KR101481814B1

KR101481814B1 - 변위 측정 광섬유 센서

Info

Publication number: KR101481814B1
Application number: KR1020130167331A
Authority: KR
Inventors: 임석훈
Original assignee: 주식회사 지엔큐
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2015-01-21

Abstract

본 발명은 측정대상체에 설치되어 측정대상체의 물리적 변위량을 측정하는 변위 측정 광섬유 센서에 관한 것으로서, 단면형상이 다각형 형상을 갖으며 일정길이 연장된 메인 지지체와, 메인 지지체의 길이방향과 나란한 방향의 각 면에 메인 지지체의 길이방향을 따라 직렬상으로 결합되되 격자가 형성된 광섬유 격자 유니트와, 광을 출사하는 광원과, 광원에서 출사된 광을 제1출력단을 통해 상기 광섬유 격자 유니트의 일단을 통해 입사시키고, 광섬유격자 유니트로부터 반사되어 역으로 입력되는 광을 제2출력단을 통해 출력하는 광서큘레이터와, 광서큘레이터의 상기 제2출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출기와, 광검출기에서 출력되는 신호로부터 메인지지체가 설치된 측정대상체에 대한 변위량을 산출하는 변위 산출부를 구비한다. 이러한 변위 측정 광섬유 센서에 의하면, 상호 직교하는 복수의 방향에 대한 스트레인과 뒤틀림을 검출할 수 있으면서도 구조가 단순한 장점을 제공한다.

Description

변위 측정 광섬유 센서{optical fiber sensor for detecting deformation}

본 발명은 변위 측정 광섬유 센서에 관한 것으로서, 상세하게는 복수의 방향에 대한 스트레인과 함께 뒤틀림도 검출할 수 있는 변위 측정 광섬유 센서에 관한 것이다.

광섬유격자는 온도 또는 스트레인(strain)의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 쉬프트 된다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 스트레인, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.

이러한 광섬유격자는 구조물의 진단 등 각종 분야에서 센서로서 이용되고 있고, 국내 등록특허 제10-1057309호 등 다양하게 개시되어 있다.

그런데, 종래의 광섬유 격자 센서는 대부분 한 방향에 대한 스트레인 인가유무만 검출하도록 되어 있어, 상호 직교하는 복수의 방향에 대한 스트레인을 검출할 수 없고, 특히 뒤틀림의 발생유무를 검출할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 상호 교차하는 복수의 방향에 대한 스트레임뿐만 아니라 뒤틀림정도도 검출할 수 있는 변위 측정 광섬유 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 변위 측정 광섬유 센서는 측정대상체에 설치되어 측정대상체의 물리적 변위량을 측정하는 변위 측정 광섬유 센서에 있어서, 단면형상이 다각형 형상을 갖으며 일정길이 연장된 메인 지지체와; 상기 메인 지지체의 길이방향과 나란한 방향의 각 면에 상기 메인 지지체의 길이방향을 따라 직렬상으로 결합되되 격자가 형성된 광섬유 격자 유니트와; 광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사된 광을 제1출력단을 통해 상기 광섬유 격자 유니트의 일단을 통해 입사시키고, 상기 광섬유격자 유니트로부터 반사되어 역으로 입력되는 광을 제2출력단을 통해 출력하는 광서큘레이터와; 상기 광서큘레이터의 상기 제2출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출기와; 상기 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 메인지지체가 설치된 측정대상체에 대한 변위량을 산출하는 변위 산출부;를 구비한다.

또한, 상기 메인 지지체는 단면형상이 사각형으로 형성되어 있고, 사각면 각각에는 길이방향을 따라 상기 광섬유격자 유니트가 삽입될 수 있는 삽입홈이 길이방향을 따라 형성되어 있다.

바람직하게는 상기 광섬유 격자 유니트는 상기 메인 지지체의 사각면을 형성하는 제1 내지 제4면 중 제1면에 제1격자가 다수 형성된 제1광섬유 격자와; 상기 제1광섬유격자와 직렬상으로 연결되며 상기 메인지지체의 제2면에 제2격자가 다수 형성된 제2광섬유격자와; 상기 제2광섬유격자와 직렬상으로 연결되며 상기 메인지지체의 제3면에 제3격자가 다수 형성된 제3광섬유격자와; 상기 제3광섬유격자와 직렬상으로 연결되며 상기 메인지지체의 제4면에 제4격자가 다수 형성된 제2광섬유격자;로 형성되어 있다.

본 발명에 따른 변위 측정 광섬유 센서에 의하면, 상호 직교하는 복수의 방향에 대한 스트레인과 뒤틀림을 검출할 수 있으면서도 구조가 단순한 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 변위 측정 광섬유 센서의 장착 유니트를 나타내 보인 사시도이고,
도 2는 도 1의 장착유니트를 통해 변위를 측정하는 변위 측정 광섬유 센서를 도식적으로 나타내 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 변위 측정 광섬유 센서를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 변위 측정 광섬유 센서(100)는 광원(110), 광서큘레이터(120), 장착 유니트(130), 광검출기(PD)(160), 변위산출부(170)를 구비한다.

광원(110)은 광서큘레이터(120)의 입력단(121)을 통해 광을 출사한다.

광원(110)은 출사되는 광의 파장 대역이 넓은 것을 적용한다.

광서큘레이터(120)는 입력단(121)을 통해 입사된 광을 제1출력단(122)을 통해 광섬유 격자 유니트(140)의 일단을 통해 입사시키고, 광섬유격자 유니트(140)로부터 반사되어 역으로 제1출력단(122)을 통해 입력되는 광을 제2출력단(123)을 통해 출력한다.

장착유니트(130)는 측정대상체(미도시)에 설치되며, 메인 지지체(131)와 결합 플렌지(135)를 구비한다.

메인 지지체(131)는 단면형상이 사각형 형상을 갖으며 일정길이 연장되어 있으며, 사각면 각각에는 즉 4개의 제1 내지 제4면(131a 내지 131d) 각각에는 길이방향을 따라 후술되는 광섬유격자 유니트(140)가 삽입될 수 있는 삽입홈(132a 내지 132d)이 길이방향을 따라 양단까지 형성되어 있다.

메인 지지체(131)는 도시된 예와 다르게, 4각형 이외의 다각형으로 형성될 수 있고, 바람직하게는 4의 배수에 해당하는 다각형으로 예를 들면 8각형, 12각형 16각형 등으로 형성된다.

결합플렌지(135)는 메인 지지체(131)의 양단이 삽입되어 지지될 수 있게 형성되어 있고, 측정대상체에 결합할 수 있도록 되어 있다.

결합플랜지(135)는 메인 지지체(131)의 종단이 삽입될 수 있는 사각홈(136)이 형성된 사각홈부(135a)와 사각홈부(135a)의 바닥면을 형성하며 측정대상체에 결합할 수 있게 사각홈부(135a)보다 외격이 확장된 크기로 형성된 플랜지부분(135b)을 갖는 구조로 형성되어 있다.

광섬유 격자유니트(140)는 메인 지지체(131)의 길이방향과 나란한 방향의 각 면(131a 내지 131d)의 중앙에 형성된 삽입홈(132a 내지 132d)에 삽입되게 결합되어 메인 지지체(131)의 길이방향을 따라 직렬상으로 결합되어 있고, 제1 내지 제4면(131a 내지 131d)을 따라 연장된 부분에는 격자가 형성되어 있다.

광섬유 격자 유니트(140)를 구분하면, 제1 내지 제4광섬유격자(141 내지 144)를 갖는 구조로 되어 있다.

제1광섬유격자(141)는 광써큘레이터(120)의 제1출력단(122)으로부터 연장되어 메인 지지체(131)의 사각면을 형성하는 제1 내지 제4면(131a 내지 131d) 중 제1면(131a)에 형성된 삽입홈(132a)을 따라 연장되게 결합되어 있고, 제1격자(141a)가 상호 이격되게 다수 형성되어 있다.

제2광섬유 격자(142)는 제1광섬유격자(141)와 직렬상으로 연결되며 메인지지체(131)의 제2면(131b)에 형성된 삽입홈(132b)을 따라 제2격자(142a)가 상호 이격되게 다수 형성되어 있다.

제3광섬유 격자(143)는 제2광섬유격자(141)와 직렬상으로 연결되며 메인지지체(131)의 제3면(131c)에 형성된 삽입홈(132c)을 따라 제3격자(143a)가 상호 이격되게 다수 형성되어 있다.

제4광섬유 격자(144)는 제3광섬유격자(141)와 직렬상으로 연결되며 메인지지체(131)의 제4면(131d)에 형성된 삽입홈(132d)을 따라 제4격자(144a)가 상호 이격되게 다수 형성되어 있다.

여기서, 제1광섬유격자(141)로부터 제4광섬유격자(144)는 하나의 광섬유상에 제1 내지 제4격자(141a 내지 144a)를 각각 대응되는 위치에 형성시켜 메인 지지체(131)의 제1면(131a)에 형성된 삽입홈(132a)으로부터 앞서 설명된 장착위치에 대응되는 경로를 따라 설치하면 된다.

또한, 제1광섬유격자(141) 내지 제4광섬유격자(144)의 삽입홈(132a 내지 132d)에 삽입되는 부분은 에폭시와 같은 접착제로 접합하고, 메인 지지체(131)의 종단에서 다음 경로의 면으로 삽입되기 위해 구부려지는 부분은 구부림 각도를 완만하게 하기 위해 삽입홈(132a 내지 132d)를 상호 열십자로 연결하는 열십자홈(137)이 형성되어 있다.

한편, 제1격자 내지 제4격자(141a 내지 144a)의 격자 간격 각각은 상호 다르게 적용하는 것이 바람직하다.

광검출기(160)는 광서큘레이터(120)의 제2출력단(123)을 통해 출력되는 광을 검출하고, 검출된 신호를 변위 산출부(170)로 출력한다.

변위 산출부(170)는 제1격자 내지 제4격자(141a 내지 144a)로부터 시간차이를 갖으면서 반사되어 광검출기(160)에서 출력되는 신호로부터 메인지지체(131)가 설치된 측정대상체에 대한 변위량을 산출한다.

변위 산출부(170)는 제1격자(141a)와 제2격자(142a) 각각의 파장 이동량으로부터 수직방향에 대한 휨에 대응한 스트레인 값을 산출하고, 제3격자(143a)와 제4격자(144a) 각각의 파장 이동량으로부터 수평방향에 대한 휨에 대응한 스트레인 값을 산출한다.

또한, 변위 산출부(170)는 제1격자(141a) 내지 제4격자(142a) 각각의 파장 이동량으로부터 뒤틀림 즉, 메인 지지체(131)의 길이방향을 축으로 하여 선회하는 변형이 발생했는지를 산출한다.

변위 산출부(170)에는 수직방향에 대한 스트레인이 인가되어 수직방향을 따라 메인 지지체(131)가 상하로 휘어질 때의 제1격자(141a)와 제2격자(142a) 각각의 파장 이동량과, 수평방향에 대한 스트레인이 인가되어 메인 지지체(131)가 수평방향을 따라 좌우로 휘어질 때의 제1격자(141a)와 제2격자(142a) 각각의 파장 이동량값과, 뒤틀림이 발생했을 때 제1격자(141a) 내지 제4격자(144a)의 파장 이동량에 대해 미리 실험을 통해 구한 값이 룩업테이블(LUT)(172)에 기록되어 있고, 룩업데이블(172)에 기록된 정보를 이용하여 수직방향 및 수평방향에 대한 스트레인 및 뒤틀림 정도를 산출하도록 구축될 수 있다.

변위 산출부(170)는 산출된 변위정보를 출력부(175)를 통해 출력한다.

출력부(170)는 변위정보를 표시하는 표시부 또는 변위정보를 원격지의 통신주소로 전송하는 통신부가 적용될 수 있다.

이상에서 설명된 변위 측정 광섬유센서(100)는 두 방향에 대한 스트레인 인가 유무 뿐만 아니라 뒤틀림력의 인가유무도 검출할 수 있고, 하나의 광섬유를 지그재그로 메인 지지체(131)의 각 면에 결합되게 장착하면 되기 때문에 구조가 단순화되는 장점을 제공한다.

110: 광원 120: 광서큘레이터
160: 광검출기 170: 변위산출부

Claims

측정대상체에 설치되어 측정대상체의 물리적 변위량을 측정하는 변위 측정 광섬유 센서에 있어서,
단면형상이 다각형 형상을 갖으며 일정길이 연장된 메인 지지체와;
상기 메인 지지체의 길이방향과 나란한 방향의 각 면에 상기 메인 지지체의 길이방향을 따라 직렬상으로 결합되되 격자가 형성된 광섬유 격자 유니트와;
광을 출사하는 광원과;
상기 광원에서 출사된 광을 제1출력단을 통해 상기 광섬유 격자 유니트의 일단을 통해 입사시키고, 상기 광섬유격자 유니트로부터 반사되어 역으로 입력되는 광을 제2출력단을 통해 출력하는 광서큘레이터와;
상기 광서큘레이터의 상기 제2출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출기와;
상기 광검출기에서 출력되는 신호로부터 상기 메인지지체가 설치된 측정대상체에 대한 변위량을 산출하는 변위 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 변위 측정 광섬유센서.
제1항에 있어서, 상기 메인 지지체는 단면형상이 사각형으로 형성되어 있고, 사각면 각각에는 길이방향을 따라 상기 광섬유격자 유니트가 삽입될 수 있는 삽입홈이 길이방향을 따라 형성된 것을 특징으로 하는 변위 측정 광섬유센서.
제2항에 있어서, 상기 광섬유 격자 유니트는 상기 메인 지지체의 사각면을 형성하는 제1 내지 제4면 중 제1면에 제1격자가 다수 형성된 제1광섬유 격자와;
상기 제1광섬유격자와 직렬상으로 연결되며 상기 메인지지체의 제2면에 제2격자가 다수 형성된 제2광섬유격자와;
상기 제2광섬유격자와 직렬상으로 연결되며 상기 메인지지체의 제3면에 제3격자가 다수 형성된 제3광섬유격자와;
상기 제3광섬유격자와 직렬상으로 연결되며 상기 메인지지체의 제4면에 제4격자가 다수 형성된 제4광섬유격자;로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 변위 측정 광섬유센서.