KR101282182B1 - 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서 - Google Patents

Abstract

이 발명은 측정하고자 하는 대상물의 기울어짐을 광섬유로 반사되는 광량의 변화를 통해 측정하는 광섬유 경사계 센서(100)로서, 케이스(110)와, 케이스(110)의 내측면에 그 일측이 각각 고정되는 한 쌍의 단일 감쇠자(120)와, 한 쌍의 단일 감쇠자(120)의 타측에 그 일측이 각각 설치되는 한 쌍의 단일 탄성자(130)와, 한 쌍의 단일 탄성자(130)의 타측에 그 양측이 각각 고정되는 단일 질량체(140)와, 단일 질량체(140)의 일측에 고정되는 반사 격자판(150), 및 케이스(110)의 일측에서 관통하여 설치되되 반사 격자판(150)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 한 쌍의 광섬유(160)로 구성된다.

Description

넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서{Optical fiber tiltmeter for wide measurement range}

이 발명은 광섬유 센서에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 한 쌍의 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량의 변화를 계측하여 대상물의 기울어짐을 측정하는 넓은 측정 범위를 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.

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.

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 환경하에서 사용이 가능하면서도 간단한 구조를 갖는 경제적인 센서의 개발이 필요하다.

따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전자기적 노이즈와 환경변화가 심한 환경하에서의 경사측정이 가능함과 더불어 간단한 구조를 통해 경제적인 이점을 갖는 광섬유 경사계 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이 발명의 넓은 측정 범위를 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 고정되며, 반사물질로 구성되어 반사영역을 형성하는 반사면과, 반사면보다 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 비 반사물질로 구성되어 비 반사영역을 형성하는 비 반사면이 주기적으로 배열된 격자 형태로 구성되는 반사 격자판; 및 반사 격자판의 표면과 수직한 방향으로 그 단부가 위치하도록 케이스에 지지되며, 반사 격자판에 광을 조사하는 발광부와 반사 격자판에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 각각의 위치에서 각각 하는 한 쌍의 광섬유를 포함하며, 반사면의 폭과 비 반사면의 폭이 광섬유에서 발광되는 가우시안 분포를 갖는 광빔의 크기보다 크거나 반사광이 정현파 신호로 출력되며, 한 쌍의 단일 탄성자는 원하는 측정범위 사이에서 반사되는 광량이 최대값과 최소값이 들어가지 않은 반주기 안에 포함되는 강성을 갖는 것을 특징으로 한다.

이 발명은 초기 회전각이 없는 0°에서 광빔의 중앙이 반사면과 비 반사면의 중앙 경계면에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 이 발명의 넓은 측정 범위를 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 고정되며, 투과물질로 구성되어 투과영역을 형성하는 투과면과, 투과면보다 상대적으로 낮은 투과율을 갖는 비 투과물질로 구성되어 비 투과영역을 형성하는 비 투과면이 주기적으로 배열되어 격자 형태로 구성되는 투과 격자판과; 케이스의 내측면에 설치되어 투과 격자판을 투과한 광빔을 반사시키는 반사 거울; 및 투과 격자판의 표면과 수직한 방향으로 그 단부가 위치하도록 케이스에 지지되며, 투과 격자판에 광을 조사하는 발광부와 반사 거울에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 각각의 위치에서 각각 하는 한 쌍의 광섬유를 포함하며, 투과면의 폭과 비 투과면의 폭이 광섬유에서 발광되는 가우시안 분포를 갖는 광빔의 크기보다 크거나 반사광이 정현파 신호로 출력되며, 한 쌍의 단일 탄성자는 원하는 측정범위 사이에서 반사되는 광량이 최대값과 최소값이 들어가지 않은 반주기 안에 포함되는 강성을 갖는 것을 특징으로 한다.

이 발명은 초기 회전각이 없는 0°에서 광빔의 중앙이 투과면과 비 투과면의 중앙 경계면에 위치하는 것이 바람직하다.

이 발명의 단일 탄성자는 판스프링으로 구성하되, 다수개의 패턴으로 분할하여 구성함과 더불어 짝수 개의 패턴으로 구성하는 것이 더 바람직하다.

이 발명은 전자기적 노이즈와 환경변화가 심한 환경하에서의 정확한 경사측정이 가능하고, 또한 간단한 구조를 통해 보다 저렴한 경사계를 구현할 수 있는 장점이 있다. 즉, 이 발명은 한 쌍의 광섬유와 하나의 반사 격자판을 이용하여 대상물의 경사를 측정하므로 무아레 광섬유 센서에 비해 비교적 구조가 간단하다.

또한, 이 발명은 수명이 길고 전자기파에 영향을 받지 않으며 외부 환경 변화에 강한 광섬유를 이용하므로, 저렴한 비용으로도 열악한 환경에 노출되어 있는 광범위한 분야에서 이용이 가능하다. 또한, 이 발명은 반사 격자판을 MEMS 공정으로 대량 생산이 가능하기 때문에, 그 제조원가를 절감할 수 있는 장점이 있다.

또한, 이 발명은 +90°에서 -90° 사이에서의 경사각 측정이 가능하므로, 측정 범위가 매우 넓다.

한편, 종래에는 무아레 프린지 현상을 이용한 센서가 두 개의 광섬유 라인을 이용하지만, 이 발명은 하나의 광섬유 라인을 이용하므로 다점측정을 위한 다중화(multiplexing)에 유리하다.

또한, 이 발명은 센서 내부의 고유진동수를 크게 설계할수록 동일한 정적 가속도 변형량에 따른 경사계 센서 내부 질량의 상대 변위(

)를 증가시킬 수 있으므로 경사계의 계측 감도를 높일 수 있는 장점이 있다. 즉, 이 발명은 그 측정 한도 및 민감도가 센서 내부의 1자유도 시스템의 질량과 스프링 강성에 의한 고유 진동수, 격자의 크기, 초기 반사광의 위치에 의해 결정되기 때문에, 이를 조정함으로써 보다 성능이 우수한 시작품을 만들 수 있는 장점이 있다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서의 측정 원리를 나타내 주는 기본 구성도이고,
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 단일 탄성자인 판스프링의 패턴과 매개변수를 나타낸 구성도이고,
도 4는 도 1에 도시된 반사 격자판을 나타낸 구성도이고,
도 5는 도 1에 도시된 광섬유 경사계 센서를 이용하여 상대변위를 측정하는 기본 원리를 나타낸 구성도이고,
도 6은 도 1에 도시된 반사 격자판에 작용하는 수직 힘에 의해 발생하는 모멘트와 회전각을 나타낸 구성도이고,
도 7은 도 1에 도시된 반사 격자판을 이용한 광섬유 경사계 센서의 기본원리를 보여주는 개념도이고,
도 8은 도 4에 도시된 반사 격자판의 반사영역의 크기와 광섬유의 광빔의 크기를 조율하였을 때에, 민감도가 가장 우수하고 1개의 광섬유 라인만을 사용하는 광섬유 경사계 센서의 원리를 보여주는 개념도이며,
도 9는 이 발명의 다른 실시예에 따른 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서의 측정 원리를 나타내 주는 기본 구성도이다.

도 1은 이 발명의 한 실시예에 따른 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서의 측정 원리를 나타내 주는 기본 구성도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 이 발명에서 제안하는 광섬유 경사계 센서(100)는 기본적으로 서보 가속도계형 경사계의 원리와 흡사하다. 따라서, 센서 내부 구성은 진자 형태의 단일 질량체(mass)(140)와, 센서 시스템의 동적 안정성을 높이기 위한 단일 탄성자(spring)(130), 및 단일 감쇠자(damper)(120)로 구성된다. 이러한 구성관계를 갖는 광섬유 경사계 센서(100)는 보통 가속도를 측정하는 가속도계와 동일하지만, 경사계의 경우 외부에서 작용하는 중력 가속도(gravity)만을 측정한다는 점에서 일반 가속도계와 차이를 나타낸다. 다시 말해, 경사계는 일종의 단축 가속도계로서, 기준 축과 중력 가속도 방향과의 불일치로 인해 발생하는 측정 정적 가속도(static acceleration)의 차이를 이용해 기준 축의 회전량, 즉 경사 정도를 측정할 수 있다.

이 실시예의 단일 탄성자(130)는 단일 질량체(140)의 완벽한 1자유도의 움직임을 얻기 위해 기존의 외팔보(cantilever) 형상의 구조물을 대신하여, 대상물이 기울어짐에 따라 발생할 수 있는 경사계 센서 내부 질량의 편심과 오차를 줄이기 위해 판스프링(leaf spring)을 사용하되, 이 판스프링이 상하 대칭 구조를 이루도록 구성되어 있다. 여기서, 완벽한 1자유도의 움직임이라 함은 단일 질량체의 미소한 회전(소수 셋째자리의 회전각도, degree)이나 뒤틀림이 발생하지 않는 움직임을 말한다.

또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 광섬유 경사계 센서(100)가 일정 회전각도(θ)로 회전할 경우, 단일 질량체(140)의 상대변위는 중력 가속도에 의해 발생하는 정적 가속도(static acceleration)와 함수 관계를 갖게 된다. 따라서, 경사계 센서 내부 질량의 상대변위를 측정함으로써 외부의 정적 가속도를 측정할 수 있게 되고, 최종적으로 경사각을 측정할 수 있게 된다. 센서 내부의 상대변위

을 측정하기 위해서는 수학식 1이 활용되어지며, 이러한 상대변위를 바탕으로 수학식 2를 이용해 외부의 정적 가속도

을 구할 수 있게 된다.

아래의 참고문헌에 기재된

는 격자 주기(d)의 d/4만큼 떨어져 위치한 두 개의 광섬유 라인에서 반사 격자판이 움직임에 따라 수광되어진 정현파의 반사 신호이며, 이 각각의 신호를 offset을 0으로 맞춰주고 진폭이 1인 신호로 정규화 시켜준 신호를

로 나타내었다. 이러한 계산식에 관련한 내용은 [M. Q. Feng, D. H. Kim, "Novel fiber optic accelerometer system using geometric moire fringe", Sensors and Actuators A Vol. 128, pp. 37-42, 2006]에 기재된 바와 같으며, 수학식 2에 들어가야 하는 센서 내부 1자유도 시스템의 고유 진동수

, 가진 진동수

그리고 감쇠계수

, 고유 진동수와 가진 진동수의 비로 표현되는

을 알면 정적 가속도를 계산할 수 있다.

그러나, 경사각의 변화 속도가 매우 느릴 경우, 가진되어진 주파수

는 0 에 가깝게 되므로 상대변위와 고유 진동수만으로 계산되어지게 된다.

아래에서는, 상기와 같이 구성되는 이 실시예의 광섬유 경사계 센서의 구성관계에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 광섬유 경사계 센서(100)는 케이스(110)와, 케이스(110)의 내측면에 그 일측이 각각 고정되는 한 쌍의 단일 감쇠자(120)와, 한 쌍의 단일 감쇠자(120)의 타측에 그 일측이 각각 설치되는 한 쌍의 단일 탄성자(130)와, 한 쌍의 단일 탄성자(130)의 타측에 그 양측이 각각 고정되는 단일 질량체(140)와, 단일 질량체(140)의 일측에 고정되는 반사 격자판(150), 및 케이스(110)의 일측에서 관통하여 설치되되 반사 격자판(150)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 한 쌍의 광섬유(160)로 구성된다.

여기서, 반사 격자판(150)은 측정 대상물의 경사 방향으로 반사면(151)과 비 반사면(152)이 주기적으로 배열되도록 단일 질량체(140)에 고정된다. 또한, 한 쌍의 광섬유(160)는 그 단면이 반사 격자판(150)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다. 여기서, 한 쌍의 광섬유(160)는 기본적으로 발광부와 수광부의 역할을 수행한다.

아래에서는 상기와 같은 구성관계를 갖는 광섬유 경사계 센서의 구성요소들에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 단일 탄성자인 판스프링의 패턴과 매개변수를 나타낸 구성도이다. 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 단일 탄성자(130)는 매개변수를 조절하여 원하는 기계적 특성을 갖는 패턴의 판스프링으로 제작된다. 따라서, 아래에서는 단일 탄성자와 판스프링에 대해 동일한 도면부호 130으로 병기하여 설명하기로 한다. 여기서, 조절되어야 하는 매개변수는 [Yeon-Gwan Lee et al., "Finite Element Analysis of Mass-Spring System for Measurement of Relative Moving Displacement", International Conference on Multi-Functional Materials and Structures, Sep. 17, 2010]에서 정의되어지는 정도이다.

기본적으로 판스프링(130)의 중앙에는 단일 질량체(140)와 일체화하는데 사용되는 홈(131)이 뚫어져 있으며, 이 홈(131)은 단일 질량체(140)를 판스프링(130)의 중앙에 구속시키는데 사용된다. 또한, 판스프링(130)은 단일 질량체(140)에 힘이 작용하게 되면 1자유도로 움직여야 하기 때문에, 유연성을 주기 위해 도 2에 정의된 패턴의 팔들이 몇 개로 나누어지게 된다. 한편, 판스프링(130)은 외력이 작용할 때에 각 패턴의 팔에 걸리는 모멘트의 합이 0이 되도록 하기 위해 짝수 개의 패턴으로 구성해야 한다.

상기와 같이 판스프링(130)을 구성한 것은 이 실시예의 광섬유 경사계 센서(100)가 반사 격자판(150)에서의 반사의 원리를 이용하기 때문에, 판스프링(130)의 패턴으로부터 단일 질량체(140)가 움직일 때, 반사 격자판(150)과 한 쌍의 광섬유(160) 간에 수직한 정렬이 유지되도록 하여 안정적인 반사 신호를 얻기 위함이다. 위의 연구 문헌을 참고하여 적절하게 스프링 강성을 설계한다면, 좋은 민감도를 가지는 경사계 센서를 제작할 수 있다.

또한, 단일 탄성자(130)는 도 2 및 도 3에 나타낸 매개변수 값을 적절히 선정하여 반사 격자판(150)이 정적 가속도 변화에 의해 한 쌍의 광섬유(160)와 수직 방향으로 움직일 때, 도 6에 도시된 회전을 야기하는 모멘트와 편심 오차의 영향이 가장 작은 판스프링(130) 패턴을 사용해야 한다. 여기서, 도 6은 도 1에 도시된 반사 격자판에 작용하는 수직 힘에 의해 발생하는 모멘트와 회전각을 나타낸 구성도이다.

도 4는 도 1에 도시된 반사 격자판을 나타낸 구성도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 반사 격자판(150)은 반사 물질로 이루어진 주기적인 격자인 반사면(151)과 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 일정 간극의 비 반사면(152)이 주기적으로 배열되는 구조를 갖는다. 즉, 반사 격자판(150)은 반사면(151)과 비 반사면(152)이 일정 주기(d)(pitch)를 갖고 반복적으로 배열되는 구조를 갖는다. 여기서, 일정 주기(d)라 함은 반사면(151)의 폭(d1)과 비 반사면(152)의 폭(d2)에 대한 합을 의미한다.

이러한 반사 격자판(150)은 반사 물질로 이루어진 주기적인 격자와 낮은 반사율을 갖는 간극의 반사율 차이가 클수록 간섭 신호가 줄어들고 출력신호의 진폭이 커지게 되어 정밀도가 좋아진다. 또한, 반사면(151)의 폭(d1)과 비 반사면(152)의 폭(d2)이 한 쌍의 광섬유(160)에서 조사되는 광빔의 직경과 동일하거나 작아야 주기적인 신호를 취득하여 신호처리가 가능하다. 다시 말해, 광빔의 직경과 같은 크기의 반사면(151)의 폭(d1)과 비 반사면(152)의 폭(d2)을 갖는 반사 격자판(150)을 사용할 때, 반사된 신호의 진폭이 가장 크다.

그리고, 반사면(151)의 폭(d1)과 비 반사면(152)의 폭(d2) 간에 일정 비율을 갖거나 이들 폭(d1, d2)이 광빔의 직경보다 작아도 정현파의 신호가 나타나지만, 가우시안 분포를 갖는 광빔의 경우에는 광빔 직경의 40% 이상의 폭(d1, d2)을 갖는 반사면(151)과 비 반사면(152)을 구비한 반사 격자판(150)을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 반사면(151)의 폭(d1)과 비 반사면(152)의 폭(d2) 간에 비율을 0.8~1.2로 구성하여도 정현파 신호를 얻을 수 있다.

이 실시예의 반사 격자판(150)은 반사면(151)과 비 반사면(152)이 직사각형 형태로 각각 형성된다. 하지만, 반사 격자판(150)은 광의 입사영역이 달라짐에 따라 반사되는 광량이 정현파적인 형태로 달라질 수 있다면 반사면(151)과 비 반사면(152) 간의 경계라인이 직선 형태가 아닌 곡선 형태로 구성하여도 무방하다.

도 5는 도 1에 도시된 광섬유 경사계 센서를 이용하여 상대변위를 측정하는 기본 원리를 나타낸 구성도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 이 실시예의 광섬유 경사계 센서는 기본적으로 변위 량을 측정할 수 있는 센서의 개념에서 출발하는 것으로서, 광섬유 경사계 센서를 이용하여 상대변위를 측정하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 광섬유(160)를 통해 전송되는 광원(210)으로 LD(laser diode) 또는 LED(light emitting diode) 등을 사용하여 광섬유(160) 끝단의 수직 절단면(161)을 통해 반사 격자판(150)에 광을 조사한다. 이때, 반사 격자판(150)의 반사영역인 반사면(151)에서 입사한 광은 반사되어 다시 광섬유(160)의 수직 절단면(161)을 통해 광섬유(160)로 전달된다. 그러면, 반사된 광은 셔큘레이터(220 ; circulator) 또는 커플러(240 ; coupler)에 의해 입사할 때와 그 경로를 달리하여 광검출기(230 ; photo detector)로 입력된다. 그로 인해, 출력광을 검출할 수 있게 된다. 한편, 광섬유(160)의 수직 절단면(161)의 단부에는 광섬유로 반사되는 반사광의 광량을 증가시키기 위해 평행광을 만들어주는 시광기(collimator)를 더 장착하는 것이 바람직하다.

도 5와 같이 반사 격자판(150)이 한 쌍의 광섬유(160)의 수직 절단면(161)과 수직한 방향으로 움직임에 따라 반사되는 광량이 반사 격자판(150)의 주기(d)에 따라 달라지는 주기적인 출력광을 만들어 내며, 이를 이용하여 반사 격자판(150)의 상대변위를 측정할 수 있다. 이때, 반사 격자판(150)을 구성하는 반사면(151)의 폭(d1)과 비 반사면(152)의 폭(d2)이 한 쌍의 광섬유(160)에서 나오는 광빔의 직경보다 작게 하여 출력되는 주기적인 출력광이 수학적으로 신호처리가 가능한 정현파적인 출력광이 되도록 해야 한다. 상기 원리로부터 반사 격자판(150)의 이동방향을 알기 위하여 두 개의 광섬유(한 쌍의 광섬유) 라인이 필요하다. 두 개의 광섬유 라인으로부터 얻어진 출력광은 앞서 연구된 바 있는 겹쳐있는 두 격자판의 무아레 프린지 현상을 이용하여 상대변위를 구하는 센서 시스템[김대현, "토목 구조물 건전성 평가를 위한 무아레 프린지 기법 광섬유 가속도계 시스템 개발", 센서학회지, 15권 1호, pp. 40-46, 2006]의 신호 처리 기술을 사용하여 반사 격자판(150)의 상대변위를 측정할 수 있게 된다.

도 7은 도 1에 도시된 반사 격자판을 이용한 광섬유 경사계 센서의 기본원리를 보여주는 개념도이다. 즉, 도 7은 0° 상태에서 +90°방향과 -90°방향으로의 회전시 반사 격자판(150)의 움직임을 나타낸 것이다. 도 7과 같이 경사계 센서가 기준 축에 대하여 회전하면, 기준 축과 중력가속도 방향과의 불일치로 인하여 측정 정적 가속도의 차이가 발생하게 된다. 이러한 측정 정적 가속도의 차이는 반사 격자판(150)이 광섬유(160)의 수직 절단면(161)과 수직한 방향으로의 변위를 발생시킨다. 여기서, 변위는 반사 격자판(150)의 주기(d)에 따라 달라지는 광량의 변화로 나타나며, 검출된 광량을 이용하여 측정 대상물의 기준 축에 대한 정적 가속도를 계산할 수 있다. 이렇게 계산된 정적 가속도를 바탕으로 회전량, 즉 경사각을 측정할 수 있다. 이때, 수직방향 변위의 선형성을 어느 정도 확보하고 센서 내부의 단일 질량체(140)의 편심과 오차를 최소화하기 위하여, 기존의 캔틸레버 구조 대신에 단일 탄성자(130)로 상기와 같은 판스프링(130)을 사용하여 광섬유 경사계 센서(100)를 구성한 것이다.

도 8은 도 4에 도시된 반사 격자판의 반사영역의 크기와 광섬유의 광빔의 크기를 조율하였을 때에, 민감도나 선형성이 가장 우수하고 1개의 광섬유 라인만을 사용하는 광섬유 경사계 센서의 원리를 보여주는 개념도이다. 도 8에서 알 수 있듯이, 이 실시예의 광섬유 경사계 센서는 초기 상태에서 광섬유가 반사판 위의 격자의 어느 위치를 바라보느냐에 따라 혹은 격자의 주기가 몇이냐에 따라 민감도를 상대적으로 가장 높이면서 구조적으로도 광섬유를 1개만 사용하도록 디자인 설계가 가능하다.

그 일례로서, 반사 격자판(150)의 반사면(151)의 폭(d1)과 비 반사면(152)의 폭(d2)이 광섬유(160)에서 발광되는 광빔의 크기보다 크다면, 광빔이 반사 격자 영역의 위에서 센서의 기울어짐에 의해 단일 질량체에 붙어있는 반사 격자판이 움직임으로써 반사영역이 조금씩 바뀜에 따라 변조되는 광의 영역이 발생하게 된다. 여기서, 광빔은 가우시안 분포를 가져야 한다. 이때, 반사 영역(반사면(151))과 비 반사영역(비 반사면(152))의 중간에 정확히 광섬유(160)의 광빔이 위치한다면, 도 8의 그래프에 도시된 반사광의 곡선의 가장 민감도 및 선형성이 좋은 중간지점에 반사광의 강도가 위치할 수 있게 된다. 한편, +방향과 -방향으로의 기울어짐으로 인해 반사 격자판(150)이 움직임에 있어서, 반사 격자판(150)이 기울기가 일정한 구간에 위치하도록 판스프링(130)의 강성을 적절히 설계함으로써, 민감도가 가장 우수하면서도 광섬유 1개만 사용하고서도 방향의 구별이 가능해지게 되어 굉장히 효율적인 광섬유 경사계 센서(100)로의 제작이 가능해진다.

이 실시예의 광섬유 경사계 센서를 구성함에 있어서, 1개의 광섬유 라인만을 사용하도록 구성하기 위한 다른 일례의 조건은 다음과 같다. 첫째는 격자 주기(d)가 광빔의 직경보다 작게 하여 정현파가 나오는 격자 주기(d)가 최대한 커지도록 하여, 도 8의 그래프의 반주기의 변위가 크게 나오도록 하는 것이다. 둘째는 측정하고자 하는 범위, 예를 들어 +90°와 -90° 사이에서 반사되는 광량이 도 8에 보이는 바와 같은 반주기(max와 min이 들어가지 않은)안에 포함되도록 판스프링의 강성이나 단일 질량체의 질량을 조절하여야 한다. 만일 사용자가 더 좁은 범위의 기울어진 각을 더욱 정밀하게 측정하고자 한다면, 측정 범위 안에서 반사되는 광량을 앞서 말한 반주기(max와 min)안에 포함되도록 판스프링의 강성 및 단일 질량체의 질량을 조절함으로써 가능하다. 더 바람직하게는 초기 회전각이 없는 0°일 때 광빔의 중앙이 반사면(151)과 비 반사면(152)의 중앙 경계면에 일치되도록 위치시키는 것이다.

도 9는 이 발명의 다른 실시예에 따른 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서의 측정 원리를 나타내 주는 기본 구성도이다. 도 9에 나타낸 광섬유 경사계 센서(100A)는 도 1의 반사 격자판(150) 대신에 투과면과 비 투과면이 주기적으로 형성된 격자판(150A)과 이 투과 격자판(150A)을 투과한 광을 반사시키는 반사 거울(170)을 이용한다는 것을 제외하고는 도 1의 광섬유 경사계 센서(100)와 동일하게 구성된다. 따라서, 동일 구성요소들에 대해서는 동일 도면부호를 부여하고, 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.

도 9에 나타낸 광섬유 경사계 센서(100A)는 케이스(110)와, 케이스(110)의 내측면에 그 일측이 각각 고정되는 한 쌍의 단일 감쇠자(120)와, 한 쌍의 단일 감쇠자(120)의 타측에 그 일측이 각각 설치되는 한 쌍의 단일 탄성자(130)와, 한 쌍의 단일 탄성자(130)의 타측에 그 양측이 각각 고정되는 단일 질량체(140)와, 단일 질량체(140)의 일측에 고정되는 투과 격자판(150A)과, 케이스(110)의 내측면에 설치되어 투과 격자판(150A)을 투과한 광을 반사시키는 반사 거울(170), 및 케이스(110)의 일측에서 관통하여 설치되되 투과 격자판(150A)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 한 쌍의 광섬유(160)로 구성된다.

이 실시예의 투과 격자판(150A)은 투과물질로 구성되어 투과영역을 형성하는 투과면(151A)과, 비 투과물질로 구성되어 비 투과영역을 형성하는 비 투과면(152A)이 주기적으로 배열되어 격자 형태로 구성되어 있다. 여기서, 투과면(151A)은 완전투과하는 것이 바람직하고, 비 투과면(151A)은 전혀 투과하지 않는 것이 바람직하지만, 비 투과면(151A)은 투과면(151A)보다 상대적으로 매우 낮은 투과율을 갖는 비 투과물질로 구성되어 비 투과영역을 형성하여도 무방하다. 이러한 구성관계를 갖는 투과 격자판(150A)은 도 4에 도시된 반사 격자판(150)과 동일 개념으로 구성되므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 이 실시예의 광섬유 경사계 센서(100A)를 이용하여 상대변위를 측정하는 기본 원리를 비롯하여, 1개의 광섬유 라인만을 사용하도록 구성하기 위한 조건들 또한 앞서 설명한 광섬유 경사계 센서(100)와 동일하므로, 이에 대한 설명 또한 생략하기로 한다.

이상에서 이 발명의 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100 : 광섬유 경사계 센서 110 : 케이스
120 : 단일 감쇠자 130 : 단일 탄성자
131 : 홈 140 : 단일 질량체
150 : 반사 격자판 151 : 반사면
152 : 비 반사면 160 : 광섬유
161 : 수직 절단면 210 : 광원
220 : 셔큘레이터 230 : 광검출기
240 : 커플러

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 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 고정되며, 투과물질로 구성되어 투과영역을 형성하는 투과면과, 상기 투과면보다 상대적으로 낮은 투과율을 갖는 비 투과물질로 구성되어 비 투과영역을 형성하는 비 투과면이 주기적으로 배열되어 격자 형태로 구성되는 투과 격자판과;
   상기 케이스의 내측면에 설치되어 상기 투과 격자판을 투과한 광빔을 반사시키는 반사 거울; 및
   상기 투과 격자판의 표면과 수직한 방향으로 그 단부가 위치하도록 상기 케이스에 지지되며, 상기 투과 격자판에 광을 조사하는 발광부와 상기 반사 거울에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 각각의 위치에서 각각 하는 한 쌍의 광섬유를 포함하며,
   상기 투과면의 폭과 상기 비 투과면의 폭이 상기 광섬유에서 발광되는 가우시안 분포를 갖는 광빔의 크기보다 크거나 상기 반사광이 정현파 신호로 출력되며, 상기 한 쌍의 단일 탄성자는 원하는 측정범위 사이에서 반사되는 광량이 최대값과 최소값이 들어가지 않은 반주기 안에 포함되는 강성을 갖는 것을 특징으로 하는 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서.
4. 청구항 3에 있어서,
   초기 회전각이 없는 0°에서 상기 광빔의 중앙이 상기 투과면과 상기 비 투과면의 중앙 경계면에 위치하는 것을 특징으로 하는 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
   상기 단일 탄성자는 판스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 판스프링은 다수개의 패턴으로 분할하여 구성하되 짝수 개의 패턴으로 구성하는 것을 특징으로 하는 넓은 측정 범위를 갖는 광섬유 경사계 센서.

Images