KR101536074B1 - 광학구체를 갖는 광섬유 변위센서 및 이를 이용한 변위 센싱 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광섬유 변위센서 및 이를 이용한 변위 센싱 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 변위센서는 광섬유를 포함하는 변위센서로서 광섬유는 코어의 일부분에 코어의 직경보다 큰 직경을 갖는 하나 이상의 광학구체가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명의 변위센서는 그 구성이 단순하고 단일 파장 광신호를 이용하여 입력 광신호와 출력 광신호의 세기 비교만으로 변위를 측정할 수 있어 다양한 분야에서 변위센서로서 활용될 수 있는 효과가 있다.

Description

광학구체를 갖는 광섬유 변위센서 및 이를 이용한 변위 센싱 시스템{Optical Fiber Position Sensor Having Optical Sphere and Position Sensing System Using The Sensor}

본 발명은 광섬유 변위센서 및 변위 센싱 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 하나 이상의 광학구체를 갖는 광섬유 변위센서 및 이를 이용한 변위 센싱 시스템에 관한 것이다.

변위센서는 구조물의 안전 진단을 위한 산업적 비파괴 검사, 비외과적 시술에 이르기까지 사람의 손과 눈이 닿지 않는 영역에서의 변위 정보를 수집하기 위한 광범위한 산업분야의 계측에 사용된다.

종래의 변위센서로서 콘덴서의 유전체의 거리에 대한 용량변화를 이용한 커패시터 변위센서, 레이저의 직진성을 이용하는 레이저 변위센서, 압전 효과를 발생하는 재료를 이용하는 압전소자 변위센서, 변압기를 이용한 선형차동변압기 변위센서, 광섬유를 이용한 광섬유 변위센서 등이 있으며, 이중 광섬유 변위센서는 구조가 단순하고 조작이 용이하다는 점 등에서 많은 장점을 가지고 있다.

종래의 광섬유 변위센서로는 광섬유 내 브래그 격자를 포함하는 FBG(Fiber Bragg Grating) 변위센서가 있다.

FBG 변위센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 이정한 길이에 따라 새긴 후 온도나 강도 등의 외부의 조건 변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.

그러나 FBG 변위센서는 파장선택성이 있어 광대역 광원을 사용하여야 하며, 신호 분석에 분광기를 사용해야하는 등의 불편함이 있다.

따라서 효과적인 비파괴검사 및 비외과적 시술을 위해 높은 민감도를 가지면서도 최소한의 외부 환경변수의 간섭을 받고, 실시간·원격 모니터링이 가능하고, 가볍고 조작이 용이한 새로운 변위 센서의 개발이 필요하다.

공개특허공보 제10-2010-0024743호, '광섬유격자센서를 이용한 구조물의 인테로게이터'

상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 광섬유 변위센서 및 변위 센싱 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 광학 구체를 갖는 광섬유 변위센서 및 이를 이용한 변위 센싱 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 단일 파장의 광원을 이용하여 변위를 감지할 수 있는 광학구체를 갖는 광섬유 변위센서 및 변위 센싱 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 빛의 세기만 측정하면 변위를 감지할 수 있는 광학구체를 갖는 광섬유 변위센서 및 변위 센싱 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 광학구체의 크기, 배열 간격 등의 변수를 조절하여 사용자가 원하는 민감도를 갖는 광섬유 변위센서 및 변위 센싱 시스템을 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서는 광섬유를 포함하여 이루어진 변위센서로서, 광섬유 코어의 일부분에 코어의 직경보다 큰 직경을 갖는 하나 이상의 광학구체가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

복수 개의 광학구체는 일정 간격을 두고 형성되어 있으며, 광학구체의 직경 또는 위치는 입사되는 광섬유에 입사되는 광신호의 파장에 따라 결정될 수 있다.

광학구체는 상기 코어와 같은 물질로 이루어지며, 코어의 일부분에 상기 코어를 모체로하는 전기방사법을 이용하여 형성할 수 있다.

상기 광섬유가 변형될 경우 상기 코어는 상기 광학구체를 중심으로 변형될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센싱 시스템은 센싱모듈 및 계측모듈을 포함하여 이루어진 변위 센싱 시스템으로서, 센싱모듈은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서를 포함하고, 계측모듈은 변위센서에 인가되는 입력 광신호를 출력하는 출력부; 입력 광신호가 상기 변위센서의 광섬유를 통과하여 출력된 출력 광신호를 입력받는 입력부; 입력 광신호와 출력 광신호의 세기를 비교하고, 저장부에 저장된 데이터를 이용하여 센싱모듈의 변위를 계측하는 제어부; 및 입력 광신호 대비 출력 광신호 세기에 따른 변위값 데이터를 저장하는 저장부를 포함하여 이루어진다.

출력부에서 출력되는 입력 광신호는 단일 파장의 광신호일 수 있다.

감지해야 할 변위 범위에 따라 상기 계측모듈에 서로 다른 센싱모듈을 교체 결합할 수 있으며, 서로 다른 센싱모듈은 각각 변위센서에 형성된 광학구체의 직경 및/또는 복수개 광학구체 사이의 배열 간격이 서로 다르게 구성될 수 있다.

또한 더 미세한 변위 범위를 측정해야 할수록 상기 광학구체의 직경이 더 작거나 상기 배열 간격이 더 좁은 광섬유를 갖는 센싱모듈이 상기 계측모듈에 결합될 수 있다.

본 발명은 광학 구체를 갖는 광섬유 변위센서 및 이를 이용한 변위 센싱 시스템을 제공하는 효과를 가지며, 이러한 변위센서 및 변위 센싱 시스템은 단일 파장의 광원을 이용하여 변위를 감지할 수 있고, 입력 광신호와 출력 광신호의 빛의 세기만 측정하면 변위를 감지할 수 있으며, 광학구체의 크기, 배열 간격 등의 변수를 조절하여 사용자가 원하는 민감도를 구현할 수 있는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서가 변형되지 않은 경우의 광신호 경로를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서가 변형된 경우의 광신호 경로와 광신호 손실을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센싱 시스템을 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4의 센싱모듈이 변형된 경우를 보여주는 도면이다.
도 6은 저장부에 저장된 예시적인 데이터 테이블을 보여주는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 관한 변위센서 및 변위 센싱 시스템에 대해 상세히 설명하도록 한다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 변위센서 및 변위 센싱 시스템을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서(1)를 보여주는 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서(1)는 광섬유를 이용하는 광섬유 변위센서이다.

광섬유는 광통신을 목적으로 개발되었기 때문에 광수송 손실 2% 이내의 고효율성을 지닌다. 그러나 특정수준 이상으로 과도하게 변형될 경우 변형부에서 급격한 광손실이 발생한다.

본 발명은 이러한 광섬유의 굽힘을 효과적으로 이용할 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 광섬유 코어(10)의 일부분에 코어의 직경보다 큰 직경을 갖는 하나 이상의 광학구체(12)를 형성한 것을 특징으로 한다.

도 1은 이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서의 특징을 명확히 나타내도록 광섬유의 코어 부분의 형상만을 나타낸 것이며, 코어의 주변은 코어보다 굴절률이 낮은 물질로 이루어진 클래드(미도시)로 둘러싸여 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서(1)로 변위를 측정하는 원리를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 2에 도시된 바와 같이 변위센서가 굽혀지지 않았을 경우 변위센서로 입사된 광신호는 클래드와의 경계에서 클래드로 투과되지 않고 모두 반사되는 전반사를 계속하면서 진행된다.

따라서 입사된 광신호의 세기와 변위센서(1)를 통과하여 출력되는 광신호의 세기는 거의 동일하다.

그러나 변형될 경우 도 3에 도시된 바와 같이 직경이 큰 광학구체를 중심으로 광섬유의 코어가 굽혀지고, 변위센서로 입사된 광신호 중 적어도 일부는 광학구체(12)로 입사되고, 광학구체 내부에서 반사를 계속하면서 갇히거나 광학구체에서 빠져나가더라도 일부 광신호가 손실되고 나머지 광신호만 빠져나가게 된다.

따라서 입사된 광신호의 세기보다 변위센서(1)를 통과하여 출력되는 광신호의 세기가 약해진다.

본 발명은 이와 같은 원리를 이용하여 입사된 광신호의 세기와 출력되는 광신호의 세기를 비교하는 것만으로 변위센서의 변위를 측정할 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서의 구조를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서(1)는 광섬유의 코어와 광학구체가 동일한 물질로 형성되어 있어야 한다. 따라서 당업자는 예를 들어 전기방사법을 이용하여 코어를 모체로 하여 광학구체를 형성할 수 있다.

또한 코어를 모체로 형성되는 광학구체는 그 직경이 코어의 직경보다 커야한다. 그러나 코어의 직경이 너무 클 경우 변위센서가 변형되지 않았는데도 입사된 광신호가 광학구체에 입사되어 일부 광신호를 손실할 수 있으므로 사용되는 광신호의 파장에 따라 적절한 직경을 갖는 광학구체를 형성하는 것이 바람직하다.

또한 입사되는 광신호의 파장이 길면 전반사 후 다시 전반사 되는 간격이 길어지고, 반대로 광신호의 파장이 짧으면 전반사 후 다시 전반사 되는 간격이 짧아진다. 따라서 광학구체(12)의 형성 위치에 따라 변위센서가 변형되지 않은 경우라 하더라도 변위센서로 입사된 광신호가 광학구체에 입사될 수도 있다. 그러므로 최적 광학구체의 형성 위치 역시 변위센서로 입사되는 광신호의 파장에 따라 변위센서가 변형되지 않은 경우 입사된 광신호가 광학구체(12)에 갇히지 않는 적절한 위치에 형성하는 것이 바람직하며, 복수개의 광학구체가 형성된 경우 그 간격은 일정하게 형성하는 것이 바람직하다.

그러나 변위센서가 변형되지 않은 경우에 입사된 광신호의 세기와 출력되는 광신호의 세기를 미리 측정해 놓고 이를 변위센서가 변형된 경우와 비교하여 변형 여부 및 변위 정도를 계측할 수 있으므로 광학구체의 크기와 형성위치가 변위센서가 변형되지 않았을 경우 광신호가 입사되지 않는 크기와 위치만으로 반드시 한정되지는 않는다.

또한 광학구체가 변위부분에 많이 형성되어 있으면 변형 정도에 따른 광손실 양이 많아져서 신호변화 차이가 커진다. 하지만 일정 수 이상이 되면 변형이 일어나지 않아도 광손실이 많아 신호 감별이 어렵다. 또한 광학구체의 직경이 너무 작을 경우 변형 유무에 따른 신호차이가 크지 않고, 일정 직경 이상 커지면 변형이 없어도 광손실이 많이 발생하여 원하는 신호를 선택적으로 감별하기 어렵다. 따라서 광학구체(12)의 직경, 간격 등의 변수를 사용하고자 하는 변위 범위와 파장에 따라 조절하여 원하는 민감도를 갖는 변위센서를 구성할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 변위센서는 구성이 간단하고, 센싱 방법도 간편하여 수술용 카테터와 같은 의료기기, 덕트시공이나 누수 탐지와 같은 다양한 분야에서 사용될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 변위센서를 이용한 변위 센싱 시스템에 대하여 설명한다.

도 4와 도 5에 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센싱 시스템의 개략도가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센싱 시스템은 센싱모듈(100)과 계측모듈(200)을 포함하여 이루어진다.

센싱모듈(100)은 변위를 센싱하는 모듈로서 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서(1)가 포함되어 구성된다. 이러한 센싱모듈은 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서가 장착된 카테터와 같은 의료장비이거나 변위 측정이 필요한 시설물 위치에 설치된 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서일 수 있다.

계측모듈(200)은 상기 센싱모듈(100)과 결합하여 센싱모듈에 광신호를 제공하고 센싱모듈의 변위센서(1)를 통해 출력되는 출력신호를 수신하여 계측모듈의 변위정도를 계산하여 출력하는 모듈이다. 이러한 계측모듈은 도 4에 도시된 바와 같이 출력부(210), 입력부(220), 제어부(230), 저장부(240) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

계측모듈의 구성을 보다 상세히 설명하면, 출력부(210)는 센싱모듈(100)에 인가되는 입력 광신호를 출력한다.

센싱모듈에 인가된 입력 광신호는 센싱모듈에 포함된 변위센서(1)를 구성하는 광섬유(10)의 일단부에 인가된다.

종래 FRG 변위센서와 달리 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센싱 시스템에서는 단일파장의 광신호를 사용하면 된다. 따라서 출력부(210)에서 출력되는 입력 광신호 역시 단일파장의 광신호일 수 있다.

입력부(220)는 센싱모듈(100)로부터 출력되는 출력 광신호를 입력받는다.

센싱모듈로부터 출력되는 출력 광신호는 센싱모듈에 인가된 입력 광신호가 변위센서(1)를 구성하는 광섬유(10)의 일단부로 입사하여 광섬유를 통과한 후 타단부를 통해 출력된 광신호이다.

따라서 센싱모듈의 광섬유(1)가 외력에 의해 변형되지 않은 경우에는 출력부를 통해 출력된 입력 광신호의 세기와 입력부로 입력된 출력 광신호의 세기가 거의 동일할 것이다. 그러나 센싱모듈의 광섬유(1)가 도 5에 도시된 바와 같이 외력에 의해 변형된 경우 입력 광신호의 세기보다 출력 광신호의 세기가 작아진다.

또한 출력부에서 출력된 입력 광신호가 광섬유(1)의 일단부로 입사되기까지의 광신호 손실이 발생되지 않고, 광섬유(1) 타단부에서 출력된 출력 광신호가 입력부까지 광신호 손실 없이 입력되도록 출력부와 광섬유(1) 일단부 사이 및 광섬유(1) 타단부와 입력부 사이도 광섬유로 연결될 수 있으며, 이때의 광섬유는 광학구체가 형성되어 있지 않은 일반적인 광섬유이다. 하지만 센싱모듈과 계측모듈 사이의 거리가 짧기 때문에 일반적인 광케이블 등을 사용할 수도 있다.

제어부(230)는 위와 같은 출력부(210)에서 출력된 입력 광신호의 세기(I)와 입력부(220)로 입력된 출력 광신호의 세기(O)를 비교하여 센싱모듈이 어느 정도 변위되었는지를 계산하여 출력한다.

이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 센싱 시스템에는 입력 광신호 세기(I) 대비 출력 광신호의 세기(O)에 따른 변위값(D) 데이터를 저장하고 있는 저장부(240)가 포함되어 있다.

상기 저장부(240)는 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같은 데이터 테이블을 저장하고 있을 수 있다. 여기서의 변위값(D)은 곡률반지름으로 나타낸 것으로 입력 광신호가 그대로 출력될 경우 광섬유는 일자로 곧게 펴져 있을 것이므로 변위값인 곡률반지름은 무한대가 되면, 굽힘이 심해질수록 곡률 반지름이 작아지게 된다. 하지만 변위값(D)을 (곡률반지름)^{- 1}으로 나타낼 수도 있으며, 이때는 입력 광신호와 출력 광신호의 세기가 같을 때 변위값이 0이며, 출력 광신호 세기가 작아질수록 ㅂ변위값이 커진다.

도 6에 도시된 바와 같은 데이터 테이블을 사용하고 입력신호 세기(I) 대비 출력신호 세기(O)가 0.2인 경우, 제어부는 상기 데이터 테이블을 참조로 3㎜정도 변위가 발생하였음을 판단하고 이 값을 센싱된 변위값으로 출력한다.

상기 저장부에 저장된 데이터는 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서 및 변위 센싱 시스템을 제조하는 과정에서 미리 여러 번의 테스트를 거쳐 사전에 결정된 값을 저장할 수 있다. 또한 광섬유의 특성, 광학구체의 크기, 개수, 간격 등에 따라 미리 계산된 값일 수도 있다.

또한 도 6에 도시된 테이블 및 앞선 설명에서 본 발명의 일 실시예에 따른 변위센서가 변형되지 않았을 경우 입력 광신호의 세기와 출력 광신호의 세기가 거의 동일한 것으로 설명하였으나 센싱모듈(100) 또는 변위센서(1)에 설치되는 광섬유의 형상 등에 따라 출력 광신호의 세기가 입력 광신호의 세기 보다 작을 수도 있다(예를 들어 O/I=0.9).

이 경우 저장부에는 O/I=0.9일 경우 변위(D)가 무한대(즉, 곡률반지름 무한대)인 것으로 데이터를 저장하여 둠으로써 제어부는 O/I=0.9일 때 변위가 발생하지 않은 것으로 판단하고 그 결과를 출력할 수 있다.

지금까지 본 발명에 따른 변위센서 및 변위센싱 시스템을 구체적인 실시예를 참조로 한정되게 설명하였으나 본 발명은 이러한 구체적인 실시예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 발명의 사상 및 그 영역을 이탈하지 않으면서 다양한 변화 및 변경이 있을 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

1 : 변위 센서 10 : 광섬유
11 : 코어 12 : 광학구체
100 : 센싱모듈 200 : 계측모듈
210 : 출력부 220 : 입력부
230 : 제어부 240 : 저장부

Claims (10)

1. 광섬유를 포함하여 이루어진 변위센서로서,
   상기 광섬유는 코어의 일부분에 코어의 직경보다 큰 직경을 갖는 하나 이상의 광학구체가 형성되어 있고,
   상기 광섬유가 변형될 경우 상기 코어는 상기 광학구체를 중심으로 변형되는 변위센서.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 광학구체는 복수 개이며, 복수 개의 광학구체는 일정 간격을 두고 형성되어 있는 변위센서.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 광학구체는 상기 코어와 같은 물질로 이루어진 변위센서.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 광학구체는 상기 코어의 일부분에 상기 코어를 모체로하는 전기방사법에 의해 형성된 변위센서.
   
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 광학구체의 직경 또는 위치는 입사되는 광신호의 파장에 따라 결정되는 변위센서.
   
7. 센싱모듈 및 계측모듈을 포함하여 이루어진 변위 센싱 시스템으로서,
   상기 센싱모듈은 제1항 내지 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 변위센서를 포함하고,
   상기 계측모듈은:
   상기 변위센서에 인가되는 입력 광신호를 출력하는 출력부;
   상기 입력 광신호가 상기 변위센서의 광섬유를 통과하여 출력된 출력 광신호를 입력받는 입력부;
   상기 입력 광신호와 출력 광신호의 세기를 비교하고, 저장부에 저장된 데이터를 이용하여 상기 센싱모듈의 변위를 계측하는 제어부; 및
   상기 입력 광신호 대비 출력 광신호 세기에 따른 변위값 데이터를 저장하는 저장부;
   를 포함하는 변위 센싱 시스템.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 출력부에서 출력되는 상기 입력 광신호는 단일 파장의 광신호인 변위 센싱 시스템.
   
9. 제7항에 있어서,
   감지해야 할 변위 범위에 따라 상기 계측모듈에 서로 다른 센싱모듈을 교체 결합할 수 있으며,
   서로 다른 센싱모듈은 각각 변위센서에 형성된 광학구체의 직경 및 복수개 광학구체 사이의 배열 간격 중 하나 이상이 서로 다른 변위 센싱 시스템.
   
10. 제9항에 있어서,
    더 미세한 변위 범위를 측정해야 할수록 상기 광학구체의 직경이 더 작거나 상기 배열 간격이 더 좁은 광섬유를 갖는 센싱모듈이 상기 계측모듈에 결합되는 변위 센싱 시스템.
    
    

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