KR101744304B1 - 광섬유 센서 기반 측정 장치 및 방법 - Google Patents

광섬유 센서 기반 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 광섬유 센서 기반 측정 장치는 광섬유 센서 기반 측정 장치는 광을 송출하는 광원, 어븀 첨가 광섬유 및 광섬유 브래그 격자를 포함하는 광섬유 센서, 대상 객체에 대한 온도 및 변형률 측정 프로그램이 저장된 메모리 및 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함한다. 이때, 프로세서는 프로그램의 실행에 따라, 광섬유 센서를 통과한 광의 강도, 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도 및 광섬유 센서에서의 브래그 파장의 변화를 측정하고, 측정된 광섬유 센서를 통과한 광의 강도 및 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도에 기초하여 대상 객체에 대한 온도를 측정하고, 측정된 대상 객체의 온도 및 측정된 브래그 파장의 변화에 기초하여, 대상 객체에 대한 변형률을 측정한다.

Description

광섬유 센서 기반 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF MEASUREMENT BASED ON OPTICAL FIBER SENSOR}
본 발명은 광섬유 센서 기반 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
많은 사람이 사용하는 도로, 철로 및 건물 등의 구조물과, 석유, 화학, 가스 등의 유해 위험 물질을 사용하는 공정 및 차량, 열차 등의 교통수단 등의 설비에서의 사고는 대규모 인명 및 재산 피해를 발생시킬 수 있다. 그러므로 구조물 및 설비에 대한 상태 모니터링 및 이를 통한 안전 진단은 필수적이다.
구조물 및 설비에서의 상태 및 손상 여부를 모니터링 하기 위하여, 종래에는 파괴적인 검사를 통한 압축 강도 시험을 사용하였다. 파괴적 검사는 샘플(sample)을 채취하고, 채취된 샘플에 대한 파괴 검사를 수행하여, 압축 강도 등을 측정한다. 파괴적 검사는 다양한 시공 조건에 따른 샘플 선정이 어렵고, 손상이 발생할 수 있다는 단점이 있다.
최근에는 비파괴 검사인 전기식 스트레인 게이지를 이용한 실시간 전기 기반 모니터링에 관련된 연구가 진행되고 있다. 그러나 전기 기반 모니터링은 전자파에 의한 노이즈 발생으로 왜곡된 신호 측정 오차가 발생할 수 있다는 단점이 존재한다.
한편, 콘크리트 등을 이용한 구조물 및 공기압축탱크 등의 설비는 변형 및 손상이 발생하는 경우 외관의 변형 또는 열 등이 발생할 수 있다. 그러므로 구조물 및 설비는 온도 변화 또는 변형률을 측정하여, 구조물 및 설비에 대한 상태 모니터링 및 안전 진단이 가능하다.
구조물 및 설비에 대한 온도 및 변형률을 동시에 측정하기 위해서는 2개의 센서를 이용할 수 있다. 최근에는 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating; FBG) 센서와 같은 광섬유 센서를 이용하여, 온도 및 변형률을 산출하는 방법에 대한 활용도가 높아지고 있다.
이와 관련되어, 한국 공개특허공보 제10-2016-0046193호(발명의 명칭: 온도 및 인장력 동시 측정 분포형 광센서")는 피측정 광섬유에서 발생하는 레일리 후방 산란 신호의 주파수 및 신호의 세기가 온도 및 인장력에 따라 각각 독립적으로 변하는 것을 이용하여 측정부에서 측정된 레일리 후방 산란 신호의 주파수 및 신호 세기 변화를 광섬유에 영향을 끼치는 요인에 따른 요소로 분리함으로써 온도 및 인장력을 동시 측정하는 광센서를 개시하고 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 어븀 첨가 광섬유 및 광섬유 브래그 격자에 기초하여, 대상 객체에 대한 온도 및 변형률을 산출하는 광섬유 센서 기반 측정 장치 및 측정 방법을 제공한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치는 광을 송출하는 광원, 어븀 첨가 광섬유 및 광섬유 브래그 격자를 포함하는 광섬유 센서, 대상 객체에 대한 온도 및 변형률 측정 프로그램이 저장된 메모리 및 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함한다. 이때, 프로세서는 프로그램의 실행에 따라, 광섬유 센서를 통과한 광의 강도, 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도 및 광섬유 센서에서의 브래그 파장의 변화를 측정하고, 측정된 광섬유 센서를 통과한 광의 강도 및 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도에 기초하여 대상 객체에 대한 온도를 측정하고, 측정된 대상 객체의 온도 및 측정된 브래그 파장의 변화에 기초하여, 대상 객체에 대한 변형률을 측정한다.
또한, 본 발명의 제 2 측면에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치의 측정 방법은 광섬유 센서를 통과한 광의 강도, 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도 및 광섬유 센서에서의 브래그 파장의 변화를 측정하는 단계; 측정된 광섬유 센서를 통과한 광의 강도 및 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도에 기초하여 대상 객체에 대한 온도를 측정하는 단계; 및 측정된 대상 객체의 온도 및 측정된 브래그 파장의 변화에 기초하여, 대상 객체에 대한 변형률을 측정하는 단계를 포함한다. 이때, 광섬유 센서는 어븀 첨가 광섬유 및 광섬유 브래그 격자를 포함한다.
본 방법은 어븀 첨가 광섬유 및 광섬유 브래그 격자를 통하여, 온도가 변화하는 환경에서 대상 객체의 온도 및 변형률을 측정할 수 있다. 또한, 본 방법은 광원에 대한 파장형태와 무관하게 온도를 측정할 수 있다. 그러므로 본 방법은 종래의 광원의 파장 형태에 기초한 온도 및 변형률 측정 방법에 비하여, 정확한 온도 및 변형률 측정이 가능하다. 또한, 본 방법은 전자기적 간섭 현상이 없어, 고전압 환경에 노출된 철도 시스템 분야에 적용이 용이하다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서를 통한 온도 및 변형률 측정 과정에 대한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 반사광의 특성에 대한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자(132)에서의 입력광, 반사광 및 투과광의 관계에 대한 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치의 측정 방법에 대한 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 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 소자를 사이에 두고 "전기적으로 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 포함할 수 있는 것을 의미한다.
다음은 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)의 블록도이다.
광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 광섬유 센서(130)에 기초하여, 대상 객체에 대한 온도 및 변형률을 측정한다.
이때, 대상 객체는 구조물 및 설비가 될 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다. 즉, 대상 객체는 온도 및 변형률을 측정하고자 하는 모든 종류의 객체가 될 수 있다.
예를 들어, 대상 객체는 콘크리트를 이용한 구조물이 될 수 있다. 이때, 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 구조물 외부에 부착되거나, 구조물 내의 위치한 광섬유 센서(130)에 기초하여, 구조물의 양생도를 측정하거나, 구조물에 대한 변형 또는 손상 여부를 감지할 수 있다.
또한, 대상 객체는 공기압축탱크일 수 있다. 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 공기압축탱크의 내부 또는 외부에 부착된 광섬유 센서(130)에 기초하여, 공기압축탱크의 온도 또는 변형률을 측정하여 손상 여부를 감지할 수 있다.
광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 광원(110), 광섬유(120), 광섬유 센서(130), 광 스펙트럼 분석기(140), 메모리(150) 및 프로세서(160)를 포함한다. 이때, 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 본 발명의 하나의 구현 예에 불과하다. 그러므로 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 도 1에 도시된 구성요소를 기초로 여러 가지로 변형할 수 있다.
광원(110)은 광을 송출하는 역할을 한다. 예를 들어, 광원(110)은 레이저 다이오드(laser diode; LD) 또는 발광 다이오드(light emitting diode; LED)를 사용할 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
광섬유(120)는 광원(110)에서 송출된 광을 전달한다. 예를 들어, 광섬유(120)는 일반적인 상용 광섬유 케이블이거나, 어븀 첨가 광섬유(131)일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다. 또한, 광섬유는 복수의 종류의 광섬유가 연결된 것일 수 있다.
광섬유 센서(130)는 광섬유(120)를 따라 배치되며, 대상 객체의 온도 및 변형률을 측정한다. 이때, 광섬유 센서(130)는 어븀 첨가 광섬유(erbium doped fiber; EDF) 및 광섬유 브래그 격자(fiber Bragg grating; FBG)를 포함할 수 있다.
어븀 첨가 광섬유(131)는 어븀 첨가 광섬유(131)의 증폭된 자발 방출 광(amplified spontaneous emission; ASE)에 따라, 대상 객체의 온도를 측정할 수 있다. 이때, 어븀 첨가 광섬유(131)의 증폭된 자발 방출 광은 어븀 첨가 광섬유(131)에 추가된 이득 매질인 어븀(erbium)에 의해 발생한 것일 수 있다.
구체적으로 어븀 첨가 광섬유(131)는 어븀의 에너지 준위를 기저 상태(ground state)에서 여기 상태(excited state)로 여기 시키고, 여기된 원자의 숫자가 기저 상태인 원자의 숫자를 초과하는 밀도 반전을 일으킬 수 있다. 이때, 어븀 첨가 광섬유(131)에서 여기된 원자는 광원(110)으로부터 출력된 광과 같은 파장의 광을 내는 자발 방출(spontaneous emission)을 통해 발광하며 다시 기저 상태로 돌아오게 된다. 이때, 자발 방출된 광은 어븀 첨가 광섬유(131)를 진행하면서 증폭되게 된다.
어븀 첨가 광섬유(131)는 온도 의존 효과를 가진다. 어븀 첨가 광섬유(131)의 증폭된 자발 방출 광은 온도 의존 효과에 따라 광 강도가 변할 수 있다. 그러므로 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 이러한 어븀 첨가 광섬유(131)의 특성에 따라 대상 객체에 대한 온도를 측정할 수 있다.
광섬유 브래그 격자(132)는 대상 객체에 온도 또는 변형이 발생하면, 브래그 파장이 변하는 특징이 있다. 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 광섬유 브래그 격자(132)의 이러한 특징에 따라, 온도 또는 변형률을 측정할 수 있다.
광 스펙트럼 분석기(140)은 광원(110)으로부터 입사되어, 광섬유(120)를 통하여 전달된 신호를 수신한다. 예를 들어, 광 스펙트럼 분석기(140)은 포토 디텍터(photo detector; PD)일 수 있으나, 이에 한정된 것은 아니다. 또한, 광 스펙트럼 분석기(140)은 도 1과 같이 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)에 탑재되거나, 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)와 통신모듈(미도시)을 통하여 연결된 것일 수 있다.
메모리(150)는 대상 객체에 대한 온도 및 변형률을 측정하는 프로그램이 저장된다. 이때, 메모리(150)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치를 통칭하는 것이다.
프로세서(160)는 광원(110)으로부터 광섬유(120)로 입사된 이후, 광 스펙트럼 분석기(140)가 수집한 광의 강도 및 광섬유 센서(130)에서의 브래그 파장의 변화에 기초하여, 대상 객체에 대한 온도 및 변형률을 측정한다.
구체적으로 프로세서(160)는 광원(110)으로부터 광섬유(120)로 입사된 이후 광섬유 센서(130)를 통과한 광의 강도를 측정한다. 그리고 프로세서(160)는 광원(110)으로부터 광섬유(120)로 입사된 이후 광섬유 센서(130)에서 반사된 광의 강도를 측정한다. 그리고 프로세서(160)는 측정된 광섬유 센서(130)를 통과한 광의 강도 및 광섬유 센서(130)에서 반사된 광의 강도를 이용하여, 대상 객체에 대한 온도를 측정한다.
그리고 프로세서(160)는 광섬유 센서(130)로부터 브래그 파장의 변화를 측정한다. 프로세서(160)는 측정된 대상 객체의 온도 및 측정된 브래그 파장의 변화에 기초하여, 대상 객체에 대한 변형률을 측정한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서(130)를 통한 온도 및 변형률 측정 과정에 대한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 광원(110)을 통하여 광섬유(120)로 입사된 광은 광섬유 센서(130)를 통과하여 광 스펙트럼 분석기(140)로 입력될 수 있다. 이때, 광원(110), 광섬유 센서(130) 및 광 스펙트럼 분석기(140)는 광섬유(120)로 연결될 수 있다.
이때, 광섬유 센서(130)는 직렬로 연결된 어븀 첨가 광섬유(131) 및 광섬유 브래그 격자(132)를 포함할 수 있다.
구체적으로 어븀 첨가 광섬유(131) 및 광섬유 브래그 격자(132)는 광섬유(120)에 따라 직렬로 배치될 수 있다. 이때, 어븀 첨가 광섬유(131)는 광섬유 브래그 격자(132)에 비하여, 광원(110)에 가깝도록 배치될 수 있다. 또한, 어븀 첨가 광섬유(131)와 광섬유 브래그 격자(132)는 직접 연결될 수도 있으나, 이에 한정된 것은 아니다.
그러므로 광원(110)을 통하여 광이 입력되면, 광은 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과할 수 있다. 또한, 광은 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 이후, 광섬유 브래그 격자(132)를 통과할 수 있다.
또한, 광원(110)을 통하여, 입력된 광은 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 이후, 광섬유 브래그 격자(132)에서 반사될 수 있다. 이때, 반사된 광은 다시 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 후 순환기를 통하여, 광 스펙트럼 분석기(140)로 전달될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 변화에 따른 반사광의 특성에 대한 예시도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 광원(110)의 베이스 신호가 평탄한 경우 반사광의 강도는 온도가 증가할수록 선형적으로 감소할 수 있다. 이때, 반사광의 강도는 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 후 광섬유 브래그 격자(132)에서 반사되어 다시 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 광의 강도가 될 수 있다. 즉, 반사광의 강도는 어븀 첨가 광섬유(131)를 2회 통과한 광의 강도가 될 수 있다.
그러므로 광원(110)의 베이스 신호가 평탄한 경우, 프로세서(160)는 광섬유 브래그 격자(132)에서의 광 강도의 피크 값을 측정하여, 어븀 첨가 광섬유(131)에 따른 온도 변화를 측정할 수 있다.
그러나 도 3의 (b)를 참조하면, 일반적으로 광원(110)의 베이스 신호는 평탄하지 않다. 그러므로 베이스 신호가 평탄한 경우와 마찬가지로 광섬유 브래그 격자(132)에서의 광 강도의 피크 값을 측정하여, 어븀 첨가 광섬유(131)에 따른 온도 변화를 측정하는 경우에는 베이스 신호의 기준값 결정 방법에 따라 오차가 발생하게 된다.
그러므로 오차를 보정하기 위하여, 모든 파장 영역에서 해당 광원의 초기 광 강도의 값을 알고 있어야 하는 문제가 발생한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 프로세서(160)는 광원(110)의 스펙트럼의 형상에 의한 영향을 제거하기 위하여 신호 처리 방법을 이용한 온도 측정에 사용할 수 있다.
구체적으로 프로세서(160)는 어븀 첨가 광섬유(131)의 온도가 증가하면 어븀 첨가 광섬유(131) 내부에서의 광 흡수율이 높아져 통과하는 광의 세기가 낮아지는 현상을 이용한다. 즉, 프로세서(160)는 어븀 첨가 광섬유(131)가 온도 변화에 따라 광 흡수율이 변하는 특성을 이용하여 대상 객체의 온도를 측정할 수 있다.
한편, 광섬유 브래그 격자(132)는 온도 및 변형률에 따라 브래그 파장이 변화는 특성이 있다. 온도의 변화(△T) 및 변형률(
Figure 112016050582214-pat00001
)에 따른 브래그 파장(λB)의 변화(△λB )는 수학식 1과 같다.
Figure 112016050582214-pat00002
[수학식 1]에서 λB는 브래그 파장이며, α는 온도에 따른 광섬유의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)이다. 또한, ξ는 온도에 의한 광섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열광학 계수(thermoptic coefficient)이다. 예를 들어, 실리카(silica) 광섬유의 경우, α는 0.5x10-6이 되며, ξ는 8.3x10-6 이 될 수 있다. 또한, [수학식 1]에서 P e 는 광탄성 상수(photoelectric constant)이며,
Figure 112016050582214-pat00003
는 변형률이다. 예를 들어, 게르마니움규산염유리(germanosilicate glass)의 경우, P e 는 0.22가 될 수 있다.
그러므로 프로세서(160)는 광섬유 브래그 격자(132)가 온도 및 변형률에 따라 파장이 변화하는 특징과 어븀 첨가 광섬유(131)로부터 측정된 온도를 이용하여, 대상 객체의 변형률을 산출할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 광원(110)으로부터 광섬유(120)로 입사되는 광의 광 강도를 I라고 할 때, 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 신호의 강도는 It1이 될 수 있다. 이때, 어븀 첨가 광섬유(131)에서의 흡수율은 a가 될 수 있다.
다시 광섬유 브래그 격자(132)를 통과한 신호의 강도는 It2가 될 수 있다. 이때, 광섬유 브래그 격자(132)의 반사율은 R(상수)이라고 가정할 수 있다.
즉, 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 신호 중 광섬유 브래그 격자(132)에서 반사되어, 다시 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과하여 광 스펙트럼 분류기로 도달한 신호의 강도는 IR이 될 수 있다. 또한, 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 신호 중 광섬유 브래그 격자(132)를 통과한 신호의 강도는 It2가 될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 브래그 격자(132)에서의 입력광, 반사광 및 투과광의 관계에 대한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 광섬유 브래그 격자(132)에서의 입력광의 강도는 반사광의 강도 및 투과광의 강도의 합으로 표현될 수 있다. 이때, 광섬유 브래그 격자(132)에서의 입력광은 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 광이 될 수 있다.
그러므로 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 신호의 강도는 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다. 또한, 광섬유 브래그 격자(132)에서 반사되어 어븀 첨가 광섬유를 통과한 신호의 강도인 반사광은 [수학식 3]과 같으며, 광섬유 브래그 격자(132)를 통과한 신호의 강도인 투과광은 [수학식 4]와 같다. 이때, [수학식 3] 및 [수학식 4]는 브래그 파장이 λB 인 경우를 가정한다. 또한, 일반적으로 흡수율(a)은 파장과 온도(T), 그리고 길이(L)의 함수인 f(λ, T, L)로 표현이 가능하나 광섬유 센서에서 길이는 결정되어 있으므로 상수로 취급할 수 있어 결과적으로 f(λ, T)로 표현이 가능하다.
Figure 112016050582214-pat00004
Figure 112016050582214-pat00005
Figure 112016050582214-pat00006
이때, 브래그 파장이 λB 인 경우, 투과광(It2)과 반사광(IR)의 비는 [수학식 5]와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112016050582214-pat00007
[수학식 5]에 따라, 흡수율(a)은 브래그 파장(λB)에서의 투과광(It2)과 반사광(IR)의 비와 상수인 반사율을 이용하여 산출할 수 있다.
그러므로 프로세서(160)는 입력광의 강도 정보가 없더라도 산출된 투과광 및 반사광의 비율에 기초하여, 온도를 측정할 수 있다.
즉, 프로세서(160)는 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 광 중 광섬유 브래그 격자(132)에서 반사된 광의 강도 및 광섬유 브래그 격자(132)를 통과한 광의 강도의 비율을 산출하여, 대상 객체의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 프로세서(160)는 광섬유 브래그 격자(132)로부터 측정된 브래그 파장의 변화에 기초하여, 결정된 온도를 보상함으로써 정확한 변형률을 산출할 수 있다.
다음은 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)의 측정 방법을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)의 측정 방법에 대한 순서도이다.
광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 광섬유 센서(130)를 통과한 광의 강도, 광섬유 센서(130)에서 반사된 광의 강도 및 광섬유 센서(130)에서의 브래그 파장의 변화를 측정한다(S500).
이때, 광섬유 센서(130)는 어븀 첨가 광섬유(131) 및 광섬유 브래그 격자(123)를 포함한다. 또한, 광섬유 센서(130)에서 어븀 첨가 광섬유(131) 및 광섬유 브래그 격자(131)는 서로 직렬로 연결된다. 어븀 첨가 광섬유(131)는 광섬유 브래그 격자(130)보다 광원에 더 가깝도록 배치될 수 있다.
또한, 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 후, 광섬유 브래그 격자(132)를 통과한 광에 기초하여, 광섬유 센서(130)를 통과한 광의 강도를 측정할 수 있다. 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 후, 광섬유 브래그 격자(132)에서 반사되어 다시 어븀 첨가 광섬유(131)를 통과한 광에 기초하여 광섬유 센서(130)에서 반사된 광의 강도를 측정할 수 있다.
또한, 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 광섬유 브래그 격자(132)에서 브래그 파장의 변화를 측정할 수 있다.
광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 측정된 광섬유 센서(130)를 통과한 광의 강도 및 광섬유 센서(130)에서 반사된 광의 강도에 기초하여 대상 객체에 대한 온도를 측정한다(S510).
이를 위하여, 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 광섬유 센서(130)를 통과한 광 및 광섬유 센서(130)에서 반사된 광의 비율을 산출할 수 있다. 그리고 광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 산출된 비율에 기초하여 대상 객체에 대한 온도를 측정할 수 있다.
광섬유 센서 기반 측정 장치(100)는 측정된 대상 객체의 온도 및 측정된 브래그 파장의 변화에 기초하여, 대상 객체에 대한 변형률을 측정한다(S520).
본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 측정 장치(100) 및 방법은 어븀 첨가 광섬유(131) 및 광섬유 브래그 격자(132)를 통하여, 온도가 변화하는 환경에서 대상 객체의 온도 및 변형률을 측정할 수 있다. 또한, 광섬유 센서 기반 측정 장치(100) 및 방법은 광원(110)에 대한 파장형태와 무관하게 온도를 측정할 수 있다. 그러므로 광섬유 센서 기반 측정 장치(100) 및 방법은 종래의 광원(110)의 파장 형태에 기초한 온도 및 변형률 측정 방법에 비하여, 정확한 온도 및 변형률 측정이 가능하다. 또한, 광섬유 센서 기반 측정 장치(100) 및 방법은 전자기적 간섭 현상이 없어, 고전압 환경에 노출된 철도 시스템 분야에 적용이 용이하다.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 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 변형이 가능하다는 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 상기 상세한 설명보다는 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.
100: 광섬유 센서 기반 측정 장치
110: 광원
120: 광섬유
130: 광섬유 센서
131: 어븀 첨가 광섬유
132: 광섬유 브래그 격자
140: 광 스펙트럼 분석기
150: 메모리
160: 프로세서

Claims (11)

  1. 광섬유 센서 기반 측정 장치에 있어서,
    광을 송출하는 광원,
    어븀 첨가 광섬유 및 광섬유 브래그 격자를 포함하는 광섬유 센서,
    대상 객체에 대한 온도 및 변형률 측정 프로그램이 저장된 메모리 및
    상기 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, 상기 광섬유 센서를 통과한 광의 강도, 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도 및 상기 광섬유 센서에서의 브래그 파장의 변화를 측정하고,
    상기 측정된 광섬유 센서를 통과한 광의 강도 및 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도에 기초하여 상기 대상 객체에 대한 온도를 측정하고,
    상기 측정된 대상 객체의 온도 및 상기 측정된 브래그 파장의 변화에 기초하여, 상기 대상 객체에 대한 변형률을 측정하는, 광섬유 센서 기반 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 어븀 첨가 광섬유를 통과한 후, 상기 광섬유 브래그 격자를 통과한 광에 기초하여, 상기 광섬유 센서를 통과한 광의 강도를 측정하고,
    상기 어븀 첨가 광섬유를 통과한 후, 상기 광섬유 브래그 격자에서 반사된 광에 기초하여 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도를 측정하는, 광섬유 센서 기반 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 광섬유 센서를 통과한 광 및 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 비율을 산출하고,
    상기 산출된 비율에 기초하여 상기 대상 객체에 대한 온도를 산출하는, 광섬유 센서 기반 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 광섬유 브래그 격자를 통하여, 상기 브래그 파장의 변화를 측정하는, 광섬유 센서 기반 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는,
    상기 어븀 첨가 광섬유 및 상기 광섬유 브래그 격자가 서로 직렬로 연결되며, 상기 어븀 첨가 광섬유가 상기 광섬유 브래그 격자 보다 상기 광원에 더 가깝도록 배치되는 것인, 광섬유 센서 기반 측정 장치.
  6. 측정 장치의 광섬유 센서 기반 측정 방법에 있어서,
    광섬유 센서를 통과한 광의 강도, 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도 및 상기 광섬유 센서에서의 브래그 파장의 변화를 측정하는 단계;
    상기 측정된 광섬유 센서를 통과한 광의 강도 및 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도에 기초하여 대상 객체에 대한 온도를 측정하는 단계; 및
    상기 측정된 대상 객체의 온도 및 상기 측정된 브래그 파장의 변화에 기초하여, 상기 대상 객체에 대한 변형률을 측정하는 단계를 포함하되,
    상기 광섬유 센서는 어븀 첨가 광섬유 및 광섬유 브래그 격자를 포함하는, 광섬유 센서 기반 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광섬유 센서를 통과한 광의 강도, 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도 및 상기 광섬유 센서에서의 브래그 파장의 변화를 측정하는 단계는,
    상기 어븀 첨가 광섬유를 통과한 후, 상기 광섬유 브래그 격자를 통과한 광에 기초하여, 상기 광섬유 센서를 통과한 광의 강도를 측정하는 단계; 및
    상기 어븀 첨가 광섬유를 통과한 후, 상기 광섬유 브래그 격자에서 반사된 광에 기초하여 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도를 측정하는 단계를 포함하는, 광섬유 센서 기반 측정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 대상 객체에 대한 온도를 측정하는 단계는,
    상기 광섬유 센서를 통과한 광 및 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 비율을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 비율에 기초하여 상기 대상 객체에 대한 온도를 측정하는 단계를 포함하는, 광섬유 센서 기반 측정 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 광섬유 센서를 통과한 광의 강도, 상기 광섬유 센서에서 반사된 광의 강도 및 상기 광섬유 센서에서의 브래그 파장의 변화를 측정하는 단계는,
    광섬유 브래그 격자에서 상기 브래그 파장의 변화를 측정하는 것인, 광섬유 센서 기반 측정 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 광섬유 센서는,
    상기 어븀 첨가 광섬유 및 상기 광섬유 브래그 격자가 서로 직렬로 연결되며, 상기 어븀 첨가 광섬유가 상기 광섬유 브래그 격자 보다 광원에 더 가깝도록 배치되는 것인, 광섬유 센서 기반 측정 방법.
  11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터 상에서 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터의 판독 가능한 기록 매체.
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