KR101915260B1 - Optical fiber sensor based strain measuring apparatus - Google Patents

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Abstract

광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치는 링 형태의 광선로와, 광선로에 마련되어 소정의 파장 대역의 빛을 증폭시키는 광증폭기와, 광선로에 마련되어 빛의 방향을 한쪽으로 제한하는 써큘레이터와, 광선로에 마련되고 빛의 파장을 가변시켜 광경로를 조정하는 페브리-페롯 조정 필터와, 광선로에 마련되어 광선로에 흐르는 광신호를 분기시켜 출력하는 광커플러를 포함하는 파장 훑음 레이저; 광선로에 흐르는 빛이 유입되도록 광선로에 결합되고, 페브리-페롯 조정 필터에 의해 조정된 광경로를 따라 흐르는 소정의 파장의 빛을 광선로로 반사시키며, 스트레인에 따라 광선로로 반사시키는 빛의 반사 파장이 변화되는 광섬유 격자 어레이; 및 광커플러를 통해 출력된 광신호를 시간 축 상에서 분석하고, 광신호의 피크의 시간 축 상에서의 변화량을 기반으로 광섬유 격자 어레이에 가해지는 스트레인을 측정하는 스트레인 측정부;를 포함한다. 본 발명의 실시예에 의하면, 구조 건축물의 안전을 실시간으로 감지할 수 있다.An optical fiber sensor-based strain measuring device is disclosed. The optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention includes a ring-shaped optical line, an optical amplifier provided in the optical line for amplifying light of a predetermined wavelength band, a circulator provided on the optical line for limiting the direction of light to one side A Fabry-Perot adjusting filter provided in the optical path and adjusting the optical path by varying the wavelength of the light, and an optical coupler provided in the optical path for branching and outputting the optical signal flowing in the optical path; A reflection wavelength of light which is coupled to the optical line to allow light to flow through the optical line to flow therethrough and reflects light of a predetermined wavelength that flows along the optical path adjusted by the Fabry-Perot adjustment filter by an optical line, A variable fiber grating array; And a strain measuring unit for analyzing the optical signal outputted through the optical coupler on the time axis and measuring a strain applied to the optical fiber grating array based on the amount of change of the peak of the optical signal on the time axis. According to the embodiment of the present invention, the safety of the structure can be detected in real time.

Figure R1020170044717
Figure R1020170044717

Description

광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치{Optical fiber sensor based strain measuring apparatus}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an optical fiber sensor based strain measuring apparatus,

본 발명은 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 파장 훑음 레이저와 광섬유 격자 어레이를 이용하여 스트레인을 실시간 측정함으로써 구조 건축물의 안전을 실시간 감시하는 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optical fiber sensor-based strain measuring device, and more particularly, to an optical fiber sensor-based strain measuring device for real-time monitoring of the safety of a structure by real-time measurement of strain using a wavelength-scanning laser and an optical fiber grating array.

대형 건축물이나 구조물의 안전을 감시하기 위한 다양한 기술이 있다. 일 예로, 광섬유 격자(Fiber Bragg Grating)를 구조 건축물에 삽입하여, 광섬유 격자에서 반사되는 빛의 파장 변화를 관찰함으로써, 진동이나 균열 등에 의한 스트레인을 측정하는 기술이 있다. 그러나, 기존의 광섬유 격자를 이용한 측정 기술은 광섬유 센서에서 반사되는 빛의 파장 변화를 모니터링하는 방식으로, 파장 영역의 응답 특성이 매우 느리며 파장 변화를 빠른 속도로 측정하기 어렵다. 이로 인하여, 기존 방식은 빠르게 변하는 동적 신호를 실시간으로 측정하기 어려우며, 구조 안전 모니터링을 위해 복잡한 신호처리를 거쳐야 하는 단점이 있다.There are a variety of techniques for monitoring the safety of large structures and structures. As an example, there is a technique of inserting a fiber Bragg grating into a structural structure to observe a wavelength change of light reflected from a fiber grating, thereby measuring strain due to vibration or cracks. However, the existing optical fiber grating measurement technique monitors the wavelength change of the light reflected from the optical fiber sensor, and the response characteristic of the wavelength range is very slow, and it is difficult to measure the wavelength change at high speed. As a result, it is difficult to measure the dynamic signal of the rapidly changing dynamic signal in real time, and the complicated signal processing is required for the structural safety monitoring.

본 발명은 구조 건축물의 안전을 실시간으로 감지할 수 있는 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an optical fiber sensor-based strain measuring device capable of detecting the safety of a structure in real time.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems. Other technical subjects not mentioned will be apparent to those skilled in the art from the description below.

본 발명의 일 측면에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치는 링 형태의 광선로와, 상기 광선로에 마련되어 소정의 파장 대역의 빛을 증폭시키는 광증폭기와, 상기 광선로에 마련되어 빛의 방향을 한쪽으로 제한하는 써큘레이터와, 상기 광선로에 마련되고 빛의 파장을 가변시켜 광경로를 조정하는 페브리-페롯 조정 필터와, 상기 광선로에 마련되어 상기 광선로에 흐르는 광신호를 분기시켜 출력하는 광커플러를 포함하는 파장 훑음 레이저; 상기 광선로에 흐르는 빛이 유입되도록 상기 광선로에 결합되고, 상기 페브리-페롯 조정 필터에 의해 조정된 광경로를 따라 흐르는 소정의 파장의 빛을 상기 광선로로 반사시키며, 스트레인에 따라 상기 광선로로 반사시키는 빛의 반사 파장이 변화되는 광섬유 격자 어레이; 및 상기 광커플러를 통해 출력된 상기 광신호를 시간 축 상에서 분석하고, 상기 광신호의 피크의 시간 축 상에서의 변화량을 기반으로 상기 광섬유 격자 어레이에 가해지는 상기 스트레인을 측정하는 스트레인 측정부;를 포함한다.An optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to one aspect of the present invention includes: a ring-shaped optical line; an optical amplifier provided in the optical line for amplifying light of a predetermined wavelength band; and an optical amplifier provided in the optical line, A Fabry-Perot adjusting filter provided in the optical line and adjusting the optical path by changing the wavelength of the light; and an optical coupler provided in the optical line for branching and outputting the optical signal flowing in the optical line, ; The optical fiber is coupled to the optical line so that light passing through the optical line is introduced into the optical line, and reflects light of a predetermined wavelength that flows along the optical line adjusted by the Fabry-Perot adjustment filter to the optical line, An optical fiber grating array whose light reflection wavelength is changed; And a strain measurement unit for analyzing the optical signal output through the optical coupler on a time axis and for measuring the strain applied to the optical fiber grating array based on a change amount on a time axis of a peak of the optical signal do.

상기 광섬유 격자 어레이는, 상기 광선로에 흐르는 빛이 유입되도록 상기 광선로에 결합되는 광섬유; 및 상기 광섬유에 직렬 연결되는 복수 개의 광섬유 격자쌍을 포함할 수 있다.The optical fiber grating array includes: an optical fiber coupled to the optical line to allow light to flow through the optical line; And a plurality of pairs of fiber gratings connected in series to the optical fiber.

각각의 광섬유 격자쌍은 상기 스트레인이 작용되지 않도록 마련되는 기준 광섬유 격자와, 상기 스트레인이 작용될 수 있도록 마련되는 측정 광섬유 격자를 포함할 수 있다.Each of the pairs of optical fiber gratings may include a reference optical fiber grating provided such that the strain is not applied thereto, and a measurement optical fiber grating provided so that the strain acts.

상기 복수 개의 광섬유 격자쌍은 소정의 광학 거리 이상 이격되어 배치될 수 있다.The plurality of optical fiber grating pairs may be spaced apart from each other by a predetermined optical distance.

상기 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치는 상기 광섬유의 반사 지수, 상기 페브리-페롯 조정 필터의 선폭, 상기 광증폭기에 의해 증폭되는 빛의 주파수 및 상기 파장 훑음 레이저의 파장 밴드폭을 기반으로 상기 광섬유 격자쌍의 최대 허용 간격을 산출하는 연산부;를 더 포함할 수 있다.The optical fiber sensor-based strain measuring apparatus may further include a fiber-optic sensor-based strain measuring unit for calculating a fiber-optic grating pair based on the reflection index of the optical fiber, the linewidth of the Fabry-Perot adjustment filter, the frequency of light amplified by the optical amplifier, And an operation unit for calculating a maximum allowable interval of the display unit.

상기 기준 광섬유 격자와 상기 측정 광섬유 격자는 상기 최대 허용 간격 이하의 광학 거리를 갖도록 배치될 수 있다.The reference optical fiber grating and the measurement optical fiber grating may be arranged to have optical distances equal to or less than the maximum allowable distance.

상기 스트레인 측정부는, 상기 기준 광섬유 격자에서 반사되는 빛에 의해 생성되는 상기 광신호의 기준 피크 펄스와, 상기 측정 광섬유 격자에서 반사되는 빛에 의해 생성되는 상기 광신호의 측정 피크 펄스를 검출하는 피크 검출부; 상기 기준 피크 펄스와 상기 측정 피크 펄스 간의 시간 간격을 실시간 측정하고, 상기 기준 피크 펄스와 상기 측정 피크 펄스 간의 시간 간격에 기초하여 상기 측정 광섬유 격자에 인가되는 스트레인의 세기를 측정하는 피크차 산출부; 및 상기 기준 피크 펄스와 상기 측정 피크 펄스 간의 시간 간격의 시변동 데이터를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하여 상기 측정 광섬유 격자에 인가되는 스트레인의 주파수 성분을 분석하는 고속푸리에 변환부;를 포함할 수 있다.The strain measuring unit may include a peak detector for detecting a reference peak pulse of the optical signal generated by the light reflected by the reference fiber grating and a measured peak pulse of the optical signal generated by the light reflected by the measurement optical fiber grating, ; A peak difference calculator for measuring a time interval between the reference peak pulse and the measurement peak pulse in real time and measuring the intensity of a strain applied to the measurement optical fiber grating based on a time interval between the reference peak pulse and the measurement peak pulse; And a fast Fourier transform unit for fast Fourier transforming the time-varying data of the time interval between the reference peak pulse and the measured peak pulse to analyze a frequency component of a strain applied to the measurement optical fiber grating have.

상기 파장 훑음 레이저는, 상기 복수 개의 광섬유 격자쌍에서 순차적으로 빛의 반사가 이루어지도록, 상기 페브리-페롯 조정 필터의 구동 주파수를 조절하는 주파수 조절부;를 더 포함할 수 있다.The wavelength sweep laser may further include a frequency adjuster for adjusting a driving frequency of the Fabry-Perot adjusting filter so that light is sequentially reflected from the plurality of pairs of optical fiber gratings.

본 발명의 실시예에 의하면, 구조 건축물의 안전을 실시간으로 감지할 수 있는 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, an optical fiber sensor-based strain measuring device capable of detecting the safety of a structural structure in real time is provided.

본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above. Unless stated, the effects will be apparent to those skilled in the art from the description and the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 분석 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 분석 장치에서 수행되는 동작 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 파장 훑음 레이저로부터 출력되는 광신호를 파장 영역에서 나타낸 그래프와, 시간 영역에서 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 파장 훑음 레이저에서 출력되는 광신호의 파장 변화와, 광신호를 시간 영역에서 측정한 피크들 간의 시간 간격(Peak distance)의 선형성을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 피크 검출부와 피크차 산출부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 피크차 산출부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 고속푸리에 변환부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a configuration diagram of an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of an analyzer constituting an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart illustrating an operation performed by an analyzer constituting an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the optical signal output from the wavelength-swept laser constituting the optical fiber sensor-based strain measuring device according to the embodiment of the present invention in a wavelength region and in a time domain.
FIG. 5 and FIG. 6 are graphs showing changes in wavelength of an optical signal output from a wavelength-swept laser constituting an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention and a time interval between peaks measured in the time domain distance of the input signal.
7 is a view for explaining the operation of the peak detecting unit and the peak difference calculating unit of the optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
8 is a view for explaining the operation of the peak-difference calculating unit of the optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to the embodiment of the present invention.
9 is a view for explaining the operation of a fast Fourier transformer constituting an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술하는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 공지된 구성에 대한 일반적인 설명은 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위해 생략될 수 있다. 본 발명의 도면에서 동일하거나 상응하는 구성에 대하여는 가급적 동일한 도면부호가 사용된다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, 도면에서 일부 구성은 다소 과장되거나 축소되어 도시될 수 있다.Other advantages and features of the present invention and methods of achieving them will be apparent by referring to the embodiments described hereinafter in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Although not defined, all terms (including technical or scientific terms) used herein have the same meaning as commonly accepted by the generic art in the prior art to which this invention belongs. A general description of known configurations may be omitted so as not to obscure the gist of the present invention. In the drawings of the present invention, the same reference numerals are used as many as possible for the same or corresponding configurations. To facilitate understanding of the present invention, some configurations in the figures may be shown somewhat exaggerated or reduced.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises", "having", or "having" are intended to specify the presence of stated features, integers, steps, operations, components, Steps, operations, elements, parts, or combinations thereof, whether or not explicitly described or implied by the accompanying claims.

본 명세서 전체에서 사용되는 '~부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위로서, 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부'가 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.Used throughout this specification may refer to a hardware component such as, for example, software, FPGA or ASIC, as a unit for processing at least one function or operation. However, "to" is not meant to be limited to software or hardware. &Quot; to " may be configured to reside on an addressable storage medium and may be configured to play one or more processors.

일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소와 '~부'에서 제공하는 기능은 복수의 구성요소 및 '~부'들에 의해 분리되어 수행될 수도 있고, 다른 추가적인 구성요소와 통합될 수도 있다.As an example, the term '~' includes components such as software components, object-oriented software components, class components and task components, and processes, functions, attributes, procedures, Routines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuitry, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables. The functions provided by the components and components may be performed separately by a plurality of components and components, or may be integrated with other additional components.

본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치는 파장 훑음 레이저와, 파장 훑음 레이저에 결합되는 광섬유 격자 어레이 및 파장 훑음 레이저에서 출력되는 광신호를 시간 축 상에서 분석하여 시간 축 상에서의 피크의 변화량을 기반으로 광섬유 격자 어레이에 가해지는 스트레인을 측정하는 스트레인 측정부를 포함하여 구성된다.The optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention analyzes the optical signal output from a wavelength sweep laser, an optical fiber grating array coupled to a wavelength sweep laser, and a wavelength sweep laser on a time axis, And a strain measuring unit for measuring a strain applied to the optical fiber grating array based on the measured strain.

광섬유 격자 어레이에 동적인 스트레인이 가해질 때 광섬유 격자 어레이의 반사 파장이 동적으로 변화하게 된다. 이때 파장 훑음 레이저에서 출력되는 광신호는 파장에 따라 시간 축에서의 펄스 위치가 변화하게 되므로, 파장 훑음 레이저에서 출력되는 광신호를 시간 축 상에서 분석하여 시간 축 상에서의 펄스 위치 변화를 관찰함으로써, 구조 건축물에 가해지는 스트레인을 측정할 수 있다.When the dynamic strain is applied to the fiber grating array, the reflection wavelength of the fiber grating array changes dynamically. In this case, since the position of the pulse in the time axis changes according to the wavelength of the optical signal output from the wavelength swept laser, the optical signal output from the wavelength swept laser is analyzed on the time axis and the pulse position change on the time axis is observed. The strain applied to the structure can be measured.

파장 영역의 응답속도가 느린 특성상 광섬유 센서에 의해 출력되는 파장 변화를 빠른 속도로 측정하는 것은 매우 어렵지만, 시간 영역에서의 피크 위치 변화는 실시간 검출이 가능하다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 동적으로 변하는 스트레인의 세기, 주파수 특성 등의 정보를 고속으로 측정할 수 있으며, 구조 건축물의 안전을 실시간으로 감시할 수 있다.It is very difficult to measure the wavelength change output by the optical fiber sensor at a high speed due to the slow response speed of the wavelength region, but the change of the peak position in the time domain can be detected in real time. Therefore, according to the embodiment of the present invention, it is possible to measure information such as the intensity of a dynamically changing strain, frequency characteristics, etc. at a high speed, and to monitor the safety of the structure in real time.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치(100)는 파장 훑음 레이저(120)와, 광섬유 격자 어레이(140) 및 스트레인 측정부(160)를 포함하여 구성된다.1 is a configuration diagram of an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a wavelength sweep laser 120, an optical fiber grating array 140, and a strain measuring unit 160.

파장 훑음 레이저(wavelength swept laser)(120)는 광섬유 격자 어레이(140)에서 반사되는 빛에 따라 빛의 파장을 고속으로 가변시켜 출력할 수 있도록 구성된다.The wavelength swept laser 120 is configured to vary the wavelength of light according to the light reflected from the optical fiber grating array 140 at a high speed.

일 실시예에서, 파장 훑음 레이저(120)는 광선로(121)와, 광선로(121)에 설치되는 광증폭기(122), 써큘레이터(123), 광경로 조정부(124), 지연라인(125), 편광조절기(126a,126b), 아이솔레이터(127a,127b) 및 광커플러(128)를 포함한다.In one embodiment, the wavelength sweep laser 120 includes an optical path 121, an optical amplifier 122, a circulator 123, an optical path adjustment unit 124, a delay line 125 , Polarization controllers 126a and 126b, isolators 127a and 127b, and an optical coupler 128. [

광선로(121)는 링(ring) 형태로 제공될 수 있다. 광선로(121)는 광섬유(optical fiber)로 제공될 수 있다.The light path 121 may be provided in the form of a ring. The optical path 121 may be provided as an optical fiber.

광증폭기(optical amplifier)(122)는 광선로(121)에 빛을 방출하는 레이저 광원 기능을 수행하는 이득 매체(gain medium)로 제공되며, 광선로(121)에서 소정의 파장 대역의 빛을 증폭시킬 수 있다.The optical amplifier 122 is provided as a gain medium that functions as a laser light source for emitting light to the optical path 121 and amplifies light of a predetermined wavelength band in the optical path 121 .

일 실시예로, 광증폭기(122)는 반도체 광증폭기(semiconductor optical amplifier)로 제공될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.In one embodiment, the optical amplifier 122 may be provided as a semiconductor optical amplifier, but is not limited thereto.

써큘레이터(circulator)(123)는 광선로(121)에 흐르는 빛의 방향을 한쪽(시계 방향 또는 반시계 방향)으로 제한한다.The circulator 123 restricts the direction of light flowing in the light path 121 to one side (clockwise or counterclockwise).

광경로 조정부(124)는 빛의 파장을 가변시켜 광경로를 조정하기 위해 제공된다. 일 실시예로, 광경로 조정부(124)는 페브리-페롯 조정 필터(Fiber Fabry-Perot Tunable Filter)(124a)와, 주파수 조절부(124b)를 포함할 수 있다.The light path adjusting unit 124 is provided for adjusting the light path by varying the wavelength of light. In one embodiment, the optical path adjustment unit 124 may include a Fabry-Perot Tunable Filter 124a and a frequency adjustment unit 124b.

페브리-페롯 조정 필터(124a)는 주파수 조절부(124b)에 의해 입력되는 주파수에 따라 빛의 파장을 조정함으로써 빛의 광경로를 조정한다.The Fabry-Perot adjustment filter 124a adjusts the optical path of light by adjusting the wavelength of light according to the frequency input by the frequency adjuster 124b.

지연라인(125)은 단일 모드(sing-mode) 광섬유로 제공될 수 있으며, 소정의 긴 길이(예를 들어, 수 Km)를 갖도록 제공될 수 있다.The delay line 125 may be provided with a single mode optical fiber and may be provided with a predetermined long length (e.g., several Km).

편광조절기(polarization controller)(126a,126b)는 광선로(121)에 흐르는 빛의 편광을 조절한다.Polarization controllers 126a and 126b regulate the polarization of the light traveling in the light path 121. [

아이솔레이터(isolator)(127a,127b)는 광선로(121)에서 빛을 일 방향으로 전달하고, 반대 방향으로는 빛이 흐르지 않도록 차단한다.The isolators 127a and 127b transmit the light in one direction in the light path 121 and block the light in the opposite direction.

광커플러(optical coupler)(128)는 광선로(121)에 흐르는 광신호의 일부를 분기시켜 스트레인 측정부(160)로 출력한다.The optical coupler 128 splits a part of the optical signal flowing in the optical path 121 and outputs the split optical signal to the strain measuring unit 160.

광섬유 격자 어레이(140)는 광선로(121)에 흐르는 빛이 유입되도록 광선로(121)에 결합된다. 광섬유 격자 어레이(140)는 광경로를 따라 흐르는 특정 파장의 빛은 광선로(121)로 반사시키고, 나머지 파장은 투과한다.The optical fiber grating array 140 is coupled to the optical line 121 to allow light to flow through the optical line 121. The optical fiber grating array 140 reflects light of a specific wavelength flowing along the optical path to the optical path 121, and transmits the remaining wavelengths.

광섬유 격자 어레이(140)는 인가되는 스트레인(strain)에 따라 광선로(121)로 반사시키는 빛의 반사 파장이 변화된다.In the optical fiber grating array 140, the reflection wavelength of the light reflected by the optical path 121 is changed according to an applied strain.

일 실시예에서, 광섬유 격자 어레이(140)는 광선로(121)에 흐르는 빛이 유입되도록 광선로(121)에 결합되는 광섬유(141)와, 단일모드 광섬유(142,146,147), 및 광섬유(141)에 직렬 연결되는 복수 개의 광섬유 격자쌍(143,144,145)을 포함할 수 있다.In one embodiment, the optical fiber grating array 140 includes an optical fiber 141 coupled to the optical line 121 to allow light to flow into the optical line 121, a single mode optical fiber 142, 146, 147, and an optical fiber 141 And a plurality of pairs of optical fiber gratings 143, 144, and 145 connected in series.

복수 개의 광섬유 격자쌍(143,144,145)은 상호 간에 광학 거리상으로 일정 거리 이상 이격되도록 제공될 수 있다. 이를 위해, 단일모드 광섬유(142,146,147)는 수 미터 내지 수백 미터의 광학 거리를 갖도록 제공될 수 있다.The plurality of pairs of optical fiber gratings 143, 144, and 145 may be provided to be spaced apart from each other by a predetermined distance in the optical distance. For this, the single mode optical fibers 142, 146, 147 may be provided with optical distances of several meters to several hundred meters.

각각의 광섬유 격자쌍(143,144,145)은 스트레인이 작용되지 않도록 마련되는 기준 광섬유 격자(FBG2,FBG4,FBG6)와, 스트레인이 작용될 수 있도록 마련되는 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5)를 포함할 수 있다.Each of the pairs of optical fiber gratings 143, 144 and 145 may include reference optical gratings FBG2, FBG4 and FBG6 which are not subjected to strain and measurement gratings FBG1, FBG3 and FBG5, have.

일 실시예로, 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5)는 구조 건축물에 가해지는 스트레인이 잘 전달될 수 있도록 구조 건축물에 삽입될 수 있다. 기준 광섬유 격자(FBG2,FBG4,FBG6)는 구조 건축물에 가해지는 스트레인이 전달되도록 구조 건축물의 외부에 배치될 수 있다.In one embodiment, the measurement fiber gratings FBG1, FBG3, FBG5 may be inserted into the structural structure such that the strain applied to the structural structure is well transmitted. The reference fiber gratings FBG2, FBG4, FBG6 may be disposed outside the structural structure so that the strain applied to the structural structure is transmitted.

광섬유 격자쌍(143,144,145)의 기준 광섬유 격자(FBG2,FBG4,FBG6)와, 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5)는 소정 거리(최대 허용 간격) 이하의 광학 거리를 갖도록 제공될 수 있다. 여기서, 광학 거리는 단일모드 광섬유의 길이를 포함하여, 빛이 이동하는 경로를 따라 측정되는 거리일 수 있다.The reference optical fiber gratings FBG2, FBG4 and FBG6 of the optical fiber grating pairs 143, 144 and 145 and the measurement optical fiber gratings FBG1, FBG3 and FBG5 may be provided to have optical distances equal to or less than a predetermined distance (maximum allowable distance). Here, the optical distance may be a distance measured along a path through which the light travels, including the length of the single mode optical fiber.

일 실시예에서, 상기 최대 허용 간격을 산출하기 위한 연산부(도시 생략)가 제공될 수 있다. 상기 연산부는 광섬유(141)의 반사 지수(refractive index), 페브리-페롯 조정 필터(124a)의 선폭(instantaneous linewidth), 광증폭기(122)에 의해 증폭되는 빛의 주파수 및 파장 훑음 레이저(120)의 파장 밴드폭을 기반으로, 기준 광섬유 격자(FBG2,FBG4,FBG6)와 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5) 간의 최대 허용 간격을 산출할 수 있다.In one embodiment, an operation unit (not shown) for calculating the maximum allowable interval may be provided. The arithmetic unit may include a refractive index of the optical fiber 141, an instantaneous linewidth of the Fabry-Perot adjustment filter 124a, a frequency of the light amplified by the optical amplifier 122, The maximum allowable interval between the reference optical fiber gratings FBG2, FBG4, and FBG6 and the measured optical fiber gratings FBG1, FBG3, and FBG5 can be calculated based on the wavelength band width of the reference optical fiber gratings FBG2, FBG4, and FBG6.

일 실시예에 있어서, 기준 광섬유 격자(FBG2,FBG4,FBG6)와 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5) 간의 최대 허용 간격은 아래의 식 1에 따라 산출될 수 있다.In one embodiment, the maximum allowable spacing between the reference fiber gratings FBG2, FBG4, FBG6 and the measured fiber gratings FBG1, FBG3, FBG5 can be calculated according to Equation 1 below.

[식 1][Formula 1]

Figure 112017033818791-pat00001
Figure 112017033818791-pat00001

식 1에서, ΔL은 기준 광섬유 격자(FBG2,FBG4,FBG6)와 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5) 간의 최대 허용 간격, c는 빛의 속도, Δλ는 페브리-페롯 조정 필터(124a)의 선폭, n은 광섬유(141)의 반사 지수, f는 광증폭기(122)에 의해 증폭되는 빛의 주파수, ΔλTF는 파장 훑음 레이저(120)의 3dB 밴드폭을 나타낸다. π는 비선형성(non-linearity)를 보상하기 위한 인자이다.The maximum allowable interval between the reference fiber gratings FBG2, FBG4 and FBG6 and the measured fiber gratings FBG1, FBG3 and FBG5, c is the speed of light, N is the reflection index of the optical fiber 141, f is the frequency of the light amplified by the optical amplifier 122, and [Delta] [lambda] TF is the 3 dB bandwidth of the wavelength sweep laser 120. [ π is a factor to compensate for non-linearity.

예를 들어, 기준 광섬유 격자(FBG2,FBG4,FBG6)와 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5) 간의 광학 거리는 상기 식 1에 따라, 수 내지 수십 cm 범위 내에서 결정될 수 있다.For example, the optical distance between the reference optical fiber gratings FBG2, FBG4, and FBG6 and the measurement optical fiber gratings FBG1, FBG3, and FBG5 may be determined within a range of several to several tens of cm, according to Equation 1 above.

일 예로, 주파수 조절부(124b)로부터 페브리-페롯 조정 필터(124a)로 41.370 kHz 주파수가 입력되면, 제1 광섬유 격자쌍(143)에서 그에 대응하는 반사 파장의 빛을 광선로(121)로 반사하게 되므로, 이때에는 제1 광섬유 격자쌍(143)에 가해지는 스트레인을 측정할 수 있다.For example, when a frequency of 41.370 kHz is input from the frequency adjusting unit 124b to the Fabry-Perot adjusting filter 124a, the first optical fiber grating pair 143 transmits the light of the corresponding reflection wavelength to the optical path 121 So that the strain applied to the first optical fiber grating pair 143 can be measured at this time.

다른 예로, 주파수 조절부(124b)로부터 페브리-페롯 조정 필터(124a)로 41.230 kHz 주파수가 입력되면, 제2 광섬유 격자쌍(144)에서 그에 대응하는 반사 파장의 빛을 광선로(121)로 반사하게 되며, 이때에는 제2 광섬유 격자쌍(144)에 가해지는 스트레인을 측정할 수 있다.As another example, when a frequency of 41.230 kHz is input from the frequency adjusting section 124b to the Fabry-Perot adjusting filter 124a, the second optical fiber grating pair 144 outputs the light of the corresponding reflection wavelength to the optical path 121 And at this time, the strain applied to the second pair of optical fiber gratings 144 can be measured.

또 다른 예로, 주파수 조절부(124b)로부터 페브리-페롯 조정 필터(124a)로 41.045 kHz 주파수가 입력되면, 제3 광섬유 격자쌍(145)에서 그에 대응하는 반사 파장의 빛을 광선로(121)로 반사하며, 이때에는 제3 광섬유 격자쌍(145)에 가해지는 스트레인을 측정할 수 있게 된다.As another example, when a frequency of 41.045 kHz is input from the frequency adjusting unit 124b to the Fabry-Perot adjusting filter 124a, the third optical fiber grating pair 145 transmits light of a corresponding reflection wavelength to the optical path 121, And at this time, the strain applied to the third pair of optical fiber gratings 145 can be measured.

이와 같이, 주파수 조절부(124b)에 의해 페브리-페롯 조정 필터(124a)로 입력되는 주파수를 조절하여 빛의 파장을 조정함으로써, 광섬유 격자 어레이(140)에서의 빛의 광경로를 조절할 수 있다. 따라서, 주파수 조절부(124b)에 의하여 어떤 광섬유 격자쌍(143,144,145)에서 빛이 반사되도록 할 것인지를 결정할 수 있으며, 스트레인이 가해지는 위치 또한 특정할 수 있게 된다.Thus, the frequency of the light in the optical fiber grating array 140 can be adjusted by adjusting the wavelength of the light by adjusting the frequency inputted to the Fabry-Perot adjusting filter 124a by the frequency adjusting unit 124b . Therefore, it is possible to determine by which of the optical fiber grating pairs 143, 144, and 145 the light is to be reflected by the frequency adjusting unit 124b, and the position where the strain is applied can also be specified.

일 실시예에서, 복수 개의 광섬유 격자쌍(143,144,145)에서 순차적으로 빛의 반사가 이루어지도록, 주파수 조절부(124b)는 페브리-페롯 조정 필터(124a)의 구동 주파수를 연속적, 순차적으로 조절할 수 있다. 따라서, 광섬유 격자 어레이(140)가 설치된 전체 구간에 대해 실시간으로 구조 안전을 감시할 수 있다.In one embodiment, the frequency adjustment unit 124b may continuously and sequentially adjust the driving frequency of the Fabry-Perot adjustment filter 124a so that light is sequentially reflected from the plurality of optical fiber grating pairs 143, 144, and 145 . Therefore, it is possible to monitor the structural safety in real time over the entire section where the optical fiber grating array 140 is installed.

스트레인 측정부(160)는 광커플러(128)를 통해 출력된 광신호를 시간 축 상에서 분석하고, 광신호의 피크의 시간 축 상에서의 변화량을 기반으로 광섬유 격자 어레이에 가해지는 스트레인을 측정한다.The strain measuring unit 160 analyzes the optical signal output through the optical coupler 128 on the time axis and measures the strain applied to the fiber grating array based on the amount of change of the peak of the optical signal on the time axis.

일 실시예에서, 스트레인 측정부(160)는 광섬유 라인(161), 광검출기(162), 광커플러(128)를 통해 광선로(121)에서 분기되어 출력된 광신호는 데이터 수집보드(data acquisition board)(163) 및 분석 장치(164)를 포함할 수 있다.In one embodiment, the strain measuring unit 160 detects an optical signal branched from the optical line 121 through the optical fiber line 161, the optical detector 162, and the optical coupler 128, board 163 and an analysis device 164.

광커플러(128)를 통해 광선로(121)로부터 분기되어 출력된 광신호는 광섬유 라인(161)을 통해 전달되어 광검출기(photo detector)(162)에 의해 검출되며, 광신호에 대응하는 전기적 신호가 데이터 수집보드(163)로 제공된다.The optical signal branched from the optical line 121 through the optical coupler 128 is transmitted through the optical fiber line 161 and is detected by a photo detector 162. The optical signal corresponding to the optical signal Is provided to the data collection board 163.

분석 장치(164)는 데이터 수집보드(163)로부터 소정의 샘플링 속도로 수집되는 전기적 신호를 제공받아 광섬유 격자 어레이(140)에 가해지는 스트레인을 측정한다.The analyzer 164 receives electrical signals collected at a predetermined sampling rate from the data collection board 163 and measures the strain applied to the fiber grating array 140.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 분석 장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 분석 장치(164)는 피크 검출부(1642), 비교부(1644), 피크차 산출부(1646) 및 고속푸리에 변환부(1648)를 포함한다.2 is a configuration diagram of an analyzer constituting an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 2, the analyzer 164 includes a peak detector 1642, a comparator 1644, a peak difference calculator 1646, and a fast Fourier transformer 1648.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 분석 장치에서 수행되는 동작 흐름도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 데이터 수집보드(163)로부터 전달되는 신호를 읽어 입력신호를 생성한다(S1,S2).3 is a flowchart illustrating an operation performed by an analyzer constituting an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 1 to 3, the signal transmitted from the data acquisition board 163 is read to generate an input signal (S1, S2).

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 파장 훑음 레이저로부터 출력되는 광신호를 파장 영역에서 나타낸 그래프와, 시간 영역에서 나타낸 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing the optical signal output from the wavelength-swept laser constituting the optical fiber sensor-based strain measuring device according to the embodiment of the present invention in a wavelength region and in a time domain.

도 4의 (a), (d)는 제1 광섬유 격자쌍(143)에 대한 측정 결과이고, 도 4의 (b), (e)는 제2 광섬유 격자쌍(144)에 대한 측정 결과이고, 도 4의 (c), (f)는 제3 광섬유 격자쌍(145)에 대한 측정 결과이다.4A and 4D are measurement results for the first optical fiber grating pair 143 and FIGS. 4B and 4E are measurement results for the second optical fiber grating pair 144, 4C and 4F are measurement results for the third pair of optical fiber gratings 145. FIG.

도 4의 (d), (e), (f)는 분석 장치(164)에서 입력신호를 시간 축에 따라 나타낸 그래프이다(S3).(D), (e), and (f) of FIG. 4 are graphs showing the input signals in the analyzer 164 along the time axis (S3).

파장 훑음 레이저(120)로부터 출력되는 광신호의 빛의 파장에 따라, 시간 축 상에서의 입력신호의 펄스의 위치(시각)가 변화하게 된다. 제1 내지 제3 광섬유 격자쌍(143,144,145)의 반사 파장이 모두 다르게 설계되어, 도 4에 도시된 바와 같이, 시간 영역에서 피크의 발생 위치(시각)가 상이하게 나타나는 것을 알 수 있다.The position (time) of the pulse of the input signal on the time axis changes in accordance with the wavelength of the light of the optical signal output from the wavelength sweep laser 120. [ It can be seen that the reflection wavelengths of the first to third optical fiber grating pairs 143, 144, and 145 are designed to be different from each other, and the generation position (time) of the peak appears different in the time domain as shown in FIG.

광섬유 격자쌍을 구성하는 기준 광섬유 격자와 측정 광섬유 격자에서 각각 빛의 반사가 이루어지므로, 기준 광섬유 격자와 측정 광섬유 격자의 반사 파장이 상이할 경우, 입력신호에는 시간 축 상에서 두 개의 펄스가 나타나게 된다.Since the light is reflected from the reference fiber grating and the measurement fiber grating that constitute the optical fiber grating pair, when the reflection wavelengths of the reference optical fiber grating and the measurement optical fiber grating are different, two pulses appear on the time axis in the input signal.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 파장 훑음 레이저에서 출력되는 광신호의 파장 변화와, 광신호를 시간 영역에서 측정한 피크들 간의 시간 간격(Peak distance)의 선형성을 보여주는 그래프이다.FIG. 5 and FIG. 6 are graphs showing changes in wavelength of an optical signal output from a wavelength-swept laser constituting an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention and a time interval between peaks measured in the time domain distance of the input signal.

도 5 및 도 6의 도시와 같이, 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 파장 훑음 레이저에서 출력되는 광신호의 파장과, 시간 영역에서 측정된 피크들 간의 시간 간격은 선형성을 나타내므로, 시간 영역에서 피크들 간의 시간 간격을 측정하여, 파장 변화를 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.5 and 6, since the wavelength of the optical signal output from the wavelength-swept laser constituting the optical fiber sensor-based strain measuring device and the time interval between the peaks measured in the time domain exhibit linearity, It can be seen that the wavelength change can be measured accurately by measuring the time interval between peaks.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 피크 검출부와 피크차 산출부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 피크 검출부(1642)는 기준 광섬유 격자(FBG2,FBG4,FBG6)에서 반사되는 빛에 의해 생성되는 광신호의 기준 피크 펄스(P2)와, 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5)에서 반사되는 빛에 의해 생성되는 광신호의 측정 피크 펄스(P1)를 검출한다(S4).7 is a view for explaining the operation of the peak detecting unit and the peak difference calculating unit included in the optical fiber sensor based strain measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. The peak detector 1642 detects the reference peak pulse P2 of the optical signal generated by the light reflected from the reference fiber gratings FBG2, FBG4 and FBG6 and the light reflected from the measurement optical fiber gratings FBG1, FBG3 and FBG5 (Step S4).

비교부(1644)는 피크 펄스(P1,P2)를 문턱값(threshold)과 비교하여, 피크 펄스의 세기가 문턱값 이상인 경우 피크로 인식하고, 문턱값보다 작은 경우 피크로 인식하지 않는다(S5,S6).The comparator 1644 compares the peak pulses P1 and P2 with a threshold to recognize the peak pulse as a peak when the intensity of the peak pulse is equal to or higher than the threshold and does not recognize the peak as a peak when the intensity is lower than the threshold, S6).

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 피크차 산출부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 1 내지 도 3, 도 7, 도 8을 참조하면, 피크차 산출부(1646)는 기준 피크 펄스(P2)와 측정 피크 펄스(P1) 간의 시간 간격(Δt)을 실시간 측정한다(S7).8 is a view for explaining the operation of the peak-difference calculating unit of the optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 1 to 3, 7 and 8, the peak-difference calculator 1646 real-time-measures the time interval? T between the reference peak pulse P2 and the measured peak pulse P1 (S7).

도 8은 피크차 산출부(1646)에 의해 산출된 기준 피크 펄스(P2)와 측정 피크 펄스(P1) 간의 시간 간격(Δt)을 시간 축 상에 나타낸 그래프이다(S8). 피크차 산출부(1646)는 도 8과 같이 측정된 시간 간격(Δt)의 변동량(진폭)에 기초하여 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5)에 인가되는 스트레인의 세기를 측정한다.8 is a graph showing the time interval? T between the reference peak pulse P2 and the measured peak pulse P1 calculated on the time axis by the peak difference calculator 1646 (S8). The peak-difference calculator 1646 measures the intensity of the strain applied to the measurement optical fiber gratings FBG1, FBG3, FBG5 based on the variation (amplitude) of the measured time interval? T as shown in Fig.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치를 구성하는 고속푸리에 변환부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 고속푸리에 변환부(1648)는 기준 피크 펄스와 측정 피크 펄스 간의 시간 간격(Δt)의 시변동 데이터를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하여, 측정 광섬유 격자(FBG1,FBG3,FBG5)에 인가되는 스트레인의 주파수 성분을 분석한다(S9,S10).9 is a view for explaining the operation of a fast Fourier transformer constituting an optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. The fast Fourier transform unit 1648 performs Fast Fourier Transform on the time-varying data of the time interval t between the reference peak pulse and the measured peak pulse to calculate a strain Fs (FBG1, FBG3, FBG5) (S9, S10).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치는 스트레인에 따라 동적으로 변화하는 광센서 신호의 파장 영역 응답 특성 대신, 시간 축 상에서의 펄스 위치 변화를 측정함으로써, 동적으로 변하는 스트레인을 실시간으로 측정할 수 있다.As described above, the optical fiber sensor-based strain measuring apparatus according to the embodiment of the present invention measures the pulse position change on the time axis instead of the wavelength range response characteristic of the optical sensor signal that varies dynamically according to the strain, Variable strains can be measured in real time.

시간 영역에서는 고속의 광 검출기와 오실로스코프를 이용하여 고속으로 변하는 두 펄스 피크 사이의 간격을 실시간으로 모니터할 수 있다. 따라서, 본 발명의 경우, 파장 영역의 분석 방식보다 응답 속도가 훨씬 빠르고 복잡한 신호 처리가 필요 없으며, 연산량이 적기 때문에, 구조 건축물의 동적 변화를 지연 시간 없이 실시간으로 모니터링할 수 있다.In the time domain, high-speed photodetectors and oscilloscopes can be used to monitor the interval between two pulse peaks at high speed in real time. Therefore, in the present invention, since the response speed is much faster than that of the wavelength region analysis, complicated signal processing is not required, and the computation amount is small, the dynamic change of the structure can be monitored in real time without delay time.

본 발명의 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치는 대형 건축물이나 구조물에 광섬유 격자를 삽입하여 진동이나 균열 등에 의한 동적 스트레인 변화를 실시간으로 모니터링하여 구조물 안전을 감시하는데 응용될 수 있다. 특히, kHz 급으로 빠르게 변화하는 동적 변화에 대해 신호처리 지연 없이 실시간 모니터링 가능하여, 위험을 조기에 발견하여 대응 조치를 신속하게 취하여 사고를 방지할 수 있다.The optical fiber sensor-based strain measuring device of the present invention can be applied to inspect structural safety by monitoring a dynamic strain change due to vibrations or cracks in real time by inserting an optical fiber grating into a large building or structure. In particular, it is possible to monitor in real time without signal processing delay for dynamic change rapidly changing in kHz level, so that danger can be detected early and the countermeasure can be taken quickly to prevent accidents.

본 발명의 실시예에 따라 수행되는 스트레인 측정 방법은 예를 들어 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 SRAM(Static RAM), DRAM(Dynamic RAM), SDRAM(Synchronous DRAM) 등과 같은 휘발성 메모리, ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Electrically Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable and Programmable ROM), 플래시 메모리 장치, PRAM(Phase-change RAM), MRAM(Magnetic RAM), RRAM(Resistive RAM), FRAM(Ferroelectric RAM)과 같은 불휘발성 메모리, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 광학적 판독 매체 예를 들어 시디롬, 디브이디 등과 같은 형태의 저장매체일 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The strain measurement method performed in accordance with an embodiment of the present invention can be implemented in a general-purpose digital computer that can be created as a program that can be executed on a computer, for example, and operates the program using a computer-readable recording medium . The computer readable recording medium may be a volatile memory such as SRAM (Static RAM), DRAM (Dynamic RAM), SDRAM (Synchronous DRAM), ROM (Read Only Memory), PROM (Programmable ROM), EPROM (Electrically Programmable ROM) Non-volatile memory such as EEPROM (Electrically Erasable and Programmable ROM), flash memory device, Phase-change RAM (PRAM), Magnetic RAM (MRAM), Resistive RAM (RRAM), Ferroelectric RAM But are not limited to, optical storage media such as CD ROMs, DVDs, and the like.

이상의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.It is to be understood that the above-described embodiments are provided to facilitate understanding of the present invention, and do not limit the scope of the present invention, and it is to be understood that various modified embodiments are also within the scope of the present invention. It is to be understood that the technical scope of the present invention should be determined by the technical idea of the claims and the technical scope of protection of the present invention is not limited to the literary description of the claims, To the invention of the invention.

100: 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치
120: 파장 훑음 레이저
121: 광선로
122: 광증폭기
123: 써큘레이터
124: 광경로 조정부
124a: 페브리-페롯 조정 필터
124b: 주파수 조절부
125: 지연라인
126a,126b: 편광조절기
127a,127b: 아이솔레이터
128: 광커플러
140: 광섬유 격자 어레이
141: 광섬유
142,146,147: 단일모드 광섬유
143,144,145: 광섬유 격자쌍
160: 스트레인 측정부
161: 광섬유 라인
162: 광검출기
163: 데이터 수집보드
164: 분석 장치
1642: 피크 검출부
1644: 비교부
1646: 피크차 산출부
1648: 고속푸리에 변환부
FBG1,FBG3,FBG5: 측정 광섬유 격자
FBG2,FBG4,FBG6: 기준 광섬유 격자
100: Fiber-optic sensor-based strain measuring device
120: Wavelength scanning laser
121: Light ray
122: optical amplifier
123: Circulator
124:
124a: Petri-Perot adjustment filter
124b:
125: delay line
126a, 126b: polarization controller
127a, 127b: isolator
128: Optocoupler
140: Fiber Bragg Grating Array
141: Optical fiber
142,146,147: Single mode fiber
143,144,145: Fiber grating pair
160: Strain measuring unit
161: fiber optic line
162: Photodetector
163: Data collection board
164: Analyzer
1642:
1644:
1646: Peak difference calculation section
1648: Fast Fourier transform unit
FBG1, FBG3, FBG5: Measuring fiber grating
FBG2, FBG4, FBG6: Reference fiber grating

Claims (5)

링 형태의 광선로와, 상기 광선로에 마련되어 소정의 파장 대역의 빛을 증폭시키는 광증폭기와, 상기 광선로에 마련되어 빛의 방향을 한쪽으로 제한하는 써큘레이터와, 상기 광선로에 마련되고 빛의 파장을 가변시켜 광경로를 조정하는 페브리-페롯 조정 필터와, 상기 광선로에 마련되어 상기 광선로에 흐르는 광신호를 분기시켜 출력하는 광커플러를 포함하는 파장 훑음 레이저;
상기 광선로에 흐르는 빛이 유입되도록 상기 광선로에 결합되고, 상기 페브리-페롯 조정 필터에 의해 조정된 광경로를 따라 흐르는 소정의 파장의 빛을 상기 광선로로 반사시키며, 스트레인에 따라 상기 광선로로 반사시키는 빛의 반사 파장이 변화되는 광섬유 격자 어레이; 및
상기 광커플러를 통해 출력된 상기 광신호를 시간 축 상에서 분석하고, 상기 광신호의 피크의 시간 축 상에서의 변화량을 기반으로 상기 광섬유 격자 어레이에 가해지는 상기 스트레인을 측정하는 스트레인 측정부;를 포함하고,
상기 광섬유 격자 어레이는,
상기 광선로에 흐르는 빛이 유입되도록 상기 광선로에 결합되는 광섬유; 및
상기 광섬유에 직렬 연결되는 복수 개의 광섬유 격자쌍을 포함하고,
각각의 광섬유 격자쌍은 상기 스트레인이 작용되지 않도록 마련되는 기준 광섬유 격자와, 상기 스트레인이 작용될 수 있도록 마련되는 측정 광섬유 격자를 포함하는 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치.
An optical amplifier provided in the optical line and amplifying light in a predetermined wavelength band; a circulator provided in the optical line to limit the direction of light to one side; and a light source provided in the optical line, A Fabry-Perot adjustment filter for adjusting an optical path, and an optical coupler provided in the optical path for branching and outputting an optical signal flowing through the optical path;
The optical fiber is coupled to the optical line so that light passing through the optical line is introduced into the optical line, and reflects light of a predetermined wavelength that flows along the optical line adjusted by the Fabry-Perot adjustment filter to the optical line, An optical fiber grating array whose light reflection wavelength is changed; And
And a strain measurement unit for analyzing the optical signal output through the optical coupler on a time axis and measuring the strain applied to the optical fiber grating array based on a change amount on a time axis of a peak of the optical signal ,
The optical fiber grating array includes:
An optical fiber coupled to the optical line to allow light to flow through the optical line; And
And a plurality of pairs of optical fiber gratings connected in series to the optical fiber,
Wherein each pair of optical fiber gratings includes a reference fiber grating provided so that the strain is not applied and a measurement optical fiber grating provided so that the strain can be applied.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 복수 개의 광섬유 격자쌍은 소정의 광학 거리 이상 이격되어 배치되고,
상기 광섬유의 반사 지수, 상기 페브리-페롯 조정 필터의 선폭, 상기 광증폭기에 의해 증폭되는 빛의 주파수 및 상기 파장 훑음 레이저의 파장 밴드폭을 기반으로 상기 광섬유 격자쌍의 최대 허용 간격을 산출하는 연산부;를 더 포함하고,
상기 기준 광섬유 격자와 상기 측정 광섬유 격자는 상기 최대 허용 간격 이하의 광학 거리를 갖도록 배치되는 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치.
The method according to claim 1,
The plurality of pairs of optical fiber gratings are spaced apart from each other by a predetermined optical distance,
Calculating a maximum permissible interval of the pair of optical fiber gratings based on a reflection index of the optical fiber, a line width of the Fabry-Perot adjustment filter, a frequency of light amplified by the optical amplifier, and a wavelength band width of the wavelength- ; ≪ / RTI >
Wherein the reference optical fiber grating and the measurement optical fiber grating are disposed so as to have optical distances equal to or less than the maximum allowable distance.
제1 항에 있어서,
상기 스트레인 측정부는,
상기 기준 광섬유 격자에서 반사되는 빛에 의해 생성되는 상기 광신호의 기준 피크 펄스와, 상기 측정 광섬유 격자에서 반사되는 빛에 의해 생성되는 상기 광신호의 측정 피크 펄스를 검출하는 피크 검출부;
상기 기준 피크 펄스와 상기 측정 피크 펄스 간의 시간 간격을 실시간 측정하고, 상기 기준 피크 펄스와 상기 측정 피크 펄스 간의 시간 간격에 기초하여 상기 측정 광섬유 격자에 인가되는 스트레인의 세기를 측정하는 피크차 산출부; 및
상기 기준 피크 펄스와 상기 측정 피크 펄스 간의 시간 간격의 시변동 데이터를 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하여 상기 측정 광섬유 격자에 인가되는 스트레인의 주파수 성분을 분석하는 고속푸리에 변환부;를 포함하는 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치.
The method according to claim 1,
The strain measuring unit includes:
A peak detector for detecting a reference peak pulse of the optical signal generated by the light reflected by the reference fiber grating and a measured peak pulse of the optical signal generated by the light reflected by the measurement optical fiber grating;
A peak difference calculator for measuring a time interval between the reference peak pulse and the measurement peak pulse in real time and measuring the intensity of a strain applied to the measurement optical fiber grating based on a time interval between the reference peak pulse and the measurement peak pulse; And
And a fast Fourier transformer for analyzing a frequency component of a strain applied to the measurement optical fiber grating by fast Fourier transforming time-varying data of a time interval between the reference peak pulse and the measurement peak pulse, Based strain measuring device.
제1 항에 있어서,
상기 파장 훑음 레이저는,
상기 복수 개의 광섬유 격자쌍에서 순차적으로 빛의 반사가 이루어지도록, 상기 페브리-페롯 조정 필터의 구동 주파수를 조절하는 주파수 조절부;를 더 포함하는 광섬유 센서 기반 스트레인 측정 장치.
The method according to claim 1,
The wavelength-
The optical fiber sensor-based strain measuring device according to claim 1, further comprising a frequency adjusting unit adjusting a driving frequency of the Fabry-Perot adjusting filter so that light is sequentially reflected from the plurality of pairs of optical fiber gratings.
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