KR101621865B1 - 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서 - Google Patents

Abstract

광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서에 관한 것으로, 침수 또는 누수 여부를 감지하여 출력신호의 파장이 변화하는 광섬유 격자 소자 및 상기 광섬유 격자 소자의 외주에 형성되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 열처리 공정에 의해 수축 경화된 상태인 구성을 마련하여, 광섬유 격자 소자의 코팅층을 열처리 공정에 의해 수축 경화시킨 후 침수에 의해 복원되면서 광섬유 격자 소자에서 출력되는 출력신호의 파장 변화량을 이용해서 침수 또는 누수 여부를 정확하게 감지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서{SUBMERGENCE DETECTION SENSOR USING OPTICAL FIBER GRATING}

본 발명은 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유 격자 소자에서 출력되는 출력신호의 파장 변화를 이용해서 침수 또는 누수를 감지하는 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서에 관한 것이다.

일반적으로 광섬유 센서(optical fiber sensor)는 광섬유를 지나가는 빛의 세기, 광섬유의 굴절률 및 길이, 모드, 그리고 편광상태의 변화 등을 이용하여 피측정량을 추정하는 센서이다.

광섬유의 주성분은 석영 유리로 이루어져 있으며, 광섬유 센서는 굴절율이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 중심인 코어 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩 부분으로 구성된다.

광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파된다.

이러한 광섬유 센서는 이용되는 효과에 따라 세기형, 위상형, 회절격자형, 모드변조형, 편광형, 분포측정형 등으로 구분되며, 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 회전율, 음향, 가스농도 등 다양한 측정값을 제공한다.

광섬유 센서는 초정밀 광대역 측정이 가능하고, 전자파의 영향를 받지 않으며, 원격측정이 용이하고, 센서부에서 전기를 사용하지 않으며, 실리카 재질의 뛰어난 내부식성으로 사용 환경에 대한 제약이 거의 없는 특징으로 갖는다.

광섬유 센서 중에서 대표적인 것은 광섬유 격자 센서(Fiber Bragg Grating Sensor, 이하 'FBG 센서'라 함) 타입의 광섬유 센서이다.

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

따라서 FBG 센서는 격자(grating)가 형성된 광섬유에 물리적인 힘의 작용으로 인하여 변형이 생겼을 때 격자에서의 빛 굴절 변화가 유발되는데, 이러한 굴절 변화를 측정하여 광섬유의 변형률을 측정함으로써 광섬유가 고정되는 구조물의 변형률을 측정하여 구조물에 작용하는 하중 및 응력을 알 수 있다.

그리고 FBG 센서는 광섬유 내에서 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리를 이용해서 변형률, 각도, 가속도, 변위, 온도, 압력변위 등을 감지하는 감지센서로 사용되고 있다.

예를 들어, 본 발명자는 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 FBG 센서를 이용한 기술을 개시하여 출원해서 등록받은 바 있다.

특허문헌 1에는 변위측정장치에 포함되는 측정장치 내부의 일정한 스프링상수 값을 가지는 장력 전달용 스프링을 포함하여 보다 단순한 구조로 측정장치를 구성하고, 스프링의 장력을 이용하여 광섬유격자센서에 파장 천이를 측정함으로써 정밀한 변위를 측정할 수 있으며, 온도에 따른 광섬유격자센서의 오차를 보상할 수 있도록 하는 온도보상용 광섬유격자센세를 추가로 구비해서 보다 정밀한 측정 가능하게 하여 교량과 같은 구조물의 큰 변위 값을 센서가 갖는 변형 가능 범위 내의 변형으로 변환하여 변위를 측정할 수 있는 광섬유격자센서를 이용한 변위 측정장치의 구성이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는 내부로 압력이 인가되는 본체, 본체의 내부에 포함되고 인가되는 압력에 따라 만곡 또는 함몰되는 격막, 인가된 압력에 따라 측정되는 변위를 전달하는 광섬유, 격막 상에 고정되어 광섬유의 말단을 고정하는 단부측 광섬유고정부, 광섬유 사이에 연결되어 인가된 압력에 따라 이완, 긴장됨으로써 변위를 측정하는 압력측정용 광섬유격자센서 및 광섬유의 입출력부가 고착제로 견고히 고정되는 입출력측 광섬유고정단을 포함하여 압력에 따른 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서의 구성이 개시되어 있다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1057309호(2011년 8월 16일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-0992628호(2010년 11월 5일 공고)

한편, 종래기술에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수감지센서는 일정 파장을 기준으로 두고 시간이 경과하면서 물의 침투에 따른 광손실의 변화를 확인하는 방식으로, 측정값의 신뢰도가 높지 못하고, 이를 구현하는데 많은 비용이 소요되어 광케이블 선로 설비의 제작비용을 증가시키는 문제점이 잇었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광섬유 격자를 열처리하여 물의 침수 또는 누수를 정확하게 감지할 수 있는 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 물뿐만 아니라, 물과 타 유체가 혼합된 경우에도 침수 또는 누수 여부를 정확하게 감지할 수 있는 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서는 침수 또는 누수 여부를 감지하여 출력신호의 파장이 변화하는 광섬유 격자 소자 및 상기 광섬유 격자 소자의 외주에 형성되는 코팅층을 포함하고, 상기 코팅층은 열처리 공정에 의해 수축 경화된 상태인 것을 특징으로 한다.

상기 열처리 공정은 200 내지 350℃의 온도로 60 내지 90분 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.

상기 광섬유 격자 소자는 상기 코팅층의 수축 경화에 의해 격자 사이의 간격이 좁아지면서 열처리 공정 이전 상태보다 짧은 파장의 출력신호를 출력하고, 침수 또는 누수에 의해 상기 코팅층이 복원되면 격자 사이의 간격이 복원되면서 수축 경화된 상태보다 긴 파장의 출력신호를 출력하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서에 의하면, 광섬유 격자 소자의 코팅층을 열처리 공정에 의해 수축 경화시킨 후 침수에 의해 복원되면서 광섬유 격자 소자에서 출력되는 출력신호의 파장 변화량을 이용해서 침수 또는 누수 여부를 정확하게 감지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

본 발명에 의하면, 물뿐만 아니라, 알코올과 같은 타 액체와 물이 혼합된 액체의 침수 또는 누수 여부도 정확하게 감지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서의 단면도,
도 3은 열처리 공정의 경과 시간에 따른 광섬유 격자 소자에서 출력되는 출력신호의 파장 변화량을 측정한 그래프,
도 4는 열처리된 광섬유 격자 소자가 침수된 상태에서 출력신호의 파장 변화량을 측정한 그래프.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 실시 예에서는 감지하고자 하는 대상물의 침수 여부를 감지하는 침수 감지센서에 대해 설명하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 침수 여부 뿐만 아니라, 누수 여부를 감지하는 누수 감지센서로 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서의 단면도이다.

도 1에는 침수 감지센서의 광섬유 격자를 열처리 공정 전 상태가 도시되어 있고, 도 2에는 침수 감지센서의 광섬유 격자를 열처리 공정후 상태가 도시되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 침수 또는 누수 여부를 감지하여 출력신호의 파장이 변화하는 광섬유 격자 소자(20)를 포함하고, 광섬유 격자 소자(20)의 양단에는 광섬유(21)가 접속된다.

광섬유 격자 소자(20)는 굴절률을 높이기 위해 게르마늄이 첨가되어 중심부를 형성하는 코어(22)와 코어(22)의 외주면을 감싸고 코어(22)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩(23)을 포함할 수 있다.

광섬유 격자 소자(20)의 코어(22) 내부에는 광 굴절률의 변화를 일으켜 생성된 굴절률을 변화시키기 위해 다수의 격자(24)가 형성될 수 있다.

광섬유 격자 소자(20) 및 광섬유(21)의 외주면에는 코팅층(30)이 형성될 수 있다.

코팅층(30)은 광섬유 격자 소자(20) 및 광섬유(21)를 보호하는 기능을 하며, 아크릴레이트(acrylate)와 같은 합성수지를 이용해서 코팅될 수 있다.

이러한 코팅층(30)은 열처리 공정에 의해 조직의 밀도가 높아지면서 수축 경화되고, 침수되면 조직 사이의 기공에 물분자가 투입되면서 본래의 체적 대비 약 50% 정도 복원되는 특성을 갖는다.

이와 같은 코팅층(30)의 특성을 이용해서, 본 실시 예에서 침수 감지센서(10)는 열처리 공정에 의한 코팅층(30)이 수축 경화된 상태로 제작하고, 광섬유 격자 소자(20)에서 출력되는 출력신호의 파장 변화를 이용해서 침수 여부를 감지할 수 있다.

예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 광섬유 격자 소자(20)는 약 200 내지 350℃의 설정온도로 약 60 내지 90분의 설정시간의 열처리 공정을 거친 후 냉각되면, 코팅층(30)이 수축 경화됨에 따라 광섬유 격자 소자(20)의 길이가 약 0.05%만큼 감소된다.

이에 따라, 광섬유 격자 소자(20)의 각 격자(24) 사이의 간격이 좁아지면서(D>d) 출력신호의 파장은 열처리 공정 이전 출력신호의 파장에 비해 약 0.5 내지 0.6nm 만큼 짧아져 단파장의 출력신호를 출력한다.

그리고 광섬유 격자 소자(20)는 열처리 공정 후에 침수되면, 수축 경화된 코팅층(30)이 조직 내부의 기공에 물분자가 침투되면서 약 50% 정도 복원됨에 따라, 격자(24) 사이의 간격이 복원되면서 출력신호의 파장을 길게 변화시켜 코팅층(30)이 수축 경화된 상태에서의 출력신호 대비 장파장의 출력신호를 출력한다.

도 3은 열처리 공정의 경과 시간에 따른 광섬유 격자 소자에서 출력되는 출력신호의 파장 변화량을 측정한 그래프이고, 도 4는 열처리된 광섬유 격자 소자가 침수된 상태에서 출력신호의 파장 변화량을 측정한 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 코팅층이 미형성된 광섬유 격자 소자의 출력신호(A선)는 열처리 공정과 무관하게 거의 일정한 파장으로 출력된다.

반면, 본 실시 예에 따라 코팅층(30)이 형성된 광섬유 격자 소자(20)의 출력신호(B선)는 열처리 공정 도중에는 약 3.5nm 이상의 파장 변화량을 보인다.

그리고 열처리 공정 이후에 냉각되면, 상기 출력신호(B선)는 코팅층(30)의 수축 경화에 의해 격자(24) 사이 간격이 좁아지면서 파장이 짧아지도록 변화함에 따라 약 0.5nm 이상의 파장 변화량을 보임을 알 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 코팅층이 미형성된 광섬유 격자 소자의 출력신호(C선)는 열처리 공정 후 침수 상태에서 약 0.02nm 정도의 파장 변화량을 보인다.

반면, 본 실시 예에 따라 코팅층(30)이 형성된 광섬유 격자 소자(20)의 출력신호(D선)는 열처리 공정 후 침수 상태에서 약 0.3nm 정도의 파장 변화량을 보임을 알 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 광섬유 격자 소자에 코팅층을 형성하고 열처리 공정 후 침수에 의한 코팅층의 수축 및 복원 특성을 이용해서 침수 또는 누수 여부를 정확하게 감지할 수 있다.

한편, 코팅층의 수축 특성은 열처리 공정의 가열온도 또는 가열시간에 따라 변화된다.

따라서, 본 발명은 열처리 공정의 가열온도 또는 가열시간을 조절해서 코팅층의 수축 양을 조절할 수 있다.

다음, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서의 제조방법 및 작동방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 광섬유 격자 소자(20)와 광섬유(21)의 외주면에 아크릴레이트와 같은 합성수지 재질의 재료를 이용해서 코팅층(30)을 형성한다.

침수 감지센서(10)의 광섬유 격자 소자(20)에 대응되는 코팅층(30)을 약 200 내지 350℃의 설정온도로 약 60 내지 90분의 동안의 열처리 공정을 수행한다.

열처리 공정 후 냉각되면, 코팅층(30)이 수축 경화되면서 광섬유 격자 소자(20)의 길이가 약 0.05% 정도 감소한다.

이에 따라, 광섬유 격자 소자(20)의 각 격자(24) 사이의 간격이 좁아지면서(D>d), 광섬유 격자 소자(20)의 파장은 약 0.5 내지 0.6nm 만큼 짧아져 열처리 공정 이전의 출력신호 대비 단파장의 출력신호가 출력된다.

이와 같은 과정을 통해서 제조된 침수 감지센서(10)를 측정 대상물에 설치한다.

만약, 측정 대상물이 침수되거나 누수가 발생하여 침수 감지센서(10)가 침수되면, 수축 경화된 코팅층(30)의 조직 내부의 기공에 물분자가 침투하면서 코팅층(30)의 길이 및 두께가 약 50% 정도 복원된다.

그러면, 광섬유 격자 소자(20)는 격자(24) 사이의 간격이 복원되면서 수축 경화된 상태에 비해 장파장의 출력신호를 출력한다.

이에 따라, 광섬유(21)와 연결된 침수 감시시스템(도면 미도시)은 광섬유 격자 소자(10)에서 출력되는 출력신호의 파장 변화량에 따라 침수 또는 누수 여부를 판단할 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서는 물과 다른 액체가 혼합된 경우에도 이용될 수 있다.

예를 들어, 본 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서는 가솔린이나 알코올과 같은 타 액체에 반응하지 않는다.

이는 코팅층의 조직 내부 기공의 크기가 물분자보다는 크고, 가솔린이나 알코올 등 타 액체의 분자보다는 작기 때문이다.

가솔린 탱크 내부에는 가솔린이 저장된 상태에서 온도나 습도와 같은 환경적인 요인에 따라 수분이 발생하기도 한다.

이에 따라, 본 실시 예에 따른 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서는 가솔린 탱크 하부에 설치해서 실험한 결과에 따르면, 가솔린 탱크 내부에서 물이 발생하는지 여부를 정확하게 감지할 수 있다.

그리고 본 실시 예에 따른 광섬유 격자 센서를 이용한 침수 감지센서는 물과 알코올이 혼합된 용액에 침수시켜 실험한 결과에 따르면, 물의 혼합 비율이 증가함에 따라 출력신호의 파장 변화량이 커지도록 변화하는 것을 확인할 수 있었다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 광섬유 격자 소자의 코팅층을 열처리 공정에 의해 수축 경화시킨 후 침수에 의해 복원되면서 광섬유 격자 소자의 출력신호의 파장 변화량을 이용해서 침수 또는 누수 여부를 정확하게 감지할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상기의 실시 예에서는 감지하고자 하는 대상물의 침수 여부를 감지하는 침수 감지센서에 대해 설명하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 침수 여부 뿐만 아니라, 누수 여부를 감지하는 누수 감지센서로 적용될 수 있다.

그리고 상기의 실시 예에서는 광섬유 격자 소자의 외주에 아크릴레이트와 같은 합성수지를 이용해서 코팅층을 형성하는 것으로 설명하였으나, 합성수지뿐만 아니라, 탄소 코팅 방식 등 다양한 방식으로 코팅층을 형성하도록 변경될 수 있다.

본 발명은 광섬유 격자 소자의 코팅층을 열처리 공정를 통해 수축 경화시고, 침수에 의해 코팅층이 복원되면서 광섬유 격자 소자에서 출력되는 출력신호의 파장 변화량을 이용해서 침수 또는 누수 여부를 감지하는 침수 감지센서 기술에 적용된다.

10: 침수 감지센서
20: 광섬유 격자 소자
21: 광섬유
22: 코어
23: 클래딩
24: 격자
30: 코팅층

Claims (3)

1. 침수 또는 누수 여부를 감지하여 출력신호의 파장이 변화하는 광섬유 격자 소자,
   상기 광섬유 격자 소자의 양단에 접속되는 광섬유 및
   상기 광섬유 격자 소자와 광섬유의 외주에 형성되는 코팅층을 포함하고,
   상기 광섬유 격자 소자의 외주에 형성된 코팅층은 열처리 공정에 의해 수축 경화된 상태이며,
   상기 광섬유 격자 소자는 상기 코팅층의 수축 경화에 의해 격자 사이의 간격이 좁아지면서 열처리 공정 이전 상태보다 짧은 파장의 출력신호를 출력하고,
   침수 또는 누수에 의해 상기 코팅층이 복원되면 격자 사이의 간격이 복원되면서 수축 경화된 상태보다 긴 파장의 출력신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 열처리 공정은 200 내지 350℃의 온도로 60 내지 90분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 침수 감지센서.
3. 삭제

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