KR101724828B1 - 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법 - Google Patents

음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 탐촉자를 이용하여 음향, 진동 및 온도를 동시에 측정할 수 있도록 브래그 격자와 반사판으로 구현된 광섬유 간섭형 센서에 관한 것이다. 브래그 파장(Bragg Wavelength)을 포함하는 제 1 파장영역의 빛을 반사시키는 브래그 반사 스펙트럼 특성을 갖는 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서에 있어서, 본 발명의 일례와 관련된 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서는, 상기 제 1 파장영역보다 좁은 제 2 파장영역을 갖는 빛을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 발생된 빛이 내부로 진행하고, 일단으로부터 소정 거리 이격된 부분에 상기 광섬유 브래그 격자가 새겨진 광섬유; 피측정물에 배치되고, 내부에 상기 광섬유의 일단이 위치되는 탐촉자; 상기 광원에서 발생된 빛 중 상기 탐촉자 및 상기 광섬유 브래그 격자 중 적어도 하나에서 반사되는 반사광을 수신하는 광수신부; 및 상기 광수신부에 수신된 반사광을 이용하여 검출신호를 생성하고, 상기 검출신호를 이용하여 상기 피측정물에 도달되는 음향, 상기 피측정물에 발생되는 진동 및 상기 피측정물의 온도를 측정하는 측정부;를 포함하되, 상기 제 2 파장영역의 적어도 일부가 상기 브래그 반사 스펙트럼의 제 1 파장영역과 겹치는 경우, 상기 광섬유 브래그 격자는 상기 브래그 반사 스펙트럼의 상기 겹치는 부분의 파형에 대응되는 제 1 반사광을 반사시킬 수 있다.

Description

음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법{Fiber Optic Interferometric Sensor with FBG for Simultaneous Measurement of Sound, Vibration and Temperature and Method for Sensing thereof}
본 발명은 하나의 탐촉자를 이용하여 음향, 진동 및 온도를 동시에 측정할 수 있도록 브래그 격자와 반사판으로 구현된 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법에 관한 것이다.
교량이나 건물 등과 같은 대형 구조물의 경우 시간이 지나게 되면 노후가 일어나게 되므로 구조물의 감시와 보수 점검이 필수적이다.
현재 건축물이 받는 하중이나 변형 정도를 측정하는 데 전자식 변형률 게이지(예: 스트레인 게이지)를 많이 사용하고 있다. 전자식 변형률 게이지의 경우 감도가 매우 뛰어나고 오랜 기간 사용이 되어 왔기 때문에 신뢰도 또한 높다.
하지만 이 센서는 전자파에 매우 취약하다는 단점이 있다. 한 예로 한강대교에 설치된 전자식 변형률 게이지가 낙뢰에 의해 전부 장애가 발생한 것은 이러한 단점을 극명하게 보여주는 것이라 할 수 있다.
이러한 전자파의 단점을 극복하기 위해서 전자파의 영향을 받지 않는 광섬유 브래그 격자(Fiber Bragg Grating, FBG) 센서를 이용하려는 움직임이 많다. 도 1은 이러한 광섬유의 일반적인 구조를 나타낸다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광섬유는 일반적으로 광섬유 중심인 코어(core) 부분, 중심을 보호하는 클래딩(cladding) 부분과 피복 부분으로 이루어져 있다. 코어와 클래딩의 주성분은 유리로 구성되어 있으며, 이러한 주요 구성인 코어와 클래딩을 보호하기 위하여 폴리머(polymer)나 아크릴레이트(acrylate) 등을 사용하여 클래딩 표면을 피복한다.
광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, Ge의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화된다.
광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건(Bragg condition)을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다.
격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 축방향 하중이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 압력 또는 굽힘 등을 감지할 수 있으며, 센서로 응용이 가능하다.
광섬유 브래그 격자 센서는 간섭 무늬의 에너지 분포에 따라 코어의 굴절률을 주기적으로 변조하여 특정 파장(브래그 파장, Bragg Wavelength)의 빛을 반사시키는 광섬유 소자이다.
도 2는 종래의 광섬유 브래그 격자 센서의 구성 및 탐촉자의 격자 부분을 간략하게 나타낸다. 광섬유 브래그 격자는 도 2와 같은 구조 및 동작 특성을 갖는다. 코어의 주기적인 굴절률 변화는 브래그 격자의 역할을 하게 된다.
브래그 격자에 광대역 광을 입사시키면 아래의 수학식 1과 같은 브래그 조건에 해당하는 파장의 빛은 보강간섭을 일으켜 브래그 격자 부위에서 반사되며 나머지 파장의 빛은 통과하게 된다.
Figure 112015035796325-pat00001
여기서,
Figure 112015035796325-pat00002
는 브래그 파장이고,
Figure 112015035796325-pat00003
는 유효 굴절률(core effective reffractive index)로서 빛이 브래그 격자의 한 주기를 진행할 때의 평균 굴절률을 나타내며,
Figure 112015035796325-pat00004
는 코어에 새겨진 브래그 격자의 주기를 나타낸다.
상기 수학식 1에서 볼 수 있듯이, 격자에서 반사되는 빛의 브래그 파장(
Figure 112015035796325-pat00005
)은 유효 굴절률(
Figure 112015035796325-pat00006
)과 격자 주기(
Figure 112015035796325-pat00007
)의 함수이다. 그리고 유효 굴절률과 격자의 주기는 온도와 변형률의 함수이므로, 광섬유 브래그 격자에 온도나 변형률 등의 외란이 가해지면 브래그 파장이 바뀌게 된다.
브래그 조건에서 브래그 파장을 전미분을 취한 뒤 온도, 변형률과 격자 간격, 유효 굴절률의 식을 대입하면 아래의 수학식 2를 얻을 수가 있다.
Figure 112015035796325-pat00008
여기서,
Figure 112015035796325-pat00009
는 광섬유의 열팽창계수이고,
Figure 112015035796325-pat00010
는 온도에 의한 광섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열광학계수이며,
Figure 112015035796325-pat00011
는 광탄성 상수로서 대략 0.22의 값을 갖는다.
변화된 브래그 파장을 정밀하게 측정한다면 광섬유 격자에 가해진 온도나 변형률을 상기 수학식 2를 통하여 계산할 수 있다. 이것이 광섬유 브래그 격자가 센서로 사용될 수 있는 원리이다.
상기 수학식 2에서 센서에 가해지는 온도의 변화가 없다고 가정하면(
Figure 112015035796325-pat00012
), 수학식 2는 아래의 수학식 3과 같이 간단하게 나타낼 수 있다.
Figure 112015035796325-pat00013
상기 수학식 3을 이용하면 FGB를 변형률 센서로 사용할 수 있으며, 상기 수학식 3에 나타난 바와 같이 이 변형률은 파장의 변화량을 정확히 측정하면 구할 수 있다.
FBG 센서는 전자파 간섭에 무관하고 센서 다중화가 용이하며 내부식성이 뛰어나 장기계측에 적합하다. 최근 교량이나 터널과 같은 토목구조물의 구조건전성 모니터링이나 사면 모니터링, 선체 응력 모니터링 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
구체적으로, 종래의 FGB 탐촉자 시스템(10)은 도 2에 도시된 바와 같이 광원(12), 연결부(14) 및 파장 검출기(16) 등으로 구성되며, 이들은 광섬유로 연결되어 있다.
여기서 확대된 도면에서 알 수 있듯이, 광섬유의 브래그 격자 센서 부분은 소정 길이만큼 브래그 격자가 새겨져 있다. 광원(12)에서 광섬유를 통해 조사된 빛 중 브래그 격자에 반사되는 반사빛의 브래그 파장을 측정하고, 그 브래그 파장의 변화에 기한 피측정물(예: 교량이나 건물 등과 같은 대형 구조물)의 변형 정도를 알 수 있다.
이러한 광섬유 브래그 격자 센서는 크기가 작고, 전자기장에 영향이 없으며, 화학물질에 대한 안정성이 뛰어나 산업 설비 모니터링을 위한 센서로서 각광받고 있다.
기존에 광섬유를 이용한 음향 측정에는 마이켈슨 간섭계와 같은 광 간섭성 효과를 이용한 센서를 사용하였으며, 진동 센서로는 광섬유 브래그 격자를 이용한 파장변화를 측정하는 센서가 있었다.
그러나, 종래에는 음향과 진동을 각각 측정하기 위하여 별개의 독립적인 센서를 구성하여야 하였으며, 비용이나 복잡성 측면에서 불리하고 사용상 편의성이 다소 떨어진다는 문제점이 있었다. 이는 광섬유 브래그 격자 센서의 활용의 폭을 크게 제한한다는 난점을 초래한다.
이에 따라, 음향과 진동, 온도를 동시에 측정할 수 있는 새로운 광섬유 센서의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1288493호 대한민국 등록특허 제10-1280922호 대한민국 등록특허 제10-0943710호
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하나의 탐촉자를 이용하여 음향, 진동 및 온도를 동시에 측정할 수 있도록 브래그 격자와 반사판으로 구현된 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법을 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
구체적으로, 본 발명은 진동 및 온도에 따라 브래그 반사 스펙트럼이 변동되고, 그에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 피측정물에 인가되는 진동과 온도를 측정할 수 있는 광섬유 간섭형 센서를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 음향에 따라 반사판에 떨림이 발생되어 간섭이 일어나고, 그에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 피측정물에 인가되는 음향을 측정할 수 있는 광섬유 간섭형 센서를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 음향과 진동, 온도를 동시에 측정할 수 있어 사용이 편리하고 조작이 간편하며 비용이 절감될 수 있고 설비를 간소화시킬 수 있는 광섬유 간섭형 센서를 사용자에게 제공하는 데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
브래그 파장(Bragg Wavelength)을 포함하는 제 1 파장영역의 빛을 반사시키는 브래그 반사 스펙트럼 특성을 갖는 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서는, 상기 제 1 파장영역보다 좁은 제 2 파장영역을 갖는 빛을 발생시키는 광원; 상기 광원에서 발생된 빛이 내부로 진행하고, 일단으로부터 소정 거리 이격된 부분에 상기 광섬유 브래그 격자가 새겨진 광섬유; 피측정물에 배치되고, 내부에 상기 광섬유의 일단이 위치되는 탐촉자; 상기 광원에서 발생된 빛 중 상기 탐촉자 및 상기 광섬유 브래그 격자 중 적어도 하나에서 반사되는 반사광을 수신하는 광수신부; 및 상기 광수신부에 수신된 반사광을 이용하여 검출신호를 생성하고, 상기 검출신호를 이용하여 상기 피측정물에 도달되는 음향, 상기 피측정물에 발생되는 진동 및 상기 피측정물의 온도를 측정하는 측정부;를 포함하되, 상기 제 2 파장영역의 적어도 일부가 상기 브래그 반사 스펙트럼의 제 1 파장영역과 겹치는 경우, 상기 광섬유 브래그 격자는 상기 브래그 반사 스펙트럼의 상기 겹치는 부분의 파형에 대응되는 제 1 반사광을 반사시키고, 상기 제 1 반사광은 상기 반사광의 일부이다.
또한, 상기 진동의 변화는 상기 브래그 반사 스펙트럼을 변동시키고, 상기 변동된 브래그 반사 스펙트럼에 따라 상기 제 1 반사광이 변동되며, 상기 측정부는 상기 변동된 제 1 반사광에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 상기 진동을 측정할 수 있다.
또한, 상기 탐촉자는, 상기 탐촉자의 일면에 상기 광섬유의 일단과 이격되어 설치되는 반사판;을 더 포함하고, 상기 음향에 따라 상기 반사판에 떨림이 발생되고, 상기 반사판의 떨림은 상기 측정부의 상기 음향 측정에 이용된다.
또한, 상기 광섬유의 일단에서 반사되는 빛과 상기 떨림이 발생된 반사판에서 반사되는 빛은 간섭을 일으키고, 상기 간섭에 따라 상기 반사광 중 일부인 제 2 반사광이 변동되며, 상기 측정부는 상기 변동된 제 2 반사광에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 상기 음향을 측정한다.
또한, 상기 측정부는, 상기 검출신호를 기 설정된 기준 주파수 이하로 변동되는 저주파 검출신호와 상기 기준 주파수 이상으로 변동되는 고주파 검출신호로 분할하는 필터부;를 더 포함하고, 상기 측정부는 상기 저주파 검출신호를 상기 진동 측정에 이용하고, 상기 고주파 검출신호를 상기 음향 측정에 이용할 수 있다.
또한, 상기 기준 주파수는 0.2 ㎑ 내지 1 ㎑ 사이로 설정될 수 있다.
또한, 상기 광원과 관련된 소정의 제어변수를 제어하여 상기 광원의 상기 제 2 파장영역의 중심파장을 조절하는 제어기;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 온도의 변화는 상기 브래그 반사 스펙트럼의 상기 제 1 파장영역을 변동시키고, 상기 제어기는 상기 제 2 파장영역이 상기 변동된 제 1 파장영역 내에 속하도록 상기 제어변수를 제어하며, 상기 측정부는 상기 제어기에 의하여 제어된 제어변수를 이용하여 상기 온도를 측정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 제 2 파장영역 내에 상기 브래그 반사 스펙트럼의 중간파장이 속하도록 상기 제 2 파장영역의 중심파장을 조절하고, 상기 브래그 반사 스펙트럼의 중간파장은 상기 브래그 반사 스펙트럼 파형의 기울기의 절대값이 최대가 되는 파장이다.
또한, 상기 제어변수는 상기 광원의 온도이다.
또한, 상기 광섬유에 설치되고, 상기 광원으로부터 수신된 빛은 상기 탐촉자로 전달하며, 상기 탐촉자로부터 수신된 반사광은 상기 광수신부로 전달하는 광섬유 순환기;를 더 포함할 수 있다.
한편, 브래그 파장(Bragg Wavelength)을 포함하는 제 1 파장영역의 빛을 반사시키는 브래그 반사 스펙트럼 특성을 갖는 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서의 센싱방법에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서의 센싱방법은, 광원에서 상기 제 1 파장영역보다 좁은 제 2 파장영역을 갖는 빛이 발생되는 제 1 단계; 일단으로부터 소정 거리 이격된 부분에 상기 광섬유 브래그 격자가 새겨진 광섬유 내부로 상기 광원에서 발생된 빛이 진행되는 제 2 단계; 상기 광섬유 내부로 진행되는 빛이 탐촉자 및 상기 광섬유 브래그 격자 중 적어도 하나에서 반사되어 반사광이 형성되는 제 3 단계; 광수신부가 상기 반사광을 수신하는 제 4 단계; 측정부가 상기 광수신부에 수신된 반사광을 이용하여 검출신호를 생성하는 제 5 단계; 및 상기 측정부가 상기 검출신호를 이용하여 피측정물에 도달되는 음향, 상기 피측정물에 발생되는 진동 및 상기 피측정물의 온도를 측정하는 제 6 단계;를 포함하되, 상기 탐촉자는 상기 피측정물에 배치되고, 내부에 상기 광섬유의 일단이 위치되며, 상기 제 2 파장영역의 적어도 일부가 상기 브래그 반사 스펙트럼의 제 1 파장영역과 겹치는 경우, 상기 광섬유 브래그 격자는 상기 브래그 반사 스펙트럼의 상기 겹치는 부분의 파형에 대응되는 제 1 반사광을 반사시키고, 상기 제 1 반사광은 상기 반사광의 일부이다.
또한, 상기 제 6 단계의 상기 측정부의 상기 진동 측정은, 상기 진동의 변화에 의하여 상기 브래그 반사 스펙트럼이 변동되는 단계; 상기 변동된 브래그 반사 스펙트럼에 따라 상기 제 1 반사광이 변동되는 단계; 및 상기 측정부는 상기 변동된 제 1 반사광에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 상기 진동을 측정하는 단계;로 이루어질 수 있다.
한편, 광섬유 간섭형 센서의 센싱방법을 수행하기 위하여 디지털 처리 장치에 의해 실행될 수 있는 명령어들이 유형적으로 구현되어 있는 프로그램에 있어서, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 브래그 파장(Bragg Wavelength)을 포함하는 제 1 파장영역의 빛을 반사시키는 브래그 반사 스펙트럼 특성을 갖는 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서의 센싱방법은, 광원에서 상기 제 1 파장영역보다 좁은 제 2 파장영역을 갖는 빛이 발생되는 제 1 단계; 일단으로부터 소정 거리 이격된 부분에 상기 광섬유 브래그 격자가 새겨진 광섬유 내부로 상기 광원에서 발생된 빛이 진행되는 제 2 단계; 상기 광섬유 내부로 진행되는 빛이 탐촉자 및 상기 광섬유 브래그 격자 중 적어도 하나에서 반사되어 반사광이 형성되는 제 3 단계; 광수신부가 상기 반사광을 수신하는 제 4 단계; 측정부가 상기 광수신부에 수신된 반사광을 이용하여 검출신호를 생성하는 제 5 단계; 및 상기 측정부가 상기 검출신호를 이용하여 피측정물에 도달되는 음향, 상기 피측정물에 발생되는 진동 및 상기 피측정물의 온도를 측정하는 제 6 단계;를 포함하되, 상기 탐촉자는 상기 피측정물에 배치되고, 내부에 상기 광섬유의 일단이 위치되며, 상기 제 2 파장영역의 적어도 일부가 상기 브래그 반사 스펙트럼의 제 1 파장영역과 겹치는 경우, 상기 광섬유 브래그 격자는 상기 브래그 반사 스펙트럼의 상기 겹치는 부분의 파형에 대응되는 제 1 반사광을 반사시키고, 상기 제 1 반사광은 상기 반사광의 일부이다.
본 발명은 하나의 탐촉자를 이용하여 음향, 진동 및 온도를 동시에 측정할 수 있도록 브래그 격자와 반사판으로 구현된 광섬유 간섭형 센서 및 그 센싱방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 진동 및 온도에 따라 브래그 반사 스펙트럼이 변동되고, 그에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 피측정물에 인가되는 진동과 온도를 측정할 수 있는 광섬유 간섭형 센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 음향에 따라 반사판에 떨림이 발생되어 간섭이 일어나고, 그에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 피측정물에 인가되는 음향을 측정할 수 있는 광섬유 간섭형 센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 음향과 진동, 온도를 동시에 측정할 수 있어 사용이 편리하고 조작이 간편하며 비용이 절감될 수 있고 설비를 간소화시킬 수 있는 광섬유 간섭형 센서를 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명과 관련한 광섬유의 일반적인 구조를 나타낸다.
도 2는 종래의 광섬유 브래그 격자 센서의 구성 및 탐촉자의 격자 부분을 간략하게 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따라 구현될 수 있는 광섬유 간섭형 센서의 일례를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 광섬유 간섭형 센서에 적용될 수 있는 탐촉자의 일례를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 적용될 수 있는 탐촉자의 동작을 모식적으로 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 간섭형 센서의 센싱방법의 일례와 관련된 순서도이다.
도 7은 본 발명과 관련된 브래그 반사 스펙트럼과 광원의 스펙트럼의 일 실시례이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명과 관련된 브래그 반사 스펙트럼의 변동과정을 나타내는 일 실시례이다.
도 9는 본 발명에 따른 검출신호의 일 실시례이다.
도 10a 및 도 10b는 진동의 측정을 위한 저주파 검출신호와 음향의 측정을 위한 고주파 검출신호의 일 실시례이다.
도 11은 본 발명의 광섬유 간섭형 센서의 음향의 측정과 기존 마이크의 음향 측정을 비교한 실험결과이다.
도 12는 본 발명의 광섬유 간섭형 센서의 진동에 따른 FFT값을 나타내는 실험결과이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일 실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
<광섬유 간섭형 센서의 구성>
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명이 제안하고자 하는 광섬유 간섭형 센서의 구성을 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명에 따라 구현될 수 있는 광섬유 간섭형 센서의 일례를 나타낸다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광섬유 간섭형 센서(100)는 광원(110), 광수신부(120), 측정부(130), 광섬유 순환기(150), 탐촉자(160) 등으로 구성될 수 있다.
단, 도 3에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 광섬유 간섭형 센서(100)가 구현될 수도 있다. 이하, 상기 구성요소들에 대하여 구체적으로 살펴본다.
광원(110)은 빛을 발생시키는 발광소자로서 전력공급장치에 의하여 전력을 공급받아 구동된다. 광원(110)은 발광다이오드를 사용할 수 있으며, 그밖에 레이저 다이오드(LD), 유기EL소자, 무기EL소자, 다파장 램프 등과 같은 발광소자가 이용될 수 있다. 광원(110)은 좁은 파장대역을 빛을 발생시키며, 광원(110)에서 발생된 빛은 광섬유(140)의 내부에서 전반사되며 진행하게 된다.
광원(110)에는 제어기가 연결되어 있으며, 상기 제어기는 광원(110)과 관련된 소정의 제어변수를 제어하여 광원(110)에서 발생되는 빛의 중심파장을 조절할 수 있다.
예를 들어, 제어기는 광원(110)으로 인가되는 전류 또는 전압을 조정할 수 있고, 전류나 전압을 조정함으로써 광원(110)의 온도를 제어할 수 있다. 제어기에 의한 광원(110)의 온도 제어에 의해 광원(110)에서 발생되는 빛의 중심파장이 원하는 수치로 조절될 수 있다.
광원(110)에서 발생되는 빛은 광섬유 순환기(150)를 통과하게 된다. 광섬유 순환기(150)는 탐촉자(160) 측으로 연결되는 광섬유와 광수신부(120) 측으로 연결되어 분지경로를 형성하는 광섬유와 연결된다.
광섬유(140)의 일단으로부터 소정 거리 이격된 부분에는 광섬유 브래그 격자(145)가 새겨져 있다. 본 발명에서 상기 광섬유 브래그 격자(145)는 브래그 파장(Bragg Wavelength)을 포함하는 제 1 파장영역의 빛을 반사시키는 브래그 반사 스펙트럼 특성을 갖는다.
광섬유 순환기(150)는 광원(110)으로부터 진행되는 빛은 그대로 탐촉자(160) 측으로 전달시킨다. 또한, 광섬유 순환기(150)는 탐촉자(160)에서 반사되는 반사광을 수신하면 이를 분지경로로 전달하여 광수신부(120) 측으로 전송시킬 수 있다.
광수신부(120)는 분지경로를 통하여 광섬유 순환기(150)와 연결되어 있어 반사광을 수신받는다. 측정부(130)는 광수신부(120)와 연결되어 있으며, 광수신부(120)에 수신된 반사광을 이용하여 검출신호를 생성한다. 측정부(130)는 상기 검출신호를 이용하여 피측정물에 도달되는 음향, 피측정물에 발생되는 진동, 피측정물의 온도를 측정할 수 있다.
탐촉자(160)는 피측정물에 배치되어 피측정물에 인가되는 음향, 진동, 온도를 측정하기 위한 수단이다. 상기 탐촉자(160)의 구체적인 구성을 살펴보기 위하여 도 4 및 도 5를 참조한다.
도 4는 본 발명의 광섬유 간섭형 센서에 적용될 수 있는 탐촉자의 일례를 나타내며, 도 5는 본 발명에 적용될 수 있는 탐촉자의 동작을 모식적으로 나타낸다.
도 4에 도시된 것과 같이, 탐촉자(160)는 광섬유(140)의 일측과 연결되어 있다. 탐촉자(160)의 내부에는 광섬유(140)의 일단과 광섬유(140)의 일단에서 소정 거리 이격된 부분에 새겨진 광섬유 브래그 격자(145)가 위치된다.
탐촉자(160)의 일면에는 반사판(165)이 설치되어 있으며, 도 5에 도시된 것과 같이 상기 반사판(165)은 도달되는 음향에 의하여 떨림(167)이 발생되는 구성이다. 반사판(165)과 광섬유(140)의 일단은 d 간격만큼 이격되어 있으며, 여기서 d는 500 ㎛ 내외로 설계될 수 있다(예를 들어, 300 ㎛ 내지 500 ㎛ 범위).
도 5를 참조하면, 음향에 의하여 반사판(165)에 떨림(167)이 발생되고, 상기 반사판(165)의 떨림(167)은 측정부(130)가 음향을 측정하는 데에 이용된다.
즉, 광섬유 브래그 격자(145)를 통과하여 광섬유(140) 일단에 도달한 빛의 약 4%는 광섬유(140) 끝단에서 반사되고, 나머지 빛은 광섬유(140)의 일단과 이격되어 설치된 반사판(165)에서 반사된다. 반사판(165)은 음향 신호의 압력변화에 비례하여 떨리게 되고, 광섬유(140)의 일단에서 반사되는 빛과 떨림(167)이 발생된 반사판(165)에서 반사되는 빛은 간섭을 일으킨다.
이와 같이, 반사판(165)에서 반사되는 빛의 간섭 신호는 음향의 크기와 주파수에 비례하는 출력을 만들며, 간섭에 의하여 검출신호가 변동되게 되고 측정부(130)는 이를 이용하여 음향을 측정할 수 있다.
<광섬유 간섭형 센서의 센싱방법 >
이하에서는, 상술한 구성으로 구현될 수 있는 본 발명의 광섬유 간섭형 센서의 센싱방법을 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 광섬유 간섭형 센서의 센싱방법의 일례와 관련된 순서도이다.
도 6을 참조하면, 먼저, 광원(110)에서 브래그 반사 스펙트럼(20)의 제 1 파장영역보다 좁은 제 2 파장영역을 갖는 빛이 발생된다(S10). 광원(110)에서 발생된 빛은 광섬유(140) 내부를 진행하며, 광섬유 순환기(150)에 의하여 탐촉자(160) 측으로 전달된다.
이와 관련하여, 도 7은 본 발명과 관련된 브래그 반사 스펙트럼과 광원의 스펙트럼의 일 실시례이다. 도 7에 도시한 것과 같이, 광섬유 브래그 격자(145)는 브래그 파장을 포함하는 제 1 파장영역의 빛을 반사시키는 브래그 반사 스펙트럼(20) 특성을 갖는다. 광원의 스펙트럼(30)은 브래그 반사 스펙트럼(20)의 제 1 파장영역보다 좁게 설정된다.
제어기는 광원(110)의 제 2 파장영역이 브래그 반사 스펙트럼(20)의 제 1 파장영역 내에 속하도록 제어변수를 제어한다. 바람직하게는, 제어기는 광원(110)의 중심파장이 브래그 반사 스펙트럼(20)의 중간파장에 인접되도록 설정한다. 여기서, 브래그 반사 스펙트럼(20)의 중간파장은 브래그 반사 스펙트럼 파형의 기울기의 절대값이 최대가 되는 파장을 의미한다. 이렇게 설정함으로 인해 진동에 의한 민감도가 크게 향상될 수 있다.
이어서, 탐촉자(160) 내부의 광섬유 브래그 격자(145), 광섬유(140) 일단, 반사판(165)에서 반사광이 반사된다(S20).
광섬유 브래그 격자(145)에서 반사되는 제 1 반사광의 크기는 광원의 스펙트럼(30)과 겹치는 브래그 반사 스펙트럼(30)의 파형에 대응된다(도 7에서 빗금친 부분). 즉, 브래그 반사 스펙트럼(30)의 제 1 파장영역과 광원(110)의 제 2 파장영역이 겹치는 경우, 광섬유 브래그 격자(145)는 브래그 반사 스펙트럼(30)의 상기 겹치는 부분의 파형에 대응되는 제 1 반사광을 반사시키게 된다.
이와 관련하여, 도 8a 및 도 8b는 본 발명과 관련된 브래그 반사 스펙트럼의 변동과정을 나타내는 일 실시례이다.
피측정물에 진동이 인가되거나 온도에 변화가 생기는 경우, 광섬유 브래그 격자(145)는 진동이나 온도변화에 따라 도 8a 및 도 8b의 변경된 브래그 반사 스펙트럼(22, 24) 특성을 갖게 된다. 도 8a 및 도 8b의 빗금친 부분의 넓이가 달라진 것과 같이, 진동이나 온도변화는 제 1 반사광의 크기를 변경시킨다.
반면에 광섬유 브래그 격자(145)를 통과한 빛은, 상술한 것과 같이, 광섬유(140) 일단과 반사판(165)에서 반사될 수 있다. 광섬유(140)의 일단에서 반사되는 빛과 음향에 의한 떨림(167)이 발생된 반사판(165)에서 반사되는 빛은 간섭을 일으키며, 이에 따라 제 2 반사광이 변동된다.
이어서, 탐촉자(160)에서 반사된 반사광은 광수신부(120)에 의하여 수신되고(S30), 광수신부(120)와 연결된 측정부(130)는 광수신부(120)에 수신된 반사광의 크기에 대응되는 검출신호를 생성한다(S40).
진동이나 온도에 의하여 브래그 반사 스펙트럼이 변동되면, 상기 제 1 반사광이 변동되며, 그에 따라 검출신호도 변경된다. 마찬가지로, 음향에 의하여 유발된 간섭은 제 1 반사광을 변동시키며, 그에 따라 검출신호가 변경된다.
이와 관련하여, 도 9는 본 발명에 따른 검출신호의 일 실시례이다.
본 발명의 광섬유 간섭형 센서(100)에서 제어기는 광원(110)의 중심파장이 브래그 반사 스펙트럼(20)의 중간파장에 인접하도록 제어변수를 제어한다. 이에 따라, 온도에 의한 반사광의 변동은 상쇄될 수 있으며, 온도에 따른 반사광의 크기는 검출신호에서 DC 값으로 나타난다.
이어서, 측정부(130)는 검출신호를 이용하여 피측정물에 도달되는 음향, 피측정물에 발생되는 진동 및 피측정물의 온도를 측정할 수 있다(S50).
온도의 측정은 검출기에서 검출되는 DC 값을 항상 중간값으로 유지하는 제어기에 의하여 제어된 제어변수를 이용하여 수행될 수 있다. 제어기는 광원(110)의 중심파장이 온도에 따라 변동되는 브래그 반사 스펙트럼(20)의 중간파장에 인접하도록 상기 제어변수를 제어하기 때문에, 제어된 제어변수를 이용하면 역으로 온도의 측정이 가능하게 된다.
또한, 일반적으로 온도에 의한 브래그 반사 스펙트럼의 변동은 매우 서서히 일어나며, 진동에 의한 브래그 반사 스펙트럼의 변동은 온도에 의한 것보다 빠르게 일어난다. 나아가, 음향에 의한 반사광의 변동은 진동에 의한 반사광의 변동보다 빠르게 일어난다.
이와 관련하여, 도 10a 및 도 10b는 진동의 측정을 위한 저주파 검출신호와 음향의 측정을 위한 고주파 검출신호의 일 실시례이다.
측정부(130)는 검출신호의 변동의 정도를 기준으로 하여 검출신호로부터 진동과 음향에 의한 요소를 구분할 수 있다. 이를 위하여, 측정부는 필터부를 구비하고 있으며, 필터부는 검출신호를 기 설정된 기준 주파수 이하로 변동되는 저주파 검출신호와 상기 기준 주파수 이상으로 변동되는 고주파 검출신호로 분할할 수 있다.
필터부는 도 9의 검출신호로부터 도 10a의 저주파 검출신호와 도 10b의 고주파 검출신호를 분할해낸다. 측정부(130)는 상기 저주파 검출신호를 진동 측정에 이용하고, 상기 고주파 검출신호를 음향 측정에 이용하게 된다.
한편, 도 11 및 도 12는 본 발명의 광섬유 간섭형 센서에 대한 실제 실험결과이다. 도 11은 본 발명의 광섬유 간섭형 센서의 음향의 측정과 기존 마이크의 음향 측정을 비교한 실험결과이고, 도 12는 본 발명의 광섬유 간섭형 센서의 진동에 따른 FFT값을 나타내는 실험결과이다.
도 11에 도시된 것과 같이, 외부에서 주어지는 음향에 따른 반사광의 변화는 기존 마이크와 비교해서 세기는 30% 수준으로 측정이 가능하였다. 또한, 도 12에 도시된 것과 같이, 진동에 따른 반사광의 변화는 각각 50 ㎐에서 300 ㎐까지 50 ㎐ 간격으로 진동을 주어서 확인한 결과 입력값과 같은 값들이 나와 진동을 측정하는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행할 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시례들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시례들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시례들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
20: 브래그 반사 스펙트럼
30: 광원 스펙트럼
100: 광섬유 간섭형 센서
110: 광원
120: 광수신부
130: 측정부
140: 광섬유
145: 광섬유 브래그 격자
150: 광섬유 순환기
160: 탐촉자
165: 반사판
167: 떨림

Claims (14)

  1. 브래그 파장(Bragg Wavelength)을 포함하는 제 1 파장영역의 빛을 반사시키는 브래그 반사 스펙트럼 특성을 갖는 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서에 있어서,
    상기 제 1 파장영역보다 좁은 제 2 파장영역을 갖는 빛을 발생시키는 광원;
    상기 광원에서 발생된 빛이 내부로 진행하고, 일단으로부터 소정 거리 이격된 부분에 상기 광섬유 브래그 격자가 새겨진 광섬유;
    피측정물에 배치되고, 내부에 상기 광섬유의 일단이 위치되는 탐촉자;
    상기 광원에서 발생된 빛 중 상기 탐촉자 및 상기 광섬유 브래그 격자 중 적어도 하나에서 반사되는 반사광을 수신하는 광수신부; 및
    상기 광수신부에 수신된 반사광을 이용하여 검출신호를 생성하고, 상기 검출신호를 이용브래그 파장(Bragg Wavelength)을 포함하는 제 1 파장영역의 빛을 반사시키는 브래그 반사 스펙트럼 특성을 갖는 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서에 있어서,
    상기 제 1 파장영역보다 좁은 제 2 파장영역을 갖는 빛을 발생시키는 광원;
    상기 광원에서 발생된 빛이 내부로 진행하고, 일단으로부터 소정 거리 이격된 부분에 상기 광섬유 브래그 격자가 새겨진 광섬유;
    피측정물에 배치되고, 내부에 상기 광섬유의 일단이 위치되는 탐촉자;
    상기 광원에서 발생된 빛 중 상기 탐촉자 및 상기 광섬유 브래그 격자 중 적어도 하나에서 반사되는 반사광을 수신하는 광수신부; 및
    상기 광수신부에 수신된 반사광을 이용하여 검출신호를 생성하고, 상기 검출신호를 이용하여 상기 피측정물에 도달되는 음향, 상기 피측정물에 발생되는 진동 및 상기 피측정물의 온도를 측정하는 측정부;를 포함하되,
    상기 제 2 파장영역의 적어도 일부가 상기 브래그 반사 스펙트럼의 제 1 파장영역과 겹치는 경우,
    상기 광섬유 브래그 격자는 상기 브래그 반사 스펙트럼의 상기 겹치는 부분의 파형에 대응되는 제 1 반사광을 반사시키고, 상기 제 1 반사광은 상기 반사광의 일부이며,
    상기 진동의 변화는 상기 브래그 반사 스펙트럼을 변동시키고,
    상기 변동된 브래그 반사 스펙트럼에 따라 상기 제 1 반사광이 변동되며,
    상기 측정부는 상기 변동된 제 1 반사광에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 상기 진동을 측정하며,
    상기 탐촉자는,
    상기 탐촉자의 일면에 상기 광섬유의 일단과 이격되어 설치되는 반사판;을 더 포함하고,
    상기 음향에 따라 상기 반사판에 떨림이 발생되고, 상기 반사판의 떨림은 상기 측정부의 상기 음향 측정에 이용되는 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유의 일단에서 반사되는 빛과 상기 떨림이 발생된 반사판에서 반사되는 빛은 간섭을 일으키고,
    상기 간섭에 따라 상기 반사광 중 일부인 제 2 반사광이 변동되며,
    상기 측정부는 상기 변동된 제 2 반사광에 따라 변동되는 검출신호를 이용하여 상기 음향을 측정하는 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 검출신호를 기 설정된 기준 주파수 이하로 변동되는 저주파 검출신호와 상기 기준 주파수 이상으로 변동되는 고주파 검출신호로 분할하는 필터부;를 더 포함하고,
    상기 측정부는 상기 저주파 검출신호를 상기 진동 측정에 이용하고, 상기 고주파 검출신호를 상기 음향 측정에 이용하는 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기준 주파수는 0.2 ㎑ 내지 1 ㎑ 사이로 설정되는 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광원과 관련된 소정의 제어변수를 제어하여 상기 광원의 상기 제 2 파장영역의 중심파장을 조절하는 제어기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 온도의 변화는 상기 브래그 반사 스펙트럼의 상기 제 1 파장영역을 변동시키고,
    상기 제어기는 상기 제 2 파장영역이 상기 변동된 제 1 파장영역 내에 속하도록 상기 제어변수를 제어하며,
    상기 측정부는 상기 제어기에 의하여 제어된 제어변수를 이용하여 상기 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 제 2 파장영역 내에 상기 브래그 반사 스펙트럼의 중간파장이 속하도록 상기 제 2 파장영역의 중심파장을 조절하고,
    상기 브래그 반사 스펙트럼의 중간파장은 상기 브래그 반사 스펙트럼 파형의 기울기의 절대값이 최대가 되는 파장인 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 제어변수는 상기 광원의 온도인 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유에 설치되고, 상기 광원으로부터 수신된 빛은 상기 탐촉자로 전달하며, 상기 탐촉자로부터 수신된 반사광은 상기 광수신부로 전달하는 광섬유 순환기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음향, 진동 및 온도의 동시 측정을 위한 광섬유 브래그 격자를 이용한 광섬유 간섭형 센서.
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