KR101148987B1 - 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 필름형 광섬유 브래그 격자 센서를 복수로 패키징하여 2축 이상으로 구조물의 변형률을 측정할 수 있게 하는 패키지에 대한 것이다.
이 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지는, 중심에 소정 면적의 삼각형 형상의 홀을 가지며 상기 삼각형 형상의 홀과 동일한 삼각형 형상으로 일정 폭을 갖는 몸체; 상기 몸체의 일정 폭에 배열되는 광섬유 라인; 상기 몸체 상에 소정 간격과 각도를 두고 상기 광섬유 라인 중에 형성되는 2개 또는 3개의 광섬유 브래그 격자 센서를 포함한다.
본 발명에 따르면, 광섬유 브래그 격자 센서를 다수 개로 배열시키면서도 센서간 일정 각도가 안정적으로 유지되며, 구조물의 표면에 부착시키거나 또는 구조물의 내부에 삽입시키는 것이 용이하다.

Description

다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지{Package for filmed optical-fiber Bragg grating sensor which can evaluate multi-axial strain}

본 발명은 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 필름형 광섬유 브래그 격자 센서를 복수로 패키징하여 2축 이상으로 구조물의 변형률을 측정할 수 있게 하는 패키지에 대한 것이다.

광섬유 센서는 자체적 파손의 위험 때문에 245~250㎛ 정도로 아크릴 코팅되어있다. 이러한 아크릴 코팅은 광섬유나 광섬유 센서를 보호한다는 장점이 있으나, 광섬유 센서를 직접 대상 물체에 부착할 때 아크릴 코팅부와 클래딩부 사이에서 슬립(Slip)현상이 발생하여 정확한 구조물의 변형률(strain) 측정에 어려움이 발생한다.

따라서, 구조물의 정확한 물리적 변형률을 측정하기 위해서는 구조물과 광섬유 센서의 클래딩부를 고정되게 부착시키는 것이 요구된다. 보통 이러한 요구를 충족시키기 위해 부착지점 광섬유 센서의 아크릴 코팅부를 탈피시킨다.

하지만, 이때 탈피된 부분의 광섬유 센서는 일반적으로 다른 부분의 광섬유 센서보다 강도가 떨어지게 되며, 변형률이 발생될 경우 탈피된 부분은 쉽게 끊어지거나 광섬유 센서를 센서 패키지에 부착할 때 어려움이 있었다.

여기서 광섬유 센서 패키지란 대상물체의 물리적 변형의 정도를 측정하기 위해 대상물체의 일단에 설치되는 장치로서 광섬유 센서를 대상물체에 고정하는 지그와 함께, 센서 패키지 내부에 광섬유 센서를 고정하고 외부의 충격에 보호하는 기능을 갖고 있다.

자주 사용되는 광섬유 센서 패키지로서는 내공 변위계, 경사계, 응력계, 변위계, 변형률계, 지중 변위계, 락볼트 축력계 사면 측정용 지중수평 변위계 등이 있다.

또한, 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 사용하더라도 단순하게 1차원으로만 사용되어, 실질적으로 2차원 이상의 변형률을 측정할 수 없다는 문제점이 있었다.

본 발명은 위에 제기된 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 광섬유 브래그 격자 센서를 다수 개로 배열시키면서도 안정적으로 구조물의 표면에 부착시키거나 또는 구조물의 내부에 삽입시키는 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 구조물에 대한 2축 또는 3축 변형률 측정을 가능하게 하는 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명은 위에 제기된 과제를 달성하기 위해서, 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 제공한다. 이 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지는, 중심에 소정 면적의 삼각형 형상의 홀을 가지며 상기 삼각형 형상의 홀과 동일한 삼각형 형상으로 일정 폭을 갖는 몸체; 상기 몸체의 일정 폭에 배열되는 광섬유 라인; 상기 몸체 상에 소정 간격과 각도를 두고 상기 광섬유 라인 중에 형성되는 2개 또는 3개의 광섬유 브래그 격자 센서를 포함한다.

이때, 상기 2개의 광섬유 브래그 격자 센서는 상기 몸체의 밑변과 윗변을 따라 배열된 상기 광섬유 라인을 따라 90도 각도로 배열되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 3개의 광섬유 브래그 격자 센서는 상기 몸체를 한 바퀴 돌아 배열된 상기 광섬유 라인을 따라 배열되며 상기 3개의 광섬유 브래그 격자 센서 중 2개의 광섬유 브래그 격자 센서는 90도 각도로 배열되고, 1개의 광섬유 브래그 격자 센서는 상기 광섬유 브래그 격자 센서와 45도 각도로 배열되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 몸체는 박막 에폭시 필름 또는 중합체 필름으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 몸체가 적층되는 복합재 구조물 내부에 삽입되는 경우 접착제 층 또는 복합재 구조물 내부의 레진 경화에 의해 고정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 광섬유 브래그 격자 센서를 다수 개로 배열시키면서도 센서간 일정 각도가 안정적으로 유지되며, 구조물의 표면에 부착시키거나 또는 구조물의 내부에 삽입시키는 것이 용이하다.

또한, 본 발명의 다른 효과로서는 광섬유 브래그 격자 센서를 다수 개를 하나의 패키지화함으로써 구조물에 대한 2축 또는 3축 변형률 측정이 가능하다는 점을 들 수 있다.

도 1은 일반적인 광섬유 브래그 격자 센서의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 센싱 원리를 나태는 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 패키지의 구조를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 패키지의 구조를 나태는 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 구조물에 부착한 적용예.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 복합재 구조물 내부에 설치하는 적용예.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서를 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 일반적인 광섬유 브래그 격자 센서의 구조를 나타내는 단면도이다. 일반적으로 광섬유(optical fiber)는 8~10㎛의 코어(core) 부분과 굴절율이 다른 125㎛ 정도의 클래딩(cladding) 부분으로 이루어진 유리섬유다.

이런 광섬유에 특수한 방법으로 격자를 새기면 광섬유는 광섬유 브래그 격자 센서로서 사용될 수 있다. 격자는 코어와 클래딩 부분에 형성된다. 또한 유리섬유는 자체적 파손의 위험 때문에 245~250㎛ 정도로 아크릴 코팅되어있다.

즉, 도 1을 참조하면, 광섬유 브래그 격자 센서는 일부분에 격자패턴(11)이 형성되어 있는 코어(Core)(10)와; 이 코어(10)를 감싸는 클래드(20)와; 이 클래드(20)를 감싸며 피복하는 피복부(30)로 구성된다.

이러한, 광섬유 브래그 격자 센서를 제작하기 위해서는 광섬유 코아(10) 부분에 Ge이 첨가된 특수광섬유를 사용하며, 노광(UV) 장비를 이용하여 코아 부분에 격자패턴(11)을 만들어 제작된다.

여기서, 격자패턴(11)의 역할은 서로 다른 넓은 대역의 파장을 갖는 광이 입사되었을 때, 격자패턴 각 부분에서 조건이 만족하는 파장의 일부의 광을 반사시키는 역할을 수행한다. 따라서, 원하는 파장의 광만을 추출하고 나머지 파장의 광은 통과해주는 역할을 한다.

도 2는 도 1에 따른 광섬유 브래그 격자 센서의 센싱 원리를 나태는 도면이다. 도 2를 참조하면, 광섬유 브래그 격자 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우, 각 격자(11)의 반사 파장(즉 브래그 파장)을 모두 다르게 함으로써, 광원이 광섬유(10)에 입사되면 일부는 격자(11)에 의해 반사되고, 일부는 격자(11)를 투과하게 된다.

따라서, 반사된 광원의 스펙트럼으로부터 특정 격자(11)가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방식을 파장 분할 방식이라 한다.

여기서 브래그 파장(λB )은 λB = 2nA에 의해 구해질 수 있는데, 여기서, n은 광섬유 코어의 유효 굴절률(effective refractive index)이며, A는 격자(11)와 격자(11) 사이의 간격(grating period)이다.

격자(11)에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이며, 광섬유 브래그 격자 센서에 외부 광원(즉, 백색광)을 인가할 경우, 브래그 파장이 달라지므로, 브래그 파장의 변화를 측정한다면 광섬유 브래그 격자 센서에 인가된 물리량을 구할 수 있다.

물론, 도 1 내지 도 2에 기술된 광섬유 브래그 격자 센서는 다중형 광섬유 센서를 말하는 것으로, 이외에도 그 측정 범위에 따라, 일점형, 분포형 방식의 광섬유 센서가 있다.

이들 일점형 광섬유 센서 및 분포형 광섬유 센서를 간단하게 설명하면, 일점형 광섬유 센서는 광섬유 센서가 장착된 부위의 변형률, 온도 및 압력 등의 변화량을 측정하기 위한 것으로, 그 구조가 간단하다는 장점이 있지만, 복수개의 부위를 대상으로하는 경우, 여러 부위에 광섬유 센서를 장착시킬 필요가 있으므로 용도가 제한적이라는 단점이 있다.

분포형 광섬유 센서로서는 광 시간 영역 반사 측정법(Optical Time Domain Reflectometry: OTDR)이 대표적이다. 이는 단일 광섬유를 이용하여 구조물의 전체적인 거동을 측정하는 데 유용하다는 장점이 있다.

광 시간 영역 반사 측정법(OTDR)은 광섬유를 통하여 광 펄스가 전송된 결과에 따라 산란과 반사에 의해 입력 측으로 되돌아오는 광을 시간의 함수로 하여 광 강도 변화를 측정하는 방법을 말한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 패키지의 구조를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 이 광섬유 브래그 격자 센서 패키지는 중심에 소정 면적의 삼각형 형상의 홀(440)을 가지며 상기 삼각형 형상의 홀(440)과 동일한 삼각형 형상으로 일정 폭을 갖는 몸체(400)와, 이 몸체(400)의 일정 폭에 배열되는 광섬유 라인(410)과, 이 몸체(400) 상에 소정 간격과 각도를 두고 광섬유 라인(410)중에 형성되는 2개의 광섬유 브래그 격자 센서(420,420-1)를 포함한다.

2개의 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1)는 변형률을 측정하기 위해 평면상의 X, Y축을 각각 나타낸다. 즉, 도 3에 도시된 도면을 기준으로 하면, X축은 광섬유 브래그 격자 센서(420-1)이고, Y축은 광섬유 브래그 격자 센서(420)가 될 것이다. 따라서, 광섬유 브래그 격자 센서(420)와 광섬유 브래그 격자 센서(420-1)는 90도가 된다.

몸체(400)는 박막 에폭시 필름(thin epoxy film) 또는 중합체 필름(polymer film)을 사용하여 복합재(즉 단일 구조물이 두 개로 접합된 것을 말함)의 적층 사이에 삽입하는 적층 구조의 경우에는 층간 접착 강도 저하를 방지한다.

왜냐하면, 몸체(400)의 중심에 있는 삼각형 형상의 홀(440)로 인해 적층시 윗층 및 아래층간 단일 구조물이 직접적으로 접착되기 때문이다. 물론, 본 발명은 홀(440)이 삼각형 형상이나, 이에 한정되는 것은 아니며 원형, 사각형도 가능하다.

도 3을 계속 참조하면, 광섬유 라인(410)은 절단이나, 90도 이상의 각도로 휘어지면 광전달이 되지 않으므로, 몸체(400)의 좌측 변을 따라 배열된다. 또한, 이 광섬유 라인(410)을 따라 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1)가 각각 배열 표시(430, 430-1)상에 배치된다.

물론 광섬유 라인(410)과 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1)는 끊김이 없이 이어진 상태이다.

도 4는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 패키지의 구조를 나태는 도면이다. 도 4를 참조하면, 이 광섬유 브래그 격자 센서 패키지는 중심에 소정 면적의 삼각형 형상의 홀(440)을 가지며 상기 삼각형 형상의 홀(440)과 동일한 삼각형 형상으로 일정 폭을 갖는 몸체(400)와, 이 몸체(400)의 일정 폭에 배열되는 광섬유 라인(410)과, 이 몸체(400) 상에 소정 간격과 각도를 두고 광섬유 라인(410)중에 형성되는 3개의 광섬유 브래그 격자 센서(420,420-1, 420-2)를 포함한다.

물론, 도 4에 도시된 광섬유 브래그 격자 센서 패키지의 경우에도 몸체(200)의 중심에 삼각형 형상의 홀(440)이 형성되어 있다.

도 4에 도시된 광섬유 브래그 격자 센서 패키지는 도 3에 도시된 것과 달리, 3축 변형률을 측정할 수 있도록 3개의 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1, 420-2)가 배열된다. 즉, 삼각형 중심 모두에 표시된 배열 표시(430, 430-1, 430-2)상에 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1, 420-2)가 각각 놓이게 된다. 따라서, 2개의 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1)는 90도가 되고, 다른 하나의 광섬유 브래그 격자 센서(420-2)는 45도가 된다.

물론, 광섬유 라인(410)은 삼각형의 빗변을 따라 밑변, 윗변, 빗변 순의 시계방향 순으로 한 바퀴 돌게 배열된다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 구조물에 부착한 적용예이다. 즉, 도 3 내지 도 4에서 기술한 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 어레이 형식으로 계속 연결한 형태로 구조물(600) 표면에 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 부착하여, 구조물(600)의 변형률을 측정할 수 있다.

물론, 이 경우 광섬유 브래그 격자 센서 패키지들간 연결은 광섬유 융착(Optical fiber arc fusion splicing) 또는 광섬유 커넥터를 이용한다. 즉, 광섬유 브래그 격자 센서 패키지에 있는 광섬유 라인(410)들을 연결한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 구조물 내부에 설치하는 적용예이다. 도 6을 참조하면, 광섬유 브래그 격자 센서 패키지를 적층되는 복합재 구조물(700) 사이에 삽입하는 경우가 도시된다. 물론, 이 경우, 복합재(700)는 섬유/에폭시 복합 층판(fiber/epoxy composite lamina)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

복합재 구조물(700)과 같은 적층형 구조물 내부에 삽입하는 경우에는 위치 고정을 위해 필름 표면 일부분(FBG 센서의 격자가 없는 필름 바깥쪽 부위)에 양면 테이프 등의 접착제(에폭시류 등의 고강도 접착제)를 이용할 수 있다.

그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 광섬유 브래그 격자 센서 패키지의 고정은 복합재 구조물(700)에서의 레진이 경화되면서 필름과 일체화되어 이루어지는 것도 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 수많은 변형예가 가능함을 당업자라면 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해져야 할 것이다.

400: 몸체 410: 광섬유 라인
420, 420-1, 420-2: 광섬유 브래그 격자 센서
430, 430-1, 430-2: 배열 표시
600: 구조물
700: 복합재 구조물

Claims (5)

1. 중심에 소정 면적의 삼각형 형상의 홀(440)을 가지며 상기 삼각형 형상의 홀(440)과 동일한 삼각형 형상으로 일정 폭을 갖는 몸체(400);
   상기 몸체(400)의 일정 폭에 배열되는 광섬유 라인(410);
   상기 몸체(400) 상에 소정 간격과 각도를 두고 상기 광섬유 라인(410)중에 형성되는 2개 또는 3개의 광섬유 브래그 격자 센서(420,420-1,420-2)
   를 포함하는 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 2개의 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1)는 상기 몸체(400)의 밑변과 윗변을 따라 배열된 상기 광섬유 라인(410)을 따라 90도 각도로 배열되는 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 3개의 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1, 420-2)는 상기 몸체(400)를 한 바퀴 돌아 배열된 상기 광섬유 라인(410)을 따라 배열되며 상기 3개의 광섬유 브래그 격자 센서 중 2개의 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1)는 90도 각도로 배열되고, 1개의 광섬유 브래그 격자 센서(420-2)는 상기 광섬유 브래그 격자 센서(420, 420-1)와 45도 각도로 배열되는 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 몸체(400)는 박막 에폭시 필름 또는 중합체 필름인 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   상기 몸체(400)가 적층되는 복합재 구조물(700) 내부에 삽입되는 경우 접착제 또는 복합재 구조물(700) 내부의 레진 경화에 의해 고정되는 다축 변형률 측정이 가능한 필름형 광섬유 브래그 격자 센서 패키지.

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