KR101612258B1 - 광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법 - Google Patents

광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법으로서, 더욱 상세하게는 광 출력 신호를 전기적인 신호로 변환하여 진동을 측정할 수 있는 광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법 관한 것이다. 본 발명의 일실시예는 간섭 스펙트럼을 생성하는 편광유지 광섬유와, 상기 편광유지 광섬유와 연결되며 협대역 광원으로부터 입사된 광을 두 개의 편광 빔으로 분해하는 편광 빔 분배기와, 상기 편광유지 광섬유 또는 편광 빔 분배기와 연결되며 상기 편광 빔 분배기를 통해 분해된 두 개의 편광 빔을 제어하는 편광 조절기를 갖는 편광상이 고리 기반 간섭부 및 상기 편광유지 광섬유에 외부 진동을 인가하도록 상기 편광유지 광섬유에 결합되는 광섬유 진동 시험부를 포함하고, 상기 편광상이 고리 기반 간섭부의 광 출력 세기를 광 검출기에 의해 전기적인 신호로 변환시켜 상기 광섬유 진동 시험부를 통해 상기 편광유지 광섬유에 인가된 진동을 측정할 수 있는 것인 광섬유 진동 센서를 제공한다.

Description

광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법{OPTICAL FIBER VIBRATION SENSOR AND VIBRATION MEASURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법으로서, 더욱 상세하게는 광 출력 신호를 전기적인 신호로 변환하여 진동을 측정할 수 있는 광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법에 관한 것이다.
광섬유 진동 센서는 장기간 사용할 수 있는 내구성과 사용의 편의성 때문에 많은 연구가 이루어져 왔으며, 이러한 광섬유 진동 센서들은 진동 측정 방식으로 광 스펙트럼의 파장 변화를 측정하는 기법, 광 세기 변화를 측정하는 기법, 출력 광의 벡터 분석을 통한 벡터 분석 기법 등 다양한 방법들로 제안되었다.
이러한 광섬유 진동 센서분야의 주요 연구 쟁점은 횡방향 스트레스(transverse stress)에 대한 강인함, 외부 온도 변화에 대한 안정성, 측정 가능한 진동 주파수 대역폭, 진동에 대한 민감도 등이며, 이러한 쟁점을 해결하고자 종래에는 하기의 광섬유 진동 센서가 제시되었다.
예컨대, 광섬유 격자(fiber grating) 기반의 광섬유 진동 센서가 개발되었으며, 광섬유 브래그 격자(fiber bragg grating) 또는 장주기 광섬유 격자(long-period fiber grating)를 센서부로 이용하여 광섬유 격자에 진동이 인가될 때, 진동에 의해 반사 혹은 투과 스펙트럼 상 첨두(peak) 또는 골(dip)의 파장이나 세기(투과도 및 반사도) 변화를 측정하여 진동의 크기를 측정하는 방식들이 제시되었다.
그러나, 광섬유에 격자를 제작하기 위해서는 레이저를 이용한 정밀한 제작 장치가 필수적이고, 센서부로 사용되는 광섬유 격자는 일반 광섬유에 비해 횡방향 스트레스에 매우 약했다.
또한, 주변 온도 변화에 대해 교차 민감도(cross sensitivity)를 갖기 때문에 온도 변화가 심한 지점에서의 진동 측정을 위해 기본적으로 사용이 불가하며, 그럼에도 광섬유 격자를 사용하기 위해서는 온도 보상 과정이 반드시 필요한 단점이 있었다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 광 출력 신호를 전기적인 신호로 변환하여 진동을 측정할 수 있는 광섬유 진동 센서 및 이를 이용한 진동 측정방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 간섭 스펙트럼을 생성하는 편광유지 광섬유와, 상기 편광유지 광섬유와 연결되며 협대역 광원으로부터 입사된 광을 두 개의 편광 빔으로 분해하는 편광 빔 분배기와, 상기 편광유지 광섬유 또는 편광 빔 분배기와 연결되며 상기 편광 빔 분배기를 통해 분해된 두 개의 편광 빔을 제어하는 편광 조절기를 갖는 편광상이 고리 기반 간섭부 및 상기 편광유지 광섬유에 외부 진동을 인가하도록 상기 편광유지 광섬유에 결합되는 광섬유 진동 시험부를 포함하고, 상기 편광상이 고리 기반 간섭부의 광 출력 세기를 광 검출기에 의해 전기적인 신호로 변환시켜 상기 광섬유 진동 시험부를 통해 상기 편광유지 광섬유에 인가된 진동을 측정할 수 있는 것인 광섬유 진동 센서를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 광섬유 진동 시험부는, 상기 편광유지 광섬유의 진동원인 압전 소자 및 상기 압전 소자에서 발생된 진동이 상기 편광유지 광섬유에 전달되도록 상기 압전 소자의 양단에 고정되는 보조 구조물을 포함하고, 상기 압전 소자는 전원 단자를 매개로 제어수단과 연결되되, 상기 제어수단으로부터 교류 파형의 전압이 입력된 경우, 상기 압전 소자의 부피는 교류 파형을 따라 시간적으로 변할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 보조 구조물이 굽쇠형으로 마련되되, 상기 보조 구조물은 스테인리스스틸(stainless steel), 크롬(Cr), 카본(C), 테프론(teflon), 철(Fe), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 니켈(Ni), 황동(Bs), 운모(mica) 또는 이들의 합금 중 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 편광유지 광섬유, 편광 빔 분배기, 편광 조절기가 광섬유를 통해 상호 연결되되, 상기 광섬유는 융착 접속, 광섬유 패치 코드 및 기계적 스플라이서 중 어느 하나의 방식으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광섬유는, 단일 모드 광섬유, 다중 모드 계단형 광섬유, 다중 모드 언덕형 광섬유, 대구경 다중 모드 광섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광섬유는, 실리카계 광섬유, 불소계 광섬유, 희토류계 광섬유, 폴리머계 광섬유, 연유리 광섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광섬유는, 광자 결정 광섬유, 다중코어 광섬유, 비틀린 광섬유, 식각된 광섬유, 연마된 광섬유, 렌즈형 광섬유, 금속 코팅된 광섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광섬유는, 편광 유지 광섬유, 비선형 광섬유, 분산 천이 광섬유, 분산 보상 광섬유, 비영분산 분산 천이 광섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 편광 조절기는 벌크형 편광 조절기 또는 광섬유형 편광 조절기로 마련될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 전술한 광섬유 진동 센서를 이용한 진동 측정방법으로서, 상기 편광상이 고리 기반 간섭부의 광 출력 세기를 광 검출기를 통해 전기적인 신호로 변환하여 측정함으로써, 상기 광섬유 진동 시험부를 통해 상기 편광유지 광섬유에 인가된 진동을 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 본 발명에 따른 광섬유 진동센서는 편광상이 고리 기반 간섭부 및 광섬유 진동 시험부를 구비함으로써, 측정 가능한 진동 주파수 대역폭을 4000Hz까지 확장시킬 수 있고, 센서부의 역할을 하는 단일 물질의 편광유지 광섬유를 통해 주변 온도 변화에 둔감한 특성을 가질 수 있다.
또한, 광섬유 격자 기반 광섬유 진동센서와 같이 광섬유 격자를 별도로 제작할 필요가 없고, 자외선 노출 공정으로 제작되는 광섬유 격자에 비해 편광유지 광섬유가 횡방향 스트레스에 강한 특성이 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 광섬유 진동 센서의 개념도이다.
도 2는 도 1에서 광섬유 진동 시험부를 발췌하여 나타낸 개념도이다.
도 3은 광대역 광원으로 측정된 편광상이 고리 기반 간섭부의 다파장 투과 스펙트럼 및 편광유지 광섬유에 길이 방향의 스트레인이 인가된 경우 편광상이 고리 기반 간섭부에서 측정된 다파장 투과 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 4(a) 내지 도 4(f)는 편광유지 광섬유에 인가되는 주파수를 1~4000Hz까지 조절하였을 때, 편광상이 고리 기반 간섭부에서 출력되는 광 세기의 변화를 광 검출기와 오실로스코프를 이용하여 측정한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 실시예에 따른 광섬유 진동 센서의 개념도이고, 도 2는 도 1에서 광섬유 진동 시험부를 발췌하여 나타낸 개념도인 바, 이를 바탕으로 설명한다.
도 1 및 도 2에서 도시한 것과 같이, 본 실시예에 따른 광섬유 진동 센서는 편광상이 고리 기반 간섭부(10) 및 광섬유 진동 시험부(20)를 포함한다.
편광상이 고리 기반 간섭부(10)는 간섭 스펙트럼을 생성하는 편광유지 광자결정 광섬유(13, 이하 편광유지 광섬유)와, 편광유지 광섬유(13)와 연결되며 협대역 광원(1)으로부터 입사된 광을 두 개의 편광 빔으로 분해하는 편광 빔 분배기(11) 및 편광유지 광섬유(13) 또는 편광 빔 분배기(11)와 연결되며 편광 빔 분배기(11)를 통해 분해된 두 개의 편광 빔을 제어하는 편광 조절기(12)를 갖는다.
본 실시예에 따른 편광상이 고리 기반 간섭부(10)를 구성하는 편광유지 광섬유(13)로는 스트레스 유도 요소(stress-induced element)의 포함 여부에 따라 편광유지 광모드영역 광섬유(polarization maintaining large-mode area), 편광유지 광자결정 광섬유 등이 사용될 수 있다.
더욱이, 광자결정 광섬유에서 복굴절을 유도시키기 위해 코어 주변으로 배열된 공기 구멍의 구조에 따라 주변과 다른 크기의 공기 구멍이 2개 이상 존재하는 광자결정 광섬유, 주변과 다른 크기의 공기 구멍 지름이 0.1~50μm인 광자결정 광섬유, 주변과 다른 크기의 공기 구멍들 간 간격이 0~20μm인 광자결정 광섬유 등이 사용될 수 있다.
편광 빔 분배기(11)는 편광유지 광섬유(13)와 연결되며, 협대역 광원으로부터 입사된 광을 두 개의 편광 빔(beam)으로 분해하도록 편광기(미도시)를 가지며, 편광기는 입력 광원을 서로 직교하는 수직 및 수평 편광 성분의 빛으로 나누기 위해 사용된다.
편광 빔 분배기(11)의 편광기에는 제 1 내지 제 4 단자(11a 내지 11d)가 마련되되, 제 1 단자(11a)는 협대역 광원(1)과 연결되어 편광상이 고리 기반 간섭부(10)의 입력으로 사용되는 단자이다. 편광 빔 분배기(11)의 제 2 단자(11b)는 편광상이 고리 기반 간섭부(10)의 출력으로 사용되는 단자로서, 광 검출기(2)와 연결된다. 편광 빔 분배기(11)의 제 3 단자(11c)는 제 1 단자(11a)로 입력되는 광의 수평 편광 성분이 출력되는 단자이다. 편광 빔 분배기(11)의 제 4 단자(11d)는 제 1 단자(11a)로 입력되는 광의 수직 편광 성분이 출력되는 단자이다.
편광 조절기(12)는 편광유지 광섬유(13) 또는 편광 빔 분배기(11)와 광섬유(14)로 연결되며, 편광 빔 분배기(11)를 통해 분해된 두 개의 편광 빔을 제어하도록 1/2 파장판(12a) 또는 1/4 파장판(12b)으로 마련될 수 있다.
더욱이, 편광 조절기(12)는 벌크형(bulk type) 또는 광섬유형(optical fiber type)으로 마련되어, 1/2 파장판(12a) 또는 1/4 파장판(12b) 또는 1/2 파장판(12a) 및 1/4 파장판(12b)의 결합으로 구성될 수 있다.
광섬유 진동 시험부(20)는 편광유지 광섬유(13)에 외부 진동을 인가하도록 편광유지 광섬유(13)와 결합된다.
이러한 광섬유 진동 시험부(20)는, 편광유지 광섬유(13)의 진동원인 압전 소자(21) 및 압전 소자(21)에서 발생된 진동이 편광유지 광섬유(13)에 전달되도록 압전 소자(21)의 양단에 고정되는 보조 구조물(22)을 포함한다.
압전 소자(21)는 전원 단자(a, b)를 매개로 제어수단(4)과 연결되되, 제어수단(4)으로부터 교류 파형의 전압이 입력된 경우, 압전 소자(21)의 부피는 교류 파형을 따라 시간적으로 변할 수 있다.
보조 구조물(22)은 굽쇠형으로 마련되되, 스테인리스스틸(stainless steel), 크롬(Cr), 카본(C), 테프론(teflon), 철(Fe), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 니켈(Ni), 황동(Bs), 운모(mica) 또는 이들의 합금 중 하나 이상의 재료를 포함할 수 있다.
센서부로 사용되는 편광유지 광섬유(13)는 광섬유(14)와 융착 접속되어 있으며, 이러한 융착 접속 지점(P1, P2)과 압전 소자(21)의 양단은 접착부재를 매개로 굽쇠형 보조 구조물(22)에 고정될 수 있다.
압전 소자(21)는 전원 단자(a, b)를 매개로 제어수단(4)과 연결되므로, 제어수단(4)에 의해 전기적으로 그 부피가 변하게 되며, 제어수단(4)에서 교류파형의 전압을 입력시킬 경우 압전 소자(21)의 부피가 교류 파형을 따라 시간적으로 변할 수 있다.
이러한 방식으로 고정된 편광유지 광섬유(13)에 압전 소자(21)를 매개로 진동이 인가되면, 편광유지 광섬유(13)에 시간적으로 세기가 변하는 길이 방향의 장력이 인가되고, 인가된 장력에 의해 편광유지 광섬유(13)의 복굴절이 변화되어 편광상이 고리 기반 간섭부(10)에서 출력되는 다파장 스펙트럼에 파장 천이가 발생할 수 있다.
입력 광원이 협대역 광원(1)이므로, 이러한 간섭 스펙트럼의 파장 변화는 광 세기의 변화로 전환되고, 광 검출기(2)를 통해 출력 광 세기의 변화를 전기적인 신호(전압)의 변화로 바꾼 뒤 오실로스코프(3, oscilloscope)를 이용하여 전기적인 신호의 시간적인 변화를 관측하면 외부에서 인가되는 진동을 측정할 수 있다.
즉, 편광상이 고리 기반 간섭부(10)의 광 출력 세기를 광 검출기(2)에 의해 전기적인 신호로 변환시켜 광섬유 진동 시험부(20)를 통해 편광유지 광섬유(13)에 인가된 진동을 측정할 수 있다.
전술한 편광유지 광섬유(13), 편광 빔 분배기(11) 및 편광 조절기(12)를 상호 연결하도록 구비된 광섬유(14)는, 융착 접속(fusion splicing), 광섬유 패치 코드(optical patchcord) 및 기계적 스플라이서(mechanical splicer) 중 어느 하나의 방식으로 연결될 수 있다.
이러한 광섬유(14)는, 광섬유(14)의 구조, 광섬유(14)의 재질, 광섬유(14)의 제작방법, 광섬유(14)의 광학적 특성에 따른 다양한 종류 중 어느 하나 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다.
먼저, 광섬유(14)는 구조에 따라, 단일 모드 광섬유(single-mode fiber), 다중 모드 계단형 광섬유(multi-mode step-index fiber), 다중 모드 언덕형 광섬유(multi-mode graded-index fiber), 대구경 다중 모드 광섬유(high numerical aperture multi-mode fiber) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 광섬유(14)는 단일 모드 광섬유(14)가 적용되었고, 단일 모드 광섬유(14)는 각 광학요소들을 연결하여 광을 단일 모드로 도파시킬 수 있는 차단 주파수(cut-offfrequency)를 갖는다.
광섬유(14)는 재질에 따라, 실리카(silica)계 광섬유, 불소(fluorine)계 광섬유, 희토류(rare-earth material)계 광섬유, 폴리머(polymer)계 광섬유, 연유리 광섬유(flint glass fiber) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
광섬유(14)는 제작방법에 따라, 광자 결정 광섬유(photonic crystal fiber), 다중코어 광섬유(multi-core fiber), 비틀린 광섬유(twisted fiber), 식각된 광섬유(etched fiber), 연마된 광섬유(tapered fiber), 렌즈형 광섬유(lensed fiber), 금속 코팅된 광섬유(metal-coated fiber) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
마지막으로, 광섬유(14)는 광학적 특성에 따라, 편광 유지 광섬유(polarization-maintaining fiber), 비선형 광섬유(nonlinear fiber), 분산 천이 광섬유(dispersion-shifted fiber), 분산 보상 광섬유(dispersion compensation fiber), 비영분산 분산 천이 광섬유(non-zero dispersion-shifted fiber) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 광섬유 진동 센서에 사용되는 협대역 광원(1)은 광(전자파)을 발생하는 모든 형태의 광원이 원칙적으로 적용될 수 있다.
일반적으로 광이 발생되는 원리는 발광성 소재에 전계(electric field)를 가해서 발광을 유도하는 전계발광(electroluminescence), 형광체에 자외선, 청색, 녹색 등의 빛을 가하여 보다 긴 파장의 빛을 발생시키는 형광(photoluminescence), 고에너지 전자를 충돌시켜 빛을 내는 냉광(cathodoluminescence), 전자와 정공이 재결합하면서 빛을 내는 것(electron-hole recombination) 등이 있다.
광섬유 진동 센서에 적용될 수 있는 협대역 광원(1)은 전술한 발광 원리 중 어느 하나의 방식을 따를 수 있으며, 자외선, 가시광선, 적외선의 파장 대역 중에서 어느 한 파장 대역의 전자파를 포함한 광을 출력할 수 있다. 예컨대, 협대역 광원(1)은 발광다이오드(light-emitting diode), 유기발광다이오드(organic light-emitting diode), 태양광, 형광등, 백열등, 레이저 등을 포함할 수 있다.
특히, 협대역 파장의 특성을 갖는 모든 형태의 레이저가 광섬유 진동 센서의 광원으로 사용가능하며, 루비(ruby) 레이저 및 Nd-YAG(neodymium-yttrium, aluminum, garnet) 레이저와 같은 고체 레이저, 분포형 귀환(distributed feedback) 레이저 다이오드 및 분포형 브래그 반사체(distributed bragg reflector) 레이저 다이오드 등의 반도체 레이저, 아르곤(Ar) 레이저, 이산화탄소(CO2) 레이저, 헬륨-네온(He-Ne) 레이저, 엑시머(excimer) 레이저 등의 기체 레이머, 색소(dye) 레이저와 같은 액체 레이저 등을 포함할 수 있다.
다음으로, 하기에서는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 진동 센서를 이용한 진동 측정의 실험결과를 설명하기로 한다. 더욱이, 전술한 도 1 및 도 2를 바탕으로 한, 본 발명에 따른 광섬유 진동 센서의 구성을 참조로 설명하겠다.
도 3은 광대역 광원으로 측정된 편광상이 고리 기반 간섭부의 다파장 투과 스펙트럼 및 편광유지 광섬유(13)에 길이 방향의 스트레인이 인가된 경우 편광상이 고리 기반 간섭부에서 측정된 다파장 투과 스펙트럼을 나타내는 그래프이다.
도 3은 광대역 광원을 이용하여 편광상이 고리 기반 간섭부(10)의 간섭 스펙트럼을 1535~1605nm 범위에서 측정한 결과이며, 더 넓은 범위에서 측정할 경우 주기적인 스펙트럼을 확인할 수 있다.
도 3에서 원형 및 사각형 기호로 표시된 스펙트럼들은 각각 편광유지 광섬유(13)에 길이 방향으로 1mε의 일정한 스트레인을 인가하였을 때와 인가하지 않았을 때 측정된 스펙트럼들을 나타낸다. 여기서, 1mε은 1m 길이의 편광유지 광섬유(13)를 1mm 인장시켰을 때 편광유지 광섬유(13)에 인가되는 스트레인을 의미한다.
도 3에서 도시한 것과 같이, 길이 방향의 스트레인이 편광유지 광섬유(13)에 인가될 경우, 간섭 스펙트럼이 장파장(long wavelength)쪽으로 천이되는 것을 알 수 있다.
예컨대, 1567nm의 중심 파장을 갖는 협대역 광원(1)이 편광상이 고리 기반 간섭부(10)에 입력되면 편광유지 광섬유(13)에 길이 방향 스트레인 인가 시 편광상이 고리 기반 간섭부(10)의 출력 광 세기가 증가된다.
편광유지 광섬유(13)에 길이 방향의 진동이 인가될 경우, 편광유지 광섬유(13)에 인가되는 길이 방향 스트레인의 세기가 시간적으로 변화되는 것으로 예측할 수 있고, 이에 따라 편광상이 고리 기반 간섭부(10)의 출력 광 세기 또한 시간적으로 변화됨을 알 수 있다.
따라서, 편광유지 광섬유(13)로 구성된 편광상이 고리 기반 간섭부(10)에서 협대역 광원(1)을 입력 광원으로 사용하면 간섭 스펙트럼의 파장 변화를 광 세기 변화로 전환시킬 수 있고, 광 세기 변화는 광 검출기(2)를 통해 전기적인 신호(전압)의 변화로 바뀌며, 전기적인 신호의 시간적인 변화를 오실로스코프(3)로 관측하면 편광유지 광섬유(13)에 인가되는 외부 진동을 측정할 수 있다.
도 4(a) 내지 도 4(f)는 편광유지 광섬유에 인가되는 주파수를 1~4000Hz까지 조절하였을 때, 편광상이 고리 기반 간섭부에서 출력되는 광 세기의 변화를 광 검출기와 오실로스코프를 이용하여 측정한 그래프이다.
도 4(a) 내지 도 4(f)는 압전 소자(21)를 이용하여 편광유지 광섬유(13)에 1~4000Hz까지 정형파(sinusoidal wave) 형태의 길이 방향 진동을 인가하였을 때, 편광상이 고리 기반 간섭부(10)에서 출력되는 광 세기의 변화를 광 검출기(2)와 오실로스코프(3)를 이용하여 측정한 결과를 나타낸다.
도 4(a) 내지 도(4e)는 각각 편광유지 광섬유(13)에 인가된 길이 방향 진동의 주파수가 1, 10, 250, 1000, 4000Hz일 경우의 센서 출력 신호들을 나타내고 있으며, 도 4(f)는 인가 진동 주파수에 따른 센서 출력 신호의 크기 변화를 보여주고 있다.
도 4(a) 내지 도 4(e)에서 도시한 것과 같이, 인가된 진동 파형(정현파 형태)과 유사한 파형의 출력 신호가 측정되는 것을 알 수 있고, 인가 진동 주파수가 증가함에 따라 출력 신호의 진폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 4(f)에서와 같이, 4000Hz의 인가 진동 주파수에서는 250Hz에 비해 출력 신호의 크기가 ~22% 수준으로 감소하는 것을 알 수 있다.
따라서, 고주파 진동을 측정하는 경우, 센서로 사용되는 편광유지 광섬유(13)의 종류 및 편광유지 광섬유(13)에 외부 진동을 완전히 전달시켜주기 위한 보조 구조물(22)의 종류에 따라 진동을 측정 가능한 주파수 한계인 차단 주파수(cut-off frequency)가 다르게 될 것으로 예측할 수 있다.
결과적으로, 도 1 내지 도 4(f)에서 도시한 것과 같이, 본 발명에 따른 광섬유 진동센서는 편광상이 고리 기반 간섭부(10) 및 광섬유 진동 시험부(20)를 구비함으로써, 측정 가능한 진동 주파수 대역폭을 4000Hz까지 확장시킬 수 있고, 센서부의 역할을 하는 단일 물질의 편광유지 광섬유(13)를 통해 주변 온도 변화에 둔감한 특성을 가질 수 있다.
또한, 광섬유 격자 기반 광섬유 진동센서와 같이 광섬유 격자를 별도로 제작할 필요가 없고, 자외선 노출 공정으로 제작되는 광섬유 격자에 비해 편광유지 광섬유(13)가 횡방향 스트레스에 강한 특성이 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 협대역 광원 2: 광 검출기
3: 오실로스코프(oscilloscope) 4: 제어수단
10: 편광상이 고리 기반 간섭부 11: 편광 빔 분배기
12: 편광 조절기 13: 편광유지 광섬유
14: 광섬유 20: 광섬유 진동 시험부
21: 압전 소자 22: 보조 구조물

Claims (10)

  1. 간섭 스펙트럼을 생성하는 편광유지 광섬유와, 상기 편광유지 광섬유와 연결되며 협대역 광원으로부터 입사된 광을 두 개의 편광 빔으로 분해하는 편광 빔 분배기와, 상기 편광유지 광섬유 또는 편광 빔 분배기와 연결되며 상기 편광 빔 분배기를 통해 분해된 두 개의 편광 빔을 제어하는 편광 조절기를 갖는 편광상이 고리 기반 간섭부; 및
    상기 편광유지 광섬유에 외부 진동을 인가하도록 상기 편광유지 광섬유에 결합되는 광섬유 진동 시험부;
    를 포함하고,
    상기 편광상이 고리 기반 간섭부의 광 출력 세기를 광 검출기에 의해 전기적인 신호로 변환시켜 상기 광섬유 진동 시험부를 통해 상기 편광유지 광섬유에 인가된 진동을 측정할 수 있는 것인 광섬유 진동 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    광섬유 진동 시험부는,
    상기 편광유지 광섬유의 진동원인 압전 소자; 및
    상기 압전 소자에서 발생된 진동이 상기 편광유지 광섬유에 전달되도록 상기 압전 소자의 양단에 고정되는 보조 구조물;
    을 포함하고,
    상기 압전 소자는 전원 단자를 매개로 제어수단과 연결되되, 상기 제어수단으로부터 교류 파형의 전압이 입력된 경우, 상기 압전 소자의 부피는 교류 파형을 따라 시간적으로 변하는 것을 특징으로 하는 광섬유 진동 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 보조 구조물이 굽쇠형으로 마련되되, 상기 보조 구조물은 스테인리스스틸(stainless steel), 크롬(Cr), 카본(C), 테프론(teflon), 철(Fe), 구리(Cu), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 니켈(Ni), 황동(Bs), 운모(mica) 또는 이들의 합금 중 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 광섬유 진동 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광유지 광섬유, 편광 빔 분배기, 편광 조절기가 광섬유를 통해 상호 연결되되, 상기 광섬유는 융착 접속, 광섬유 패치 코드 및 기계적 스플라이서 중 어느 하나의 방식으로 연결되는 것을 특징으로 하는 광섬유 진동 센서.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유는, 단일 모드 광섬유, 다중 모드 계단형 광섬유, 다중 모드 언덕형 광섬유, 대구경 다중 모드 광섬유 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 진동 센서.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유는, 실리카계 광섬유, 불소계 광섬유, 희토류계 광섬유, 폴리머계 광섬유, 연유리 광섬유 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 진동 센서.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유는, 광자 결정 광섬유, 다중코어 광섬유, 비틀린 광섬유, 식각된 광섬유, 연마된 광섬유, 렌즈형 광섬유, 금속 코팅된 광섬유 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 진동 센서.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유는, 편광 유지 광섬유, 비선형 광섬유, 분산 천이 광섬유, 분산 보상 광섬유, 비영분산 분산 천이 광섬유 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 진동 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 조절기는 벌크형 편광 조절기 또는 광섬유형 편광 조절기로 마련된 것을 특징으로 하는 광섬유 진동 센서.
  10. 제 1 항에 기재된 광섬유 진동 센서를 이용한 진동 측정방법으로서,
    상기 편광상이 고리 기반 간섭부의 광 출력 세기를 광 검출기에 의해 전기적인 신호로 변환하여 측정함으로써, 상기 광섬유 진동 시험부를 통해 상기 편광유지 광섬유에 인가된 진동을 측정하는 것인 진동 측정방법.
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