are irradiated to the optical fiber core, the refractive index of the optical fiber is changed while the bonding structure of germanium is deformed. Fiber Bragg grating refers to a periodic change in the refractive index of the fiber core using this phenomenon.
이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있다.This grating reflects only the wavelengths satisfying the Bragg condition and transmits the other wavelengths as they are. When the ambient temperature of the grating is changed or tension is applied to the grating, the refractive index or length of the optical fiber changes, which causes the wavelength of reflected light to change. Therefore, by measuring the wavelength of the light reflected from the optical fiber Bragg grating, it is possible to detect the temperature, tension, pressure, bending.
상술한 바와 같이 반사광의 파장과 브래그 격자의 간격 사이에는 일정한 함수 관계가 있으며, 이를 이용하여 브래그 격자 간격을 계산함으로써 구조물의 인장률 등을 산출할 수 있게 되는 것이다. 변형이 없는 상태, 즉 초기 상태에서의 반사광의 파장은 FBG 센서 제작 단계에서 미리 알고 있는 값이므로, 변형이 일어난 상태에서의 반사광의 파장을 정확히 측정하기만 한다면 인장률을 정확하게 산출할 수 있다.As described above, there is a constant function relationship between the wavelength of the reflected light and the spacing of the Bragg gratings, and the tensile modulus of the structure can be calculated by calculating the Bragg lattice spacings. Since the wavelength of the reflected light in the non-strained state, that is, the initial state, is a known value at the FBG sensor fabrication stage, the tensile modulus can be accurately calculated only by accurately measuring the wavelength of the reflected light in the deformed state.
본 발명의 가속도 센서(100)가 부착된 상기 물체(500)가 가속도를 받게 되면, 상기 무게추(140) 역시 가속도를 받게 되며, 이에 따라 상기 외팔보(130)가 굽혀지는 형상 변형이 일어나게 된다. 이 때, 상기 외팔보(130)에 내장되어 있는 상기 FBG(150)에서도 역시 상기 외팔보(130)의 변형에 따라 인장 또는 수축되는 형상 변형이 일어나게 된다. 이 때, 상기 FBG(150)로 광을 입사시켜, 상술한 바와 같이 변형 전 및 변형 후 상기 FBG(150)를 통과하는 반사광의 파장을 각각 비교함으로써, 상기 외팔보(130)의 인장 또는 수축 정도를 정확하게 산출할 수 있게 되는 것이다.When the
상기 외팔보(130) 및 상기 무게추(140)가 형성하는 진동계의 주파수 응답 특성과, 상기 FBG(150)를 통과한 반사광의 파장을 이용해 얻은 상기 외팔보(130)의 인장률을 사용하면, 상기 무게추(140)에 걸리는 가속도의 크기를 쉽게 산출해 낼 수 있다.
When using the frequency response characteristics of the vibration system formed by the
상기 외팔보(130) 및 상기 마운트(120)의 연결부 중 상기 마운트(120)의 외곽선 위치를 루트부(R)라 할 때, 상기 FBG(150)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 루트부(R)로부터 상기 외팔보(130)의 중심선을 따라 상기 무게추(140) 쪽으로 연장되어 구비되는 것이 바람직하다. 상기 외팔보(130)의 변형은 상기 루트부(R) 부분에서 가장 크게 일어나며, 따라서 이 부분에서의 인장률을 측정하는 것이 가장 정확한 결과를 얻을 수 있기 때문이다.When the outline position of the
또한, 이와 같이 상기 FBG(150)가 상기 루트부(R) 측에 구비될 때, 상기 외팔보(130)는 상기 루트부(R) 측 폭이 넓고 상기 무게추(140)가 부착된 측 폭이 좁은 사다리꼴 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 FBG(150)에 전달되는 변형률이 전 구간에서 일정하지 않고 일부 변동되는 구간이 생길 경우, 상기 FBG(150)에서 나오는 반사광의 파장 피크(peak)가 깨어져 계측에 오류가 발생될 소지가 늘어나게 된다. 이 때 상기 외팔보(130)가 상술한 바와 같이 루트부(R) 측 폭이 넓게 형성되게 되면, 상기 FBG(150)로 전달되는 변형률이 보다 균일화될 수 있게 되어, 상술한 바와 같은 계측 오류의 위험성을 훨씬 줄일 수 있다.In addition, when the
또한, 상기 연결선(170)은 상기 무게추(140) 쪽에서 꼬임으로써 상기 외팔보(130)의 상기 무게추(140) 측 끝단과의 간격을 형성하여 유지하는 꼬임부(S)가 형성되는 것이 바람직하다. 가속도를 받아 상기 외팔보(130)의 변형이 일어나고 있는 상태에서, 만일 상기 연결선(170)이 늘어져 있는 상태로 배치되어 있을 경우 상기 외팔보(130)의 변형을 막게 될 위험성이 있으며, 이러한 경우 상기 외팔보(130)의 인장률이 가속도 이외의 요소에 의하여 결정되게 되는 바, 정확한 가속도를 측정할 수 없게 된다. 그러나 상기 연결선(170)이 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 꼬임부(S)를 형성하여 상기 외팔보(130)의 상기 무게추(140) 측 끝단과의 간격이 유지되도록 함으로써, 가속도를 받아 상기 외팔보(130)의 변형이 일어났을 때 상기 꼬임부(S)에 의하여 형성된 간격 때문에 상기 연결선(170)과 상기 외팔보(130)의 접촉을 방지할 수 있다.
In addition, the
도 3은 본 발명의 가속도 센서의 사용 상태도이다. 본 발명의 가속도 센서(100)는 물론 단일 개가 상기 물체(500) 상에 구비될 수도 있으나, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 다수 개가 구비될 경우 종래에 비해 더욱 편리한 장점이 있다.3 is a state diagram of use of the acceleration sensor of the present invention. Of course, a single dog may be provided on the
본 발명의 가속도 센서(100)가 상기 물체(500) 상에 다수 개 배치될 경우, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에서는 각 상기 가속도 센서(100)의 상기 연결부(160)가 광신호를 전달 가능한 광섬유로 이루어지는 신호선(200)에 의하여 직렬 연결되게 된다. 즉 본 발명의 가속도 센서(100)는 상기 물체(500) 상에 다수 개가 구비된다 해도 하나의 선으로 연결된 형태로 만들 수 있는 것이다. 본 발명의 가속도 센서(100)에서는 가속도 측정에 상기 FBG(150)를 이용하는 바, 광원의 파장 분할 다중화를 통해 하나의 광섬유 라인 선상에서 여러 개의 센싱 포인트를 구성할 수 있다. 다시 말해서, FBG의 특성상 다수의 서로 다른 파장을 가지는 광이 통과된다 해도 서로 간섭이 일어나지 않으며, 따라서 직렬 연결을 하더라도 각 가속도 센서(100)에서 나오는 반사광들을 노이즈 없이 받을 수 있어, 측정에 아무런 문제가 없는 것이다.When a plurality of
이에 따라, 종래의 가속도 센서가 한 점에서의 가속도 측정밖에는 수행할 수 없었으며, 또한 다수 개를 구비할 경우 신호선의 연결이 복잡해지는 문제가 있었던 것을, 본 발명의 가속도 센서(100)는 서로 직렬 연결이 가능하도록 함으로써 일시에 해결하는 큰 효과를 얻는다.Accordingly, the conventional acceleration sensor could only perform acceleration measurement at one point, and when a plurality of acceleration sensors were provided, the connection of signal lines was complicated, and the
도 3에서는 단지 상기 가속도 센서(100)들이 한 줄로 단순하게 직렬 연결되어 있는 형태를 도시하였는데, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 응용을 할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 가속도 센서(100)를 2축 또는 3축으로 배열하여 구성되는 다축 가속도 센서 패치를 구현할 수 있으며, 이를 광섬유들로 연결함으로써 광섬유 가속도 센서망을 구성할 수도 있는 등, 본 발명의 가속도 센서(100)의 배열, 위치, 방향 등은 설계자의 의도나 목적에 따라 얼마든지 자유롭게 변형 실시될 수 있다.
3 illustrates a form in which the
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application of the present invention is not limited to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Of course, various modifications can be made.
100: (본 발명의) 가속도 센서
110: 케이스 120: 마운트
130: 외팔보 140: 무게추
150: FBG(Fiber Bragg Gratings) 160: 연결부
161: 입력 연결부 162: 출력 연결부
170: 연결선
S: 꼬임부 R: 루트부
200: 신호선 500: 물체100: acceleration sensor (of the present invention)
110: case 120: mount
130: cantilever 140: weight
150: Fiber Bragg Gratings (FBG) 160: connection portion
161: input connection 162: output connection
170: connecting line
S: twisted part R: root part
200: signal line 500: object
Claims (5)
함체 형태로 형성되는 케이스(110);
상기 케이스(110)의 내부 바닥면에 고정되는 마운트(120);
일측이 상기 마운트(120)의 상부에 고정되는 외팔보(130);
상기 외팔보(130)의 타측 끝단부에 부착되는 무게추(140);
상기 외팔보(130)의 길이 방향으로 연장되며 상기 외팔보(130)에 내장 구비되는 FBG(Fiber Bragg Gratings, 150);
상기 케이스(110)의 외측에 구비되어 외부로부터 연결되는 광섬유와 연결 가능하도록 형성되며, 입력 연결부(161) 및 출력 연결부(162)의 한 쌍으로 이루어지는 연결부(160);
광신호를 전달 가능한 광섬유로 이루어져, 상기 FBG(150)의 일측 끝단과 상기 입력 연결부(161)를 연결하고, 상기 FBG(150)의 타측 끝단과 상기 출력 연결부(162)를 연결하는 연결선(170);
를 포함하여 이루어지며,
상기 FBG(150)는 상기 외팔보(130) 및 상기 마운트(120)의 연결부 중 상기 마운트(120)의 외곽선 위치를 루트부(R)라 할 때, 상기 루트부(R)로부터 상기 외팔보(130)의 중심선을 따라 상기 무게추(140) 쪽으로 연장되어 구비되며,
상기 외팔보(130)는 상기 루트부(R) 측 폭이 넓고 상기 무게추(140)가 부착된 측 폭이 좁은 사다리꼴 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 가속도 센서.
In the acceleration sensor 100 attached to the object 500 to measure the acceleration of the object 500,
A case 110 formed in a housing shape;
A mount 120 fixed to an inner bottom surface of the case 110;
One side cantilever 130 is fixed to the upper portion of the mount 120;
A weight 140 attached to the other end of the cantilever 130;
Fiber Bragg Gratings (FBG) 150 extending in the longitudinal direction of the cantilever 130 and provided in the cantilever 130;
A connection part 160 provided at an outer side of the case 110 and formed to be connected to an optical fiber connected from the outside, and including a pair of an input connection part 161 and an output connection part 162;
The connection line 170 is formed of an optical fiber capable of transmitting an optical signal, and connects one end of the FBG 150 and the input connector 161, and connects the other end of the FBG 150 and the output connector 162. ;
It is made, including
The FBG 150 has the cantilever 130 from the root part R when the outline position of the mount 120 among the connecting parts of the cantilever 130 and the mount 120 is a root part R. It is provided extending toward the weight 140 along the center line of,
The cantilever 130 is a fiber Bragg grating acceleration sensor, characterized in that the width of the root portion (R) is formed in a trapezoidal shape having a wide width and the narrow side width is attached to the weight (140).
상기 물체(500) 상에 다수 개 배치되되, 각 상기 가속도 센서(100)의 상기 연결부(160)가 광신호를 전달 가능한 광섬유로 이루어지는 신호선(200)에 의하여 직렬 연결되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 가속도 센서.
The method of claim 1, wherein the acceleration sensor 100
A plurality of optical fiber Bragg gratings are arranged on the object 500, and the connection part 160 of each of the acceleration sensors 100 is connected in series by a signal line 200 made of an optical fiber capable of transmitting optical signals. Acceleration sensor.
상기 외팔보(130)의 변형 시 접촉이 일어나지 않도록 상기 무게추(140) 쪽에서 꼬임으로써 상기 외팔보(130)의 상기 무게추(140) 측 끝단과의 간격을 형성하여 유지하는 꼬임부(S)가 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 브래그 격자 가속도 센서.The method of claim 1, wherein the connection line 170
When the cantilever 130 is deformed, a twisted portion S is formed to form a gap with the end of the weight 140 side of the cantilever 130 by being twisted at the weight 140 so that contact does not occur. Fiber Bragg grating acceleration sensor, characterized in that.
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| KR1020100041923A KR101129261B1 (en) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | FBGFiber Bragg Gratings Acceleration Sensor for Multi-Point Measuring by Series Connection |
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