KR101953281B1 - 설치 및 환경에 의한 오차가 없는 광섬유 센서를 이용한 센싱시스템 - Google Patents

설치 및 환경에 의한 오차가 없는 광섬유 센서를 이용한 센싱시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 기반의 광센서를 이용하는 센싱시스템에 관한 것이다.
센싱시스템은 제1파장 및 제2파장을 가지는 광신호를 선택적 또는 동시에 송출하는 광원부, 제1파장의 광신호는 반사시키고, 제2파장의 광신호는 통과시키는 필터부, 상기 필터부와 상기 광원부 사이에 위치하는 광선로부, 상기 제2파장의 광신호를 반사시키고, 상기 필터부의 종단에 결합되는 센서부, 상기 반사된 제1파장 및 제2파장의 광신호를 선택 또는 분리하여 수신하는 포토다이오드를 포함하는 수신부, 상기 광원부 및 수신부를 제어 및 상기 광신호들의 세기를 분석하는 제어부를 포함하고, 상기 반사되는 제2파장의 광신호는 센싱되는 이벤트에 따라서, 광신호의 세기가 변하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 광선로부가 받는 외부 영향을 제외하고, 정확한 센싱정보만을 획득할 수 있는 효과가 있다.

Description

설치 및 환경에 의한 오차가 없는 광섬유 센서를 이용한 센싱시스템{SENSING SYSTEM USING OPTICAL FIBER SENSOR FOR WITHOUT ERROR INDUCED BY INSTALLATION OR CIRCUMSTANCE}
본 발명은 광섬유를 이용한 센싱 분야에 관한 것으로, 상세하게는, 광섬유를 이용한 센서를 설치할 때, 발생하는 오차 및 외부환경영향에 의한 오차를 없애는 센싱시스템에 관한 것이다.
광섬유를 이용한 센서는 센서 주변에 전기가 없어도 되고, 정밀도 등의 장점때문에 온도, 비틀림, 지진 등 다양한 분야에서 널리 사용되어지고 있다.
광섬유를 이용한 센서는 센서를 설치하는 지역까지 광섬유가 연결된 센서를 가지고 가서, 통상 설치를 하게 된다. 센서를 연결하는 상기 광섬유를 통상 매설을 하게 된다.
광섬유를 이용하는 센서는 광신호를 보내서, 센서에 의해서 반사되는 신호의 크기, 위상, 주파수 등의 정보를 이용해서, 센싱을 하게 된다.
광섬유는 특성상 벤딩, 수분 등의 외적 요인에 의해서 광섬유를 지나가는 빛의 크기 또는 파장의 특성이 변하게 된다. 이런 외적 요인은 광섬유를 이용한 센서의 상용화에 큰 제약이 왼다.
광섬유는 전선과 다르게 굉장히 민감한 미디엄이다. 물론, 상용화된 제품들은 철심 또는 두꺼운 피복으로 보호를 하고 있지만, 여전히 위에서 언급한 벤딩 등에 외적 요인에 굉장히 민감하고, 외부 충격에도 민감하다.
그러나, 광섬유를 이용한 센서를 설치하시는 분들이 광섬유의 전문가가 아닌 경우가 대부분이고, 광섬유를 다루는 법에 대해서도 숙지가 안된 경우가 많다.
필드에서는 광섬유를 이용하는 센서에서 센싱되는 값이 센서에 의한 것인지, 매설된 광섬유의 외부환경에 의한 것인지 판단하기 힘들다. 보통 이런경우 OTDR과 같은 장비를 이용해서 매설된 광섬유의 상태를 확인하게 된다.
OTDR을 사용하기 위해서는 센싱을 위한 광신호를 멈추고, OTDR 장비를 이용하게 된다. OTDR 장비를 이용하면 장비가 고가이기도 하지만, 센싱되는 정보에 대하 실시간 정보가 아니어서, 반사된 광신호가 센싱된 이벤트에 대한 문제인지, 아니면 매설된 광섬유의 외부의 영향에 대한 문제인지 정확히 판단이 안되는 경우가 대부분이다.
광섬유를 이용한 센서를 이용하는 센싱시스템에서, 센싱되는 이벤트 외에 센서까지 연결된 광섬유의 외부 영향 및 설치시 오류 등에 영향 없이 정확히 센싱는 것이 본 발명의 해결하고자 하는 과제이다.
또한, 이런 센싱시스템에 적합한 광섬유를 이용한 진동 광섬유 센서를 제공하는 것이 본 발명의 해결하고자 하는 과제이다.
상기 과제를 해결하기 위한 광섬유를 이용한 센싱시스템은 제1파장 및 제2파장을 가지는 광원을 송출하는 광원부(400), 제1파장은 반사시키고, 제2파장은 통과시키는 필터부(200), 상기 필터부와 상기 광원부(400) 사이에 위치하는 광선로부(600), 상기 제2파장의 광원을 반사시키는 센서부(100), 상기 제1파장 및 제2파장의 광원을 선택 또는 분리하여 수신하는 포토다이오드를 포함하는 수신부(400), 상기 광원부(400) 및 수신부를 제어하는 제어부(700)를 포함하고, 상기 반사되는 제2파장의 광원은 센싱되는 이벤트에 따라서, 광원의 세기 또는 파장이 변하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원부(400)에서 송출하는 광원과 상기 필터부와 센서부로부터 반사되는 광원을 분리하는 분리부(500)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 필터부(200)는 상기 광선로부(600)의 종단에 위치하는 제1연결부재(210), 상기 센서부(100)의 시단에 위치하는 제2연결부재(220), 상기 제1연결부(210)재와 제2연결부(220)재사이에 위치하는 필터(230)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서부는 지진 또는 진동을 감지하는 센서이고, 상기 센서부는 통형상의 구조를 가지며, 내부에는 중심광섬유(110), 무게추(120), 반사부(140)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 센서부는 상기 중심광섬유(110)의 종단에 위치하는 콜리메이터(130) 및 중심광섬유(110)을 지지하는 지지하는 지지부(150)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 효과는 외부 영향 및 설치 시 생기는 오차 등을 없애고, 실제 원하는 센싱 이벤트 정보를 정확히 획득할 수 있다.
또한, OTDR과 같은 별도의 장비 없이도, 선로의 상태를 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
도 1 본 발명의 일 실시예
도 2 본 발명의 필터부와 센서부의 일 실시예
도 3 본 발명의 수신부와 광원부의 일 실시예
도 4 본 발명의 필터부의 일 실시예
본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자,단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
광섬유를 이용하는 센싱시스템은 광원부(400), 필터부(200), 광선로부(600), 광선로부(600), 센서부(100), 수신부, 제어부(700)를 포함한다.
상기 광원부(400)는 제1파장 및 제2파장을 가지는 두 개의 광원을 송출할 수 있는 제1 레이저다이오드(410) 및 제2 레이저다이오드(420)와 레이저 다이오드를 구동하고 제어할 수 있는 제어회로들로 구성이 된다. 제1파장 및 제2파장은 소정의 파장 간격을 두고 있다. 여기서 소정의 파장 간격은 시스템 설계자가 필요 시 선택할 수 있고, 이는 필터부(200)의 특성에 따라서 결정되어 질 것이다.
제1파장 및 제2파장의 광원을 가지는 레이저 다이오드는 일정한 파워가 유지되는 CW광신호를 보낼 수도 있고, 변조된 광신호를 보낼 수도 있고, 펄스 타입의 광신호를 보낼 수도 있다.
제1파장의 광원은 기준신호이고, 제2파장의 광원은 센싱신호이다. 따라서, 제2파장의 광원은 센싱을 하기 위해서는 센싱하는 동안에는 계속적으로 송출을 해야하고, 제1파장의 광원은 계속적, 주기적, 선택적으로 송출할 수 있다. 즉, 제1파장 광원을 송출하는 동안에는 제2파장 광원을 잠시 송출하지 않고, 제1파장의 광원의 송출을 멈추면, 제2파장 광원을 송출하는 식으로 운용할 수 있다.
또한, 제1파장 및 제2파장의 광원을 별도의 레이저 다이오드를 사용하지 않고, 파장가변 레이저 다이오드를 이용하여, 기준신호를 송출하여, 상태를 확인하고, 센싱신호에 맞는 레이저를 송출하여 센싱을 할 수 있다.
제1 레이저 다이오드 및 제2 레이저 다이오드의 출력은 결합부(430)에 의해서 결합되고, 결합부(430)는 2:1 커플러 또는 파장다중화기 등을 사용할 수 있다. 결합부(430)의 출력은 광선로부(600)에 커플링되어진다.
광선로부(600)는 센서부(100)와 송신부를 이격하여 사용할 경우, 통상 땅에 매설되거나, 구조물에 삽입이 되어진다. 그러나 광선로부(600)는 매설 또는 삽입과정에서 벤딩을 로스가 발생하고, 운용중에 벤딩이 될 수도 있는 등, 여러가지 외부 영향을 받게 된다. 광섬유는 앞서 설명한 바와 같이 벤딩 등 외부영향에 의해서 센싱신호의 값이 변경되어지기 때문에 센싱데이터의 신뢰도에서 오류를 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해서는 광선로부(600) 종단에 필터부(200)를 결합시키고, 필터부(200) 종단에 센서부(100)를 결합시킨다. 필터부(200)는 제1파장의 광신호를 반사시키고, 제2파장의 광신호는 센서부(100)로 보내게 된다. 이럴 경우 반사되는 제1파장의 광신호의 크기 등의 정보를 이용해서 광선로의 상태를 알 수 있게 된다. 그 이유는 센서부(100) 앞에서 반사가 이루어지기 때문에 센싱되는 이벤트 정보가 들어 있지 않고, 오직 광선로부(600)의 상태만을 체크되어지기 때문이다.
필터부(200)는 센서부(100)와 일체형으로 제작할 수 있다. 하지만, 시공 성능을 높이기 위해서 커넥터 타입으로 제1연결부(210), 제2연결부(220)를 구비하고, 그 사이에 필터(230)가 위치하는 필터부(200)로 구성을 할 수 있다. 제1/2 연결부에는 인입광섬유(240)와 출입광섬유(250)가 각각 내부에 위치되어 있다. 제1/2 연결부는 SC, LC에 사용되는 페룰로 구성을 해도 된다. 또한, 필터(230)는 어댑터에 내장하여, 제1연결부(210)와 제2연결부(220)가 커넥터타입으로 상기 어뎁터를 이용하여 결합되게 구성할 수 있다.
필터부(200)를 통과한 제2광원을 갖는 광신호는 광섬유를 이용하는 센서로 들어가서 센서에 의해서 크기가 변화되거나 주파수가 변화된 광신호로 반사되어 다시 광선로부(600)는 통해서 수신부로 향하게 된다.
수신부(300) 앞에는 반사되어 오는 제1파장, 제2파장 광원을 광원부(400)로 가지 않게 하고, 수신부(300)로 오게 하는 분리부(500)가 있다. 분리부(500)는 서큘레이터, 아이솔레이터, 45도 미러를 이용하는 구조 등이 있다.
수신부(300)에 입력된 반사된 제1파장, 제2파장의 광신호는 두 파장을 분리해야 한다. 두 파장을 분리하는 것은 센서부(100) 앞에 위치한 필터(230)와 같은 필터(230)와 미러를 이용해서 구현할 수 있고, 도 2처럼 렌즈(330), 경사지게 위치하는 수신필터(340), 그린렌즈(350), 듀얼 광성유 지지부, 제1 수신광섬유, 제2 수신광섬유를 이용해서 구현할 수 있다.
분리된 제1파장, 제2파장의 광신호는 제1 포토다이오드(310)와 제2 포토다이오드(320)에 의해서 수신되고, 포토다이오드로부터 검출된 전류의 세기를 광신호의 세기로 환산하여, 센서부(100)의 상태, 광선로부(600)의 상태를 감지할 수 있다.
광원부(400)에서 선택적으로 제1파장 광신호와 제2파장 광신호를 송출하는 경우, 즉 광선로부(600)의 상태를 확인하기 위해서 먼저 제1파장의 광신호를 선택해서 보내고, 제1파장의 광신호를 수신한 후에, 제2파장의 광신호를 송출하는 경우에는 수신부(300)에서 제1파장 광신호와 제2파장 광신호를 분리할 필요 없고, 포토다이오드도 1개로 선택적으로 받을 수 있다. 이는 센싱시스템을 어떻게 운용하는지에 따라 결정된다.
하지만, 정확도를 높이기 위해서는 제1/2 파장 광신호를 상시 송출하는 것이 좋다. 다만, 외부환경에 광선로부(600)가 계속적으로 바뀌지 않고, 처음 설비, 일정 시간동안 관찰하는 경우에는 선택적으로 사용하는 것도 시스템 비용 측면에서는 저렴하다.
반사된 제1파장의 광신호의 세기 등에 의해서 광선로부(600)의 상태가 확인한 경우, 상태를 고려하여 반사된 제2파장의 광신호의 세기 등을 보정을 해준다. 그러면 광선로부(600)의 상태를 고려하여 정확한 센싱을 할 수 있게 된다.
또한, 제1파장의 광신호와 제2파장의 광신호를 동시에 수신하고 있는 경우, 제2파장의 광신호의 세기 변화가 있으면 통상 센서에 의한 변화라고 판단될 수도 있지만, 이 경우 제1파장의 광신호의 세기가 같이 변하는 경우에는 반사된 제2파장의 광신호의 세기 변화가 센서에 의한 변화라고 판단을 할 수 없다. 다만, 제1파장의 광신호의 세기 변화와 제2파장의 광신호의 세기 변화가 파장별 세기 변화표(파장 별 벤딩 로스 등은 주지의 정보이다.)에 매핑했을 때 동일한 경우에는 광선로부(600)에 의한 센서라고 판단할 수 있다.
광섬유를 이용하는 센서는 온도, 진동 등의 센서로 사용이 된다. 특히 진동 센서의 경우에는 거리가 많이 떨어져 있는 산에 설치하여 산사태 등에 사용을 할 수 있는 큰 장점을 보유하고 있다.
도 4는 광섬유를 이용한 진동 감지 센서이다. 출입광섬유(250)와 연결되는 중심광섬유(110)는 종단에 무게추(120)가 연결된다. 무게추(120) 내로 중심광섬유(110)가 관통하고, 고정을 하거나, 중심광섬유(110) 주위로 무게추(120)를 결합할 수도 있다. 제2파장 광신호는 무게추(120) 종단의 중심광섬유(110)에 의해서 방사되고, 방사된 제2파장의 광신호는 반사부(140)에 의해서 다시 중심광섬유(110)로 인입되어 수신부(300)로 가게 된다. 이 때 중심광섬유(110)를 반사부(140)와 직각이 되는 것이 바람직하다.
진동이 있을 경우에는 중심광섬유(110)는 흔들리게 되고, 그러면, 반사부(140)에 의해서 반사된 제2파장의 광신호는 중심광섬유(110)로 인입을 하지 못하거나, 일부만 인입을 하게 될 것이다. 그러면, 수신부(300)에서 수신되는 제2파장의 광신호의 세기는 줄어들 것이고, 그 줄어든 신호세기로 현재, 진동이 있다는 것을 감지할 수 있을 것이다.
무게추(120)에 연결된 중심광섬유(110)의 종단에는 제2파장의 광신호의 방사 및 인입이 용이하게 하기 위해서 콜리메이터(130) 및/또는 렌즈를 더 추가할 수 있다.
센서가 진동함에 있어서 중심광섬유(110)가 흔들리는 폭을 조정하기 위해서 지지부(150)를 별도로 구성할 수 있다. 지지부(150)는 도면처럼 중심광섬유(110)와 결합되어 있는 형태가 될 수도 있고, 무게추(120)를 지지하는 형태가 될 수 있다. 또한 센서부(100)의 케이스를 작게 만들어서 움직이는 폭을 제한할 수 있다. 이런한 조정은 센서의 다이나믹 레인지, 감도 등을 고려해서 설정할 수 있다.
본 발명의 실시를 위한 다른 예는 광섬유 센서를 이용한 센싱방법이다. 센싱방법은 광원부(400)가 제1파장 및 제2파장을 가지는 2 개의 광원을 이용(제1파장 및 제2파장을 송출할 수 있는 파장가변 광원으로 사용도 가능하다.)하여, 제1파장의 광신호를 송출하는 단계, 필터부(200)에서 제1파장의 광신호를 반사하는 단계, 반사된 제1파장의 광신호를 수신하는 단계, 수신된 제1파장의 광신호의 세기를 판단하는 단계, 제2파장의 광신호를 송출하는 단계, 필터부(200)는 제2파장의 광신호를 통과시키고, 센서부(100)에 의해서 제2파장의 광신호를 반사시키는 단계; 반사시킬 때, 센싱되는 정보를 감지하는 단계, 반사된 제2파장의 광신호의 세기를 판단하는 단계, 상기 반사된 제1파장의 광신호로부터 광선로의 정보를 이용하여 제2파장의 광신호의 세기를 분석하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 과정을 반복적으로 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 광신호는 CW, 펄스, 변조된 광신호를 사용할 수 있다.
본 발명의 실시를 위한 다른 센싱방법의 실시예는 제1파장 및 제2파장을 가지는 광신호를 동시에 송출하는 단계, 필터부(200)에 의해서 제1파장 광신호가 반사되는 단계, 센서부(100)에 의해서 제2파장의 광신호가 반사되는 단계, 제1파장의 광신호의 세기를 측정하는 단계, 제2파장의 광신호의 세기를 측정하는 단계, 제1파장의 광신호의 세기를 기초로 제2파장의 광신호의 세기를 분석하는 단계를 포함하고, 상기 과정을 반복적으로 계속 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한 상기 광신호는 CW, 펄스, 변조된 광신호를 사용할 수 있다.

100 센서부
200 필터부
300 수신부
400 광원부
500 분리부
600 광선로부
700 제어부
110 중심광섬유
120 무게추
130 콜리메이터
140 반사부
150 지지부
210 제1연결부
220 제2연결부
230 필터
240 인입광섬유
250 출입광섬유
310 제1 포토다이오드
320 제2 포토다이오드
330 렌즈
340 수신필터
350 그린렌즈
360 듀얼 광섬유 지지부
370 제1 수신광섬유
380 제2 수신광섬유
410 제1 레이저다이오드
420 제2 레이저다이오드
430 결합부

Claims (4)

  1. 제1파장 및 제2파장을 가지는 광신호를 선택적 또는 동시에 송출하는 광원부;
    제1파장의 광신호는 반사시키고, 제2파장의 광신호는 통과시키는 필터부;
    상기 필터부와 상기 광원부 사이에 위치하는 광선로부;
    상기 제2파장의 광신호를 반사시키고, 상기 필터부의 종단에 결합되는 센서부;
    상기 반사된 제1파장 및 제2파장의 광신호를 선택 또는 분리하여 수신하는 포토다이오드를 포함하는 수신부;
    상기 광원부 및 수신부를 제어 및 상기 광신호들의 세기를 분석하는 제어부;
    상기 광원부에서 송출하는 광신호와 상기 필터부와 센서부로부터 반사되는 광신호를 분리하는 분리부를 포함하고,
    상기 필터부는,
    상기 광선로부의 종단에 위치하는 제1연결부, 상기 센서부의 시단에 위치하는 제2연결부, 상기 제1연결부와 제2연결부 사이에 위치하는 필터를 포함하며,
    상기 센서부는 중심광섬유, 무게추, 반사부를 포함하며,
    상기 중심광섬유의 종단에는 상기 무게추가 연결되고,
    상기 무게추 내로 상기 중심광섬유가 관통하여 고정되며,
    상기 제2파장의 광신호는 무게추 종단의 중심광섬유에서 방사되고,
    상기 방사된 제2파장의 광신호는 상기 반사부에 의해서 반사되어, 다시 중심광섬유로 인입되고,
    상기 인입된 제2파장 광신호는 상기 수신부에 의해서 수신되어 제2파장의 광신호의 세기가 분석되며,
    상기 제2파장의 광신호의 세기는 상기 중심광섬유의 흔들리는 폭에 의해서 결정되고,
    상기 센서부는,
    상기 중심광섬유에 결합되어 있고, 상기 중심광섬유의 흔들리는 폭을 조정하기 위한 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 센싱시스템.
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