KR101236440B1 - 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)는, 케이스(120)와, 케이스의 내측면에 그 일측이 각각 고정되는 한 쌍의 단일 감쇠자(150)와, 한 쌍의 단일 감쇠자의 타측에 그 일측이 각각 설치되는 한 쌍의 단일 탄성자(140)와, 한 쌍의 단일 탄성자의 타측에 그 양측이 각각 고정되는 단일 질량체(160)와, 단일 질량체의 일측에 고정되는 전면 반사부재(130), 및 전면 반사부재의 표면과 θd/2만큼 틀어진 상태로 그 단부가 위치하도록 케이스에 지지되며, 전면 반사부재에 광을 조사하는 발광부와 전면 반사부재에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 하는 하나의 광섬유(110)로 구성된다.

Description

높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서{Optical fiber tiltmeter for high sensitivity}
본 발명은 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반사물질로 구성되는 전면 반사부재에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량의 변화를 계측하여 측정 대상물의 기울어짐을 측정하는 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서에 관한 것이다.
경사계는 기준면에 대한 기울어짐을 측정하는 계기의 총칭으로 용도와 방법에 따라 여러 종류가 있다. 일반적으로 경사계는 장비의 수평설치, 토목 구조물의 기울어짐 측정, 지반 붕괴에 대한 위험도를 알려줄 뿐만 아니라 지구표면의 변형조사, 항공기 또는 우주구조물의 자세 제어, 광학 장비들의 정렬(alignment), 망원경 또는 안테나의 각도 조절 등에 이용되고 있다.
한편, 경사계는 사용 목적에 따라 측정 범위와 정밀도가 크게 다르며 일반적으로 낮은 정밀도를 갖는 경사계는 넓은 측정 범위를, 높은 정밀도를 갖는 경사계는 좁은 측정 범위를 갖는다. 최근, 항공 우주 분야 및 군사, 광학 장비, 그리고 통신 분야에 걸쳐 매우 높은 정밀도를 갖는 경사계의 필요성이 증대되고 있다.
기존의 경사계는 일반적으로 서보 가속도계형 경사계가 많이 사용되어 왔다. 이는 경사계에 작용하는 기울어짐으로 인하여 자기장 내에 위치한 진자(pendulum)가 중력의 작용을 받아 기울어지게 되고, 이로 인하여 발생되는 전자기력의 변화를 측정하여 대상물의 기울어짐을 측정하는 원리이다.
그러나, 기존의 전자기력의 변화를 이용한 경사계는, 전자기파의 간섭이 심한 발전소나 철골구조물, 건설현장 등에서 사용될 경우 노이즈의 영향을 받아 계측 신호의 안정성 및 정밀도가 떨어지게 된다. 또한, 외부 환경 변화에 매우 민감하기 때문에 열악한 환경 하에서 정확한 계측이 불가능하다.
그러나, 광섬유를 이용한 센서는 전자기적 노이즈와 외부환경 변화에 거의 영향을 받지 않으며 부식 저항이 강하고 수명이 길다. 또한, 신호의 높은 안정성, 정밀도, 감도, 그리고 빠른 응답 속도를 갖는다.
기존의 광섬유를 이용한 경사계로서 두 개의 격자판이 서로 겹쳐있을 때 발생하는 무아레 프린지 현상을 이용한 센서가 연구되어져 왔다. 이 경우 겹쳐있는 두 개의 격자판을 통과하는 광량을 이용하여 대상물의 기울어짐을 측정하기 때문에 발광부와 수광부의 광섬유 두 개가 필요하게 된다. 또한, 경사각의 방향 구분을 위해서는 총 네 개의 광섬유 라인이 필요하다. 따라서, 이러한 원리를 적용하여 센서를 제작할 경우에는 양쪽으로 광섬유가 두 개씩 뻗어 있는 복잡한 구조를 가지기 때문에 공간상의 제약이 많아지는 단점이 있다.
따라서, 기존의 전자기파 기반의 경사계가 갖는 단점을 극복하여 열악한 환경 하에서 사용이 가능하면서도 간단한 구조를 갖는 높은 민감도의 경제적인 센서의 개발이 필요하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로,
먼저, 전자기적 노이즈와 환경변화가 심한 환경 하에서 정확한 경사각의 측정이 가능한 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 제공을 제 1 목적으로 한다.
또한, 비교적 구조가 간단하고 이를 통해 보다 저렴하면서 대량생산이 가능한 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 제공을 제 2 목적으로 한다.
또한, 하나의 광섬유 라인을 이용하므로 다점측정을 위한 다중화(multiplexing)에 유리한 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 제공을 제 3 목적으로 한다.
아울러, 항공 우주 분야 및 군사, 광학, 그리고 통신 등 높은 정밀도를 요구하는 분야에 적용 가능한 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 제공을 제 4 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서는, 케이스와, 케이스의 내측면에 그 일측이 각각 고정되는 한 쌍의 단일 감쇠자와, 한 쌍의 단일 감쇠자의 타측에 그 일측이 각각 설치되는 한 쌍의 단일 탄성자와, 한 쌍의 단일 탄성자의 타측에 그 양측이 각각 고정되는 단일 질량체와, 단일 질량체의 일측에 고정되는 전면 반사부재, 및 전면 반사부재의 표면과 θd/2만큼 틀어진 상태로 그 단부가 위치하도록 케이스에 지지되며, 전면 반사부재에 광을 조사하는 발광부와 전면 반사부재에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 하는 하나의 광섬유를 포함하며, 단일 탄성자는 케이스가 기울어짐에 따라 발생하는 단일 질량체의 축방향 힘의 변화와 단일 질량체의 축방향 힘의 변화로 인해 발생하는 광섬유의 수직면에 대한 전면 반사부재의 회전각(θs) 변화 간에 선형적인 구간을 갖도록 구성되고, θd가 θ1 이하의 각도를 갖는 것을 특징으로 한다. 여기서, θd는 광섬유가 수광하는 각의 최대각을 나타내고, θ1은 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절에서 생성되는 1차 최대치곡선의 광량이 '0'이 되는 지점의 회전각을 나타낸다.
본 발명의 선형적인 구간은 ±θd/2의 범위 내에 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 단일 탄성자는 판스프링으로 구성하되, 다수개의 패턴으로 분할하여 구성함과 더불어 홀수 개의 패턴으로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 패턴은 복수 개의 패턴 팔로 이루어지며, 복수 개의 패턴 팔은 회전 모멘트의 증가를 위해 동일방향으로 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.
먼저, 전자기적 노이즈와 환경변화가 심한 환경 하에서 정확한 경사각의 측정이 가능하다.
또한, 비교적 구조가 간단하고 이를 통해 보다 저렴하며 대량생산이 가능하다.
또한, 하나의 광섬유 라인을 이용하므로 다점측정을 위한 다중화(multiplexing)에 유리하다.
아울러, 항공 우주 분야 및 군사, 광학, 그리고 통신 등 높은 정밀도를 요구하는 분야에 적용 가능한 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 단일 탄성자인 판스프링의 패턴과 매개변수를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 기본 원리를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 기본 원리인 프라운호퍼(Fraunhoffer)회절에 의해 광섬유로 입사되는 광분포를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 기본 구성을 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 광섬유로 입사하는 회절된 빛을 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6에 도시된 반사부의 회전각에 따른 광 분포의 변화를 나타내는 개념도이다.
도 8은 프라운호퍼(Fraunhoffer)회절을 이용한 측정 대상물의 경사 측정 원리를 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 전면 반사부재에 수직방향으로 작용하는 힘과 이때 발생하는 모멘트에 의한 회전각의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 광섬유로 수광되어지는 초기 광량의 위치를 조절하기 위한 전면 반사부재와 광섬유의 고정 위치를 나타낸 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 광섬유로 수광되어지는 광량과 전면 반사부재의 회전각에 따른 관계를 예측한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서의 전면 반사부재의 방향 구별을 못하게 되는 지점에서의 방향 구별을 하기 위한 센서의 구성 개념도이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)의 전체 구성도인 도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 광섬유 경사계 센서(100)는, 광섬유(110), 전면 반사부재(130), 단일 질량체(160), 한 쌍의 단일 탄성자(140), 한 쌍의 단일 감쇠자(150) 및 케이스(120)로 구성된다.
이때, 광섬유(110)는 다양한 광섬유를 이용하여 구비될 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 전면 반사부재(130)로 빛을 전송하기 위한 발광부 및 전면 반사부재로부터 반사된 빛이 수광되는 수광부의 역할을 동시에 수행하는 하나의 광섬유(110)로 이루어진다.
한편, 상술한 광섬유(110)는 내부 공간을 갖는 케이스(120)의 일정부분에 고정되며, 케이스(120)의 내부에는 광섬유(110)로부터 발광된 빛을 반사시키기 위한 전면 반사부재(130)가 구비되어 있다. 이러한 전면 반사부재(130)의 표면에는 광섬유(110)로부터 발광된 빛을 효과적으로 반사시키기 위한 반사물질이 도포되어 있으며, 이러한 반사물질의 종류는 크게 제한받지 아니하며 다양한 반사물질을 이용할 수 있다.
즉, 이 실시예의 광섬유 경사계 센서(100)는 케이스(120)와, 케이스(120)의 내측면에 그 일측이 각각 고정되는 한 쌍의 단일 감쇠자(150)와, 한 쌍의 단일 감쇠자(150)의 타측에 그 일측이 각각 설치되는 한 쌍의 단일 탄성자(140)와, 한 쌍의 단일 탄성자(140)의 타측에 그 양측이 각각 고정되는 단일 질량체(160)와, 단일 질량체(160)의 일측에 고정되는 전면 반사부재(130), 및 전면 반사부재(130)의 표면과 θd/2 만큼 틀어진 상태로 그 단부가 위치하도록 케이스(120)에 지지되며, 전면 반사부재(130)에 광을 조사하는 발광부와 전면 반사부재(130)에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 광섬유(110)를 포함하여 구성된다.
여기서, 단일 탄성자(140)는 측정 대상물의 경사각에 따라 힘을 발생시켜 상기 전면 반사부재(130)를 일정 각도로 회전시키기 위한 탄성력을 부여하고, 단일 감쇠자(150)는 단일 질량체(160)의 진동을 감쇠시키는 역할을 한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)의 단일 탄성자(140)인 판스프링의 패턴과 매개변수를 나타낸 도 2 및 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)의 기본 원리를 나타낸 도 3을 참조하여 본 발명의 일 구성요소인 단일 탄성자(140)에 대해 상세히 설명한다. 따라서, 아래에서는 단일 탄성자와 판스프링에 대해 동일한 도면부호 140으로 병기하여 설명하기로 한다.
상술한 단일 탄성자(140)는 경사각에 따라 전면 반사부재(130)에 회전 모멘트를 발생하기 위한 것으로, 다양한 탄성자를 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 한 쌍의 판스프링(leaf spring)(140)을 이용하였다.
단일 탄성자(140)의 경우, 도 2에 도시된 판스프링(leaf spring)의 매개변수를 조절하여 측정 대상물의 경사각(θ)에 의해 발생하는 단일 질량체의 축방향 힘(mg x sinθ)의 변화와 단일 질량체의 축방향 힘(mg x sinθ)의 변화에 의해 발생하는 전면 반사부재의 회전각(θs) 변화 간의 선형성을 확보해야 하며, 측정 대상물이 기울어짐에 따라 발생할 수 있는 경사계 센서 내부 질량의 편심과 오차를 줄이는 구조로 이루어져야 한다.
이를 위해 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서는 경사계 측정의 대상이 되는 측정 대상물의 기울기에 따른 경사계 내부 질량의 편심 또는 경사 오차를 감소시키기 위해 상기 전면 반사부재(130)의 양측에 각각의 판스프링(140)이 대향하여 위치하도록 구비하였다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 판스프링(leaf spring)(140)은 도 2에 도시된 바와 같이 단일 질량체(160)에 힘 작용시 발생되는 회전 모멘트에 의해 상기 전면 반사부재(130)에 회전각을 발생시키기 위하여 복수 개의 패턴 팔(141)로 이루어져 있으며, 바람직하게는 홀수 개로 이루어져 있다. 이는 패턴 팔(141)이 향하는 방향이 한 쪽으로 더 크게 작용하게 하기 위함이며, 아울러 회전 모멘트를 더 크게 나타나게 하기 위해 모든 패턴 팔(141)을 같은 방향으로 구비하였다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 경사계 센서(100)의 작동원리에 대해 상세히 설명한다.
신호 취득에 있어서는 광원으로 LD(laser diode) 또는 LED(light emitting diode)를 포함하는 다양한 광원을 사용하여 광섬유(110)를 통해 광이 전송되고 광섬유의 수직 절단면을 통해 전면 반사부재(130)로 광이 방출된다. 이때, 전면 반사부재(130)에 의해 반사된 광은 다시 광섬유(110)의 수직 절단면을 통해 광섬유로 입사하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 경사계 센서(100)는 케이스(120)의 내부 또는 외부 일정 부분에 상기 전면 반사부재(130)에서 반사되어 상기 광섬유(110)에 입사되는 광을 검출하기 위한 광 검출기(180)에 연결된다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서는 광원으로부터 전송되는 광과 섞이지 않고 입사된 광만을 검출하기 위해 써큘레이터(circulator)(190)에 연결될 수 있으며, 이를 통해 입사된 광만 광 검출기(photo detector)(180)로 검출이 된다. 한편, 광섬유(110)의 수직 절단면의 단부에는 광섬유로 반사되는 반사광의 광량을 증가시키기 위해 평행광을 만들어주는 시준기(collimator)(170)를 더 장착하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 경사계 센서(100)는 상술한 바와 같은 구성으로 이루어져 있으며, 하나의 광섬유(110) 라인을 사용하는 간단한 구조를 이용하여 광량의 변화를 측정하고 이를 이용해 측정 대상물의 기울어짐을 측정할 수 있다.
참고로 본 발명의 일 실시예에 따른 전면 반사부재(130)의 반사율이 클수록 광량의 변화 폭이 크기 때문에 정밀도가 높아지며, 단일 질량체(160)가 무거울수록 작은 각도범위에 대하여 힘의 구간이 넓어지고 회전 각도가 커지게 되어 정밀도가 높아진다. 따라서, 이를 적절히 조절하여 정밀도가 높은 광섬유 경사계 센서(100)를 제작할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 경사계 센서(100)는 기본적으로 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절 이론이 적용되며 그 이론은 다음과 같다. 회절이란 직선으로 진행하는 빛이 진행경로에 있는 장애물을 만나 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상을 말한다. 광원과 관측점 모두가 구멍이 뚫려있는 스크린에서 매우 멀리 떨어져 있다면, 구멍을 지나 관측점에 도달하는 출사파면의 곡률을 무시할 수 있어 평면파로 가정할 수 있으며 이를 프라운호퍼(Fraunhofer)회절이라 한다.
프라운호퍼(Fraunhofer)회절은 빛을 평면파로 가정함으로써 광 강도 분포를 간단한 수식으로 표현할 수 있게 된다. 무수히 많은 평면파의 위상이 각각 다르므로 이들의 중첩된 결과는 도 4와 같은 분포로 나타나게 된다. 이때, 원형구멍을 통한 프라운호퍼(Fraunhofer)회절에 의한 광 강도 분포는 다음의 수학식 1을 이용해 표현이 가능하다.
Figure 112011063064555-pat00001
여기에서 I(0)는 선속밀도(flux density), J1은 1차 베셀함수(Bessel function), θf는 진행하는 광의 중심축에서의 벗어난 각도 즉 전면 반사부재에서 회전되거나 산란된 2차원적인 빛의 각도, k는 전파상수(wave propagation number), 그리고 a는 원형구멍의 반지름을 나타낸다. 광 강도 분포는 다수의 최대치를 갖는 곡선으로 이루어져 있으며, 1차 최대치곡선(80)은 2차 최대치곡선(81)과 비교하여 상대적으로 매우 큰 값을 갖는다.
원형구멍의 프라운호퍼(Fraunhofer)회절의 경우, 2차 최대치곡선(81)의 최대값은 1차 최대치곡선(80)의 최대값의 1.75%의 광 강도만을 갖게 된다. 2차 최대치곡선(81)은 광량이 작기 때문에 입사되는 광량이 너무 작아 전면 반사부재(130)의 회전각 측정이 불가능해진다.
따라서, 1차 최대치곡선(80)이 본 발명에서 제안하는 경사계의 측정 범위를 결정한다. 1차 최대치곡선(80)은 상기 원형구멍에서의 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절에 의한 식을 통해 도면의 ±krsin(θ1)=3.83의 지점에서 '0'이 되며 이는 도 4에 도시되어 있다. 여기서, θ1은 1차 최대치곡선(80)의 광량이 '0'이 되는 지점의 회전각을 의미한다.
한편, 전면 반사부재(130)가 1차 최대치곡선(80)이 '0'이 되는 조건을 만족하는 θ1의 회전각 이상으로 회전하게 되면, 1차 최대치곡선(80)은 광섬유(110)의 코어 내에 분포하지 못하게 되고, 앞서 언급했던 것과 같이 회전각 측정이 불가능해진다. 이때, 1차 최대치곡선(80)은 좁은 범위에서 매우 급격히 변하므로 전면 반사부재(130)의 기울어짐에 대해 광섬유(110)로 입사되는 광량의 변화가 매우 커 본 원리를 이용한 경사계 센서(100)는 높은 민감도를 갖게 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)의 기본 구성을 나타낸 개략도이다. 본 발명의 일 실시예에서는 렌즈가 장착된 시준기(collimator)(170)를 사용하므로 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절을 위한 광원과 관측점이 구멍이 뚫려있는 스크린에서 충분히 멀리 떨어져 있다는 가정을 만족하게 되며, 이때 반지름 r을 갖는 광섬유(110) 코어는 반지름 a인 원형구멍으로 가정할 수 있으며, 이 경우 광섬유(110)를 통과한 빛의 프라운호퍼(Fraunhofer)회절에 의한 광 분포는 다음의 수학식 2와 같게 된다.
위의 수학식 2에 의한 도 4와 같은 광 분포가 관측점인 전면 반사부재(130)에 맺히게 된다. 이때, 전면 반사부재(130)를 통해 반사된 빛은 렌즈를 통해 광섬유(110)로 재입사된다.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)의 광섬유(110)로 입사하는 회절된 빛을 나타내는 개념도로 이를 참조하면, 전면 반사부재(130)에서 반사되어 광섬유(110)의 코어로 입사되는 빛은 광섬유(110)의 코어 반지름 r과 초점 거리 f에 의해 일정 각 이내로 회절되는 빛만 측정이 가능하다. 광섬유(110)의 코어 반지름 r과 초점 거리 f로 간단한 삼각함수 식인 tan(θd) = r/f 를 이용하여 전면 반사부재(130)에서 반사된 빛 중에 ±θd 이내로 회절된 각의 성분들만 광섬유(110)로 입사되어 검출이 가능하다. 이때, 앞서 언급한 θ1과 θd가 동일해 지도록 초점 거리 f와 광섬유(110)의 코어 반지름 r을 디자인해야 한다. 여기서, θd는 광섬유가 수광하는 각의 최대각을 의미한다.
다중모드 광섬유의 경우 α=31.25㎛, F=1mm을 가정하면 약 ±0.9도의 범위 내의 회절각을 가지고 입사하는 빛의 검출이 가능하다. 반사된 빛은 전면 반사부재(130)가 광섬유(110)와 수직한 방향에 놓여 있다면 광섬유(110)의 수직 절단면에 대하여 90도(θs(전면 반사부재의 회전각)=0)를 이루는 각도인 광섬유(110) 코어의 중심에서 광 강도의 최대값이 나타난다.
본 발명의 광섬유 경사계 센서(100)는 θd가 θ1보다 작거나 같아야 하나의 광섬유(110)를 통해 측정 대상물의 경사각 측정이 가능하다. 이하에서는 측정 대상물의 경사각 측정에 이상적인 θd와 θ1이 동일하다(θd = θ1)는 전제하에 설명하도록 한다.
도 7은 도 6에 도시된 전면 반사부재(130)의 회전각에 따른 광 분포의 변화를 나타내는 개념도로 이를 참조하면 전면 반사부재(130)가 광섬유(110)의 수직 절단면에 대해 회전하게 되면, 회전각만큼 반사되는 빛이 광섬유(110)의 코어 중심에서 이동하여 나타난다. 광섬유(110)의 코어 내에 분포되는 광 강도 분포 위치의 변화는 광섬유(110)로 입사되는 광량의 변화로 나타나며, 검출된 광량의 변화를 이용하여 전면 반사부재(130)의 광섬유(110)의 수직면에 대한 회전각(θs)(310)을 측정할 수 있다.
도 8은 프라운호퍼(Fraunhoffer)회절을 이용한 측정 대상물의 경사각 측정 원리를 나타낸 개념도이다. 경사계가 기준 축(500)에 대하여 일정 경사각(θ)으로 기울어지면 측정 정적 가속도의 차이로 인해 전면 반사부재(130)에 수직방향으로 작용하는 힘(mg x sinθ)이 발생한다. 여기서, 일정 경사각 θ는 센서의 케이스(120)의 회전각에 해당한다. 단일 질량체(160)의 축방향으로의 힘을 받는 판스프링(leaf spring)(140)의 적절한 설계에 의해 회전을 야기하는 모멘트(300)에 의한 회전각(θs)(310)이 발생한다. 모멘트에 의한 회전각(θs)(310)의 변화는 상기에서 설명한 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절이론에 의하여 도 7과 같이 광섬유(110)의 수직 절단면에 입사하는 광 강도 분포 위치를 변화시키고 광섬유(110)로 입사되는 광량의 변화로 나타난다. 이때, 도 4의 1차 최대치곡선(80)으로 도시된 광 분포를 가우시안 분포로 가정할 수 있다면 교정(calibration) 작업을 통해 광섬유(110)로 검출된 광량의 변화와 전면 반사부재(130)의 회전각(θs)(310) 사이의 관계를 얻을 수 있다.
광섬유(110)로 검출된 광량의 변화로 얻어진 전면 반사부재(130)의 회전각(θs)(310)은 도 9에 도시된 전면 반사부재(130)에 수직방향으로 작용하는 힘과 회전각(310)의 관계를 통해 측정 대상물의 기준 축(500)에 대한 기울어짐, 즉 경사각으로 나타낼 수 있다. 이때, 적절한 스프링의 패턴 팔(141)을 통해 전면 반사부재(130)가 부착된 임의의 단일 질량체의 질량이 고려된 단일 질량체의 축 방향으로 작용하는 힘(mg x sinθ)에 따른 판스프링의 선형적인 회전이 나타나는 구간을 회전량의 중심위치에서 ±θd/2의 범위가 포함되도록 찾는다.
선형구간의 중심위치(A, B)가 찾아지면 센서의 단일 질량체가 초기에 중력 방향으로부터 A의 축방향 하중을 갖도록 디자인한다. 이때, 설계되어진 경사각의 방향 구분은 한 개의 광섬유(110)를 이용하여 도 10에 도시된 구성으로 광섬유(110)와 전면 반사부재(130)의 정렬을 인위적으로 θd/2 만큼 틀어 놓음으로써 가능하다. 측정 대상물이 기울어졌을 때, 광 검출기(photo detector)(180)로 측정되는 광섬유(110)의 광량이 증가하면 1방향으로 기운다는 것을 알 수 있고, 광섬유(110)의 광량이 감소하면 2방향으로 기운다는 것을 알 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)의 광섬유(110)로 수광되어지는 광량과 전면 반사부재의 회전각에 따른 관계를 예측한 그래프로, 이미 단일 질량체(160)에 따른 판스프링(140)이 앞선 도 9의 B 만큼의 회전각을 갖도록 기울어져 있으며, 도 10과 같이 광섬유(110)와 전면 반사부재(130)의 면을 θd/2 만큼 틀어 놓음으로써 그래프에 나타내어진 광섬유(110)로 수광되어지는 초기 광량의 위치를 만들 수 있으며, 이때 측정 범위가 ±θd/2 로서 가능하게 된다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)의 전면 반사부재(130)의 방향 구별을 못하게 되는 지점에서의 방향 구별을 하기 위한 센서의 구성 개념도로, 도 11에서 반사되는 광량의 위치가 θs = 0인 지점은 광섬유(110)의 끝단과 전면 반사부재(130)가 완벽한 수직인 때를 나타낸다. 반사되는 광량의 위치가 θs = 0인 지점에 오게 되면 (+)방향으로 이동하여도 (-)방향으로 이동하여도 모두 감소되는 강도를 나타나게 되어 이때 방향 구별이 힘들어지게 된다. θs = 0인 지점에 도달하기 전 까지는 이미 실제 현장에 사용 전에 교정을 하게 되므로, θs = 0인 지점에서의 최대 반사 광량을 알고 있기에 방향이 바뀌더라도 반대로 간 것으로 유추할 수 있다.
따라서, θs = 0일 때 방향 구별을 하기 위해서는 도 12와 같이 두 개의 광섬유를 사용하여 구성함으로써 가능하다. 이때, 추가되는 광섬유의 반사되는 광량의 초기 위치는 도 11에서 네모의 점으로 표시되는 θs = -θd/2 인 지점이어야 한다. 광 검출기(photo detector)로 측정되는 제1 광섬유(111)의 광량이 증가하는데 제2 광섬유(112)의 광량이 감소되면 1방향으로 기운다는 것을 알 수 있고, 제1 광섬유(111)의 광량이 감소하는데 제2 광섬유(112)의 광량이 증가되면 2방향으로 기운다는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
100 : 광섬유 경사계 센서 110 : 광섬유
120 : 케이스 130 : 전면 반사부재
140 : 단일 탄성자 141 : 패턴 팔
142 : 단일 감쇠자 150 : 단일 질량체
160 : 시준기 170 : 광검출기
180 : 써큘레이터

Claims (5)

  1. 케이스와,
    상기 케이스의 내측면에 그 일측이 각각 고정되는 한 쌍의 단일 감쇠자와,
    상기 한 쌍의 단일 감쇠자의 타측에 그 일측이 각각 설치되는 한 쌍의 단일 탄성자와,
    상기 한 쌍의 단일 탄성자의 타측에 그 양측이 각각 고정되는 단일 질량체와,
    상기 단일 질량체의 일측에 고정되는 전면 반사부재, 및
    상기 전면 반사부재의 표면과 θd/2만큼 틀어진 상태로 그 단부가 위치하도록 상기 케이스에 지지되며, 상기 전면 반사부재에 광을 조사하는 발광부와 상기 전면 반사부재에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 하는 하나의 광섬유를 포함하며,
    상기 단일 탄성자는 상기 케이스가 기울어짐에 따라 발생하는 상기 단일 질량체의 축방향 힘의 변화와 상기 단일 질량체의 축방향 힘의 변화로 인해 발생하는 상기 광섬유의 수직면에 대한 상기 전면 반사부재의 회전각(θs) 변화 간에 선형적인 구간을 갖도록 구성되고,
    상기 θd가 θ1 이하의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서.
    여기서, θd는 상기 광섬유가 수광하는 각의 최대각을 나타내고, θ1은 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절에서 생성되는 1차 최대치곡선의 광량이 '0'이 되는 지점의 회전각을 나타낸다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 선형적인 구간은 ±θd/2의 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 단일 탄성자는 판스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 판스프링은 다수개의 패턴으로 분할하여 구성하되 홀수 개의 패턴으로 구성하는 것을 특징으로 하는 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 패턴은 복수 개의 패턴 팔로 이루어지며, 상기 복수 개의 패턴 팔은 회전 모멘트의 증가를 위해 동일방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 높은 민감도를 갖는 광섬유 경사계 센서.
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