KR101148863B1 - 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법 및 광섬유 가속도 센서 - Google Patents

광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법 및 광섬유 가속도 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광섬유 가속도 센서에 대한 온도 보상 방법으로서, 광섬유 가속도 센서의 파장값에서 과거 특정 시간동안의 이동평균(moving average) 값을 기준 파장값으로 산출하고, 상기 산출된 기준 파장값을 이용하여 온도 보정을 수행하고 가속도 값을 산출하는 것을 특징으로 한다.

Description

광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법 및 광섬유 가속도 센서{A method of temperature compensation for fiber optic acceleration sensor, and optic acceleration sensor using thereof}
본 발명은 광섬유 가속도 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유 가속도 센서의 온도 온도 보상 방법에 관한 것이다.
최근 선박 내에서 광섬유 격자 센서를 이용한 계측 시스템의 적용이 증가하고 있다. 광섬유의 일반적인 구성은 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1을 참조하면 광섬유 내에서 빛이 전파되는 원리는 굴절률이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행할 때, 그 경계면에서 일정한 각도내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리이다. 광섬유 코어(1)로 입사된 빛은 굴절률이 높은 코어(1)층과 굴절률이 낮은 클래딩(2, cladding)층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파된다. 상기 클래딩(2) 층의 외주면은 코팅층(3)에 의해 둘러싸여 있고, 그 코팅층(3)의 외주면은 재킷(4)에 의해 둘러싸여 보호된다.
도 2는 광섬유 격자 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면 광섬유에 자외선을 격자 형식으로 조사하면 격자(5)의 간격(d)에 따라 특정 파장을 반사하게 된다. 즉 광섬유 격자 센서는 광섬유에 주기적인 굴절률 변조신호를 주어 특정 파장의 빛을 반사시키는 원리이다.
이와 같은 광섬유 격자 센서(Fiber Bragg Grating Sensor, FBG sensor)를 이용한 시스템은 저온, 고온, 고압 등의 극한의 환경에 대해 견고하고, 근본적으로 폭발의 위험이 없으며, 노이즈에 강하고 시스템이 간소하다는 장점이 있다. 이에 반하여 광섬유 격자 센서는 항상 온도 보정을 해야 한다는 단점이 있다. 광섬유 격자 센서의 온도 보정은 일반적으로 온도 센서를 이용한다. 온도 센서를 이용한 온도 보정은 환경의 조건에 따라 오차가 생기기 쉽고 추가적인 센서가 필요하다는 단점이 있다. 이러한 오차는 신호의 실효값(RMS, root mean square)을 왜곡시켜서 잘못된 결과를 초래할 수 있는 문제점이 있다.
일반적으로 광섬유 격자 센서를 사용하는 시스템에 적용되는 광섬유 가속도 센서의 온도에 따른 보정된 가속도의 계산 방법은 다음 식(1)과 같다. 이하에서 광섬유 가속도 센서는 상기 광섬유 격자 센서를 채용한 가속도 센서 시스템을 칭하는 것으로 한다.
Figure 112010019996616-pat00001
... 식(1)
Figure 112010019996616-pat00002
... 식(2)
상기 식(1) 또는 식(2)에서 상수 또는 변수의 의미는 다음과 같다.
g : 가속도[g]
λm : 측정 파장값[pm]
λc : 센서 고유의 중심 파장값[pm]
Sg : 가속도에 대한 센서의 민감도[pm/g]
ST : 온도에 대한 센서의 민감도 [pm/deg]
ΔT : 온도 센서로부터 관측된 온도 변화[deg]
위 상수 값 중 λc 는 생산단계에서 결정되는 광섬유 격자 센서 고유의 영점 파장이다. 영점 파장이란 중심 파장이라고도 하며, 광섬유 격자센서의 원리로부터 쉽게 이해할 수 있다. 즉, 광섬유 격자 센서는 물리량의 변화를 파장의 변화로서 감지하는 센서이다. 각각의 광섬유 격자 센서는 고유의 영점 파장을 가지고 있으며 그 영점 파장으로부터 변하는 파장의 정도를 대상으로 하는 물리량(예:온도, 변형율, 압력, 가속도 등)으로 바꿔주는 것이다. 예컨대, 영점 파장이 1550nm 인 광섬유 가속도 센서가 있다고 가정한다. 그리고, 현재 계측된 파장이 1555nm 라고 하면, 변화량은 5nm가 된다. 그리고, 가속도에 대한 파장의 민감도가 1nm/g라고 하면 상기 광섬유 가속도 센서가 출력하는 가속도는 5g가 된다. 즉, 영점 파장을 중심으로 변화하는 파장 Δλ로부터 목표로 하는 물리량 즉 가속도를 산출해 내는 것이다. 상기 식(1)에서 변수는 Δλ와 ΔT이다. Δλ는 λm 을 측정함으로써 구할 수 있으며, ΔT는 별도의 온도 보상용 센서로부터 측정할 수 있다.
이와 같은 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법은 센서의 설치 구역의 환경 조건에 따라 오차가 발생하기 쉽다. 여기서, 상기 환경 조건은 예컨대 광섬유 가속도 센서가 장착된 위치의 차이나 센서 마감재질의 차이 등을 들 수 있다. 또한, 상기 식(1)에서 ΔT를 구하기 위한 추가적인 온도 측정용 센서가 필요하기 때문에 별도의 온도 측정용 센서가 필요하다는 단점이 있다.
본 발명의 실시예는 추가적인 보정용 센서 없이도 신뢰성 있는 온도 보정을 할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 방법은, 광섬유 가속도 센서에 대한 온도 보상 방법으로서,
광섬유 가속도 센서의 중심 파장값에서 과거 특정 시간 동안의 상기 중심 파장값의 이동평균(moving average) 값을 기준 파장값으로 정의하고, 상기 기준 파장값을 이용하여 온도 보정을 수행하고 가속도 값을 정의하는 점에 특징이 있다.
복수회 측정된 상기 기준 파장값(
Figure 112011079409926-pat00003
) 중 k 번째 측정치에 대한 기준 파장값을
Figure 112011079409926-pat00004
라 할 때,
상기 기준 파장값(
Figure 112011079409926-pat00005
)은 수학식
Figure 112011079409926-pat00006
에 의하여 정의되며,
상기 광섬유 가속도 센서의 가속도 값(gk)는 수학식
Figure 112011079409926-pat00007
에 의하여 정의되는 것이 바람직하며, 여기서, N은 과거 X 초 동안 계측된 신호 샘플의 개수이고,
Figure 112011079409926-pat00008
는 가속도 센서의 k 번째 중심 파장의 측정치에 대한 기준 파장값[pm]이고, λi는 N 개의 신호 샘플 중 i 번째 파장값[pm]이고, λk는 k 번째 중심 파장의 측정치[pm]이며, Sg는 가속도에 대한 센서의 민감도[pm/g]를 의미한다.
상기 방법을 이용하여 상기 광섬유 가속도 센서로부터 온도를 계산하는 방법으로서,
상기 광섬유 가속도 센서의 k 번째 측정 온도(Tk)는 수학식
Figure 112011079409926-pat00009
에 의해 정의될 수 있다.
상기 방법이 기록된 기록매체를 제조할 수 있다.
상기 방법으로 구동되는 광섬유 가속도 센서를 제조할 수 있다.
본 발명은 추가적인 보정용 센서 없이도 하나의 광섬유 가속도 센서를 이용하여 신뢰성 있는 온도 보정을 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 광섬유 케이블의 구성을 보여주는 도면이다
도 2는 광섬유 격자 센서의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 방법을 이용한 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법에 의해 계산된 가속도 값을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법을 이용한 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법에 의해 계산된 가속도 값을 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 종래의 방법을 이용한 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법에 의해 계산된 가속도 값을 보여주는 그래프이다. 도 4는 본 발명에 따른 방법을 이용한 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법에 의해 계산된 가속도 값을 보여주는 그래프이다.
본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법은, 광섬유 격자센서에 대한 온도 보상 방법에 적용할 수 있는 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 가속도 센서의 온도 보상방법은 시간에 따라 광섬유 가속도 센서로부터 측정되는 기준 파장값을 과거 특정 시간 동안의 기준 파장값의 이동평균(moving average) 값으로 갱신(update)하여 온도에 의한 정적인 변화를 보정하는 점에 특징이 있다. 이 방법의 원리는 기준 파장값의 이동평균에 온도에 의한 영향이 반영되어 있다는 점을 응용한 것이다.
이 방법을 응용하면 광섬유 가속도 센서의 가속도 값에 대한 온도 보정뿐만 아니라, 온도에 의한 정적인 변화값을 의미하는 이동 평균값을 이용하여 센서설치 구역의 온도를 계산할 수도 있다.
상기 광섬유 가속도 센서의 k번째 측정된 기준 파장값
Figure 112010019996616-pat00010
를 계산하는 방법은 다음 식(3)에 의한다. 본 명세서에서, 기준 파장값
Figure 112010019996616-pat00011
는 온도변화에 대한 정보를 담고 있는 중심 파장과 같은 역할을 하기 때문에 기준이 되는 파장값이라는 의미에서 기준 파장값이라 칭하기로 한다.
Figure 112010019996616-pat00012
...식(3)
여기서, 본 실시예에서는 i=1로 설명하고 있으나, 본 발명이 적용되는 환경에 따라 i가 지정된 신호로부터 지정될 수 있음은 본 발명의 기술적 사상에 비추어 당업자에게 자명하다. 따라서, 가속도 센서에서 일정한 시간동안 측정된 중심 파장값의 평균이 이동 평균값이며, 그 값은 기준 파장값과 같다.
또한, 식(3)을 이용하여 계산된 기준 파장값
Figure 112010019996616-pat00013
을 이용하여 이하, 수학식 (4)에 의해 가속도 값을 구할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 광섬유 가속도 센서의 가속도 값을 gk라 할 때,
Figure 112010019996616-pat00014
...식(4)
에 의해 계산되며,
N : 과거 X 초 동안 계측된 신호 샘플의 개수
Figure 112010019996616-pat00015
: 가속도 센서의 k 번째 파장의 측정치에 대한 기준 파장값[pm=10-12m]
λi : N 개의 신호 샘플 중 i 번째 파장값[pm]
λk : k 번째 파장의 측정치[pm]
Sg : 가속도에 대한 센서의 민감도[pm/g]를 나타낸다.
이와 같이 식(3)으로부터 계산된 기준 파장값(
Figure 112010019996616-pat00016
)을 이용하여 식(4)와 같이 가속도를 구할 수 있다.
또한, 식(3)에서 구한 기준 파장값을 이용하여 상기 광섬유 가속도 센서를 온도 센서로 이용할 수 있다. 즉, 상기 광섬유 가속도 센서를 사용하여 온도를 계산하는 방법은 다음 식(5)와 같다.
상기 광섬유 가속도 센서로부터 온도를 계산하는 방법으로서,
상기 광섬유 가속도 센서의 k 번째 측정 온도(Tk)는,
Figure 112010019996616-pat00017
...식(5)
에 의해 계산되며,
상기 식(5)에서,
Tk : k 번째 측정 온도
ST :온도에 대한 센서의 민감도[pm/deg C]
λT :온도 보정 전 계측된 파장값
T0 :온도 보정 전 계측된 온도값을 의미한다.
상기 기준 파장값(
Figure 112010019996616-pat00018
)은 과거 일정 시간 동안 계측된 측정값들의 평균이며, 매 신호 샘플마다 계산되어 새로운 기준 파장값으로 갱신(update)된다. 상기 일정 시간은
Figure 112010019996616-pat00019
가 갑자기 변하지 않을 수 있도록 충분히 길게 설정될 수 있다. 예를 들어 상기 일정 시간은 60초 이상일 수 있다. 식(4)의 조건을 통해 상기 광섬유 가속도 센서의 온도에 의한 정적인 변화와 가속도에 의한 동적인 변화를 구분하여 평균에 반영할 수 있다. 상기 식(3)에서 기준 파장값
Figure 112010019996616-pat00020
는 센서의 설치위치의 온도에 의한 파장의 변화를 의미한다. 즉 온도 보정을 통해 λT 와 T0 값을 정의하면 기준 파장값
Figure 112010019996616-pat00021
값을 활용하여 가속도 센서를 온도 센서로 활용할 수 있는 것이다. 여기에서 T0 값은 임시로 측정 시점에서 별도의 온도 계측기를 통해 1회만 측정하여 간편하게 얻을 수 있는 값이며 그 이후에는 본 발명의 실시예에 따라 별도의 기준 온도를 측정할 필요가 없다.
도 3은 종래의 방법을 이용한 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법에 의해 계산된 가속도 값을 보여주는 그래프이다. 도 4는 본 발명에 따른 방법을 이용한 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법에 의해 계산된 가속도 값을 보여주는 그래프이다. 도 3과 도 4를 비교하면 본원 발명에 의한 온도 보상 방법이 적용된 경우(도 4)가 종래의 경우 보다 보상 오차가 적게 나타나는 것을 알 수 있다. 도 3 및 도 4에서 가로축은 시간(초)을 나타내며 세로축은 온도 보정이 반영된 가속도 값을 나타낸다. 도 3 및 도 4에서 측정 시간은 약 4시간 동안 측정된 결과를 보여주고 있다. 도 3 및 도 4는 선박에 설치된 광섬유 가속도 센서에서 측정된 가속도 신호를 보여주고 있다. 도 3과 도 4를 비교하면 도 4에 도시된 가속도 값이 도 3에 도시된 가속도 값에 비하여 "0" 에 근접하고 있는 것을 알 수 있으며, 보정된 가속도 값이 온도에 의한 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 가속도값은 온도의 영향과 가속도의 영향을 동시에 받고 있음을 보여주고 있다. 이에 비하여 도 4에 도시된 가속도값은 온도에 영향을 받지 않은 것을 보여주고 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 광섬유 가속도 센서는 추가적인 보정용 센서 없이도 하나의 광섬유 가속도 센서를 이용하여 신뢰성 있는 온도 보정을 할 수 있는 효과가 있다.
상기 광섬유 가속도 센서의 온도 보정 방법은 예컨대 롬(ROM), 컴팩트 디스크(CD), 플래쉬 메모리(flash memory), 하드 디스크(hard disk) 등과 같은 기록매체에 기록하여 사용할 수 있다.
또한, 상기 광섬유 가속도 센서의 온도 보정 방법은 광섬유 가속도 센서를 제어하는 인쇄회로기판과 결합하여 광섬유 가속도 센서로 제조할 수 있음은 자명하다.
이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 광섬유 가속도 센서의 중심 파장값에서 과거 특정 시간 동안의 상기 중심 파장값의 이동평균(moving average) 값을 기준 파장값으로 정의하고, 상기 기준 파장값을 이용하여 온도 보정을 수행하고 가속도 값을 정의하는 것을 특징으로 하는 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법으로서,
    복수회 측정된 상기 기준 파장값(
    Figure 112011079409926-pat00022
    ) 중 k 번째 기준 파장값을
    Figure 112011079409926-pat00023
    라 할 때,
    상기 기준 파장값(
    Figure 112011079409926-pat00024
    )은 수학식
    Figure 112011079409926-pat00025
    에 의하여 정의되며,
    상기 광섬유 가속도 센서의 가속도 값(gk)는 수학식
    Figure 112011079409926-pat00026
    에 의하여 정의되는 것을 특징으로 하는 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법,
    여기서, N은 과거 X 초 동안 계측된 신호 샘플의 개수이고,
    Figure 112011079409926-pat00027
    는 가속도 센서의 k 번째 중심 파장의 측정치에 대한 기준 파장값[pm]이고, λi는 N 개의 신호 샘플 중 i 번째 파장값[pm]이고, λk는 k 번째 중심 파장의 측정치[pm]이며, Sg는 가속도에 대한 센서의 민감도[pm/g]임.
  3. 제2항의 방법을 이용하여 상기 광섬유 가속도 센서로부터 온도를 계산하는 방법으로서,
    상기 광섬유 가속도 센서의 k 번째 측정 온도(Tk)는 수학식
    Figure 112011079409926-pat00028
    에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 광섬유 가속도 센서의 온도 보상 방법,
    여기서, Tk 는 광섬유 가속도 센서의 k 번째 측정 온도이며, ST 는 온도에 대한 센서의 민감도[pm/deg C]이고, λT 는 온도 보정 전 계측된 가속도 센서의 파장값이며, T0 는 온도 보정 전 계측된 온도값임.
  4. 제2항 내지 제3항 중 어느 하나의 방법으로 구동되는 광섬유 가속도 센서.
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