KR102137255B1 - 침수 및 누수 감지를 위한 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 시스템 - Google Patents

침수 및 누수 감지를 위한 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 시스템 Download PDF

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Abstract

침수 및 누수 감지를 위한 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 시스템을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 코어와 클래드를 포함하는 광섬유, 상기 광섬유를 각각 포함하며, 제1 연결부, 제2 연결부를 포함하고, 상기 제1 연결부 종단의 광출력이 상기 제2 연결부 일단의 광입력으로 커플링되며, 상기 제2 연결부의 타단은 상기 제1 연결부의 입력으로 들어온 출력광원을 출력하고, 상기 출력된 광원은 수침부를 지나서, 미러부에 의해 반사되어, 다시 상기 제2 연결부의 타단으로 커플링되는 것을 특징으로 하는 침수 및 누수를 센싱할 수 있는 광섬유 센서 및 이를 이용한 시스템을 제공한다.

Description

침수 및 누수 감지를 위한 광섬유 센서 및 이를 이용한 센싱 시스템{Optical Fiber Sensor for Submersion and Leakage Detection and Sensing System Using Thereof}
본 발명은 침수 및 누수를 정확하게 감지할 수 있는 광섬유 센서와 이를 이용한 침수 및 누수 감지 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
20세기 이후 지구는 많은 기상이변으로 인해 자연재해의 위험성이 더욱 커지고 있다. 특히, 토목 및 건축 구조물들의 대형화는 이러한 구조물의 붕괴에 따른 재해 규모를 더욱 크게 하는 요인이 되고 있다.
특히, 댐 계측의 경우, 댐의 변위를 기록하는 계측기는 대부분 자동계측을 요하지만, 댐체의 변형이나 댐체 외벽의 변형 및 변위는 수동계측에 의존하는 것이 일반적이다. 이와 같이, 댐체의 변형 등에 따른 위험상황이 발생할 경우, 경계발령 및 사후조치 등의 조속한 시행이 사실상 불가능하다. 따라서, 만에 하나 발생할 수 있는 댐의 붕괴에 따른 신속한 대응이 불가능하다는 문제점이 있다.
또한, 하천 등의 물이 존재하는 곳이나, 저수지와 같이 물을 보관하는 곳에서는 침수 및 누수가 심각한 문제로 작용한다. 그런데 물이 보관되는 장소의 특성상, 침수 및 누수는 육안으로 확인하는 것이 매우 어려운 실정이다. 이에, 많은 비용을 들여 이를 감지하는 센서를 전반적으로 설치해야 하나, 센서의 설치 비용, 실효성 문제 등에 의해 기본적으로 침수 및 누수를 감지하는 센서가 설치된 사례가 많지 않다는 것이 한계로 작용하고 있다.
한편, 광섬유 센서(Optical Fiber Sensor)는 초정밀 광대역 측정이 가능하고 전자파의 영향를 받지 않으며, 원측정이 용이하다. 더불어, 광섬유의 센서부는 전기를 사용하지 않으며, 광섬유는 실리카 재질로 구성되어 내부식성이 뛰어나므로, 사용 환경에 대한 제약이 거의 없는 것을 특징으로 한다.
이러한 광센서는 광섬유 격자 등을 이용하여 센싱하는 기술이 많이 공지되었다. 그러나 광섬유 격자를 이용하는 경우에는 편광에 대한 영향 때문에, 측정되는 값이 센싱에 대한 값인지, 입력광의 편광에 의한 영향인지 판단하기 어렵다. 따라서, 입력광은 광대역 광원을 저미어서 사용하는 경우가 많다. 단, 이 경우에는 수신되는 광신호의 세기가 너무 작아서 원격으로 측정하기 곤란한 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예는, 물을 보관하는 저수지, 댐 등의 침수 및 누수를 감지하는 광섬유 센서 및 센싱 시스템을 제공하는데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예는, 저수지, 댐 등과 같은 인공시설의 침수 및 누수를 실시간 원격으로 정밀하게 센싱할 수 있는 광섬유 센서 및 센싱 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 코어와 클래드를 포함하는 광섬유, 상기 광섬유를 각각 포함하며, 제1 연결부, 제2 연결부를 포함하고, 상기 제1 연결부 종단의 광출력이 상기 제2 연결부 일단의 광입력으로 커플링되며, 상기 제2 연결부의 타단은 상기 제1 연결부의 입력으로 들어온 출력광원을 출력하고, 상기 출력된 광원은 수침부를 지나서, 미러부에 의해 반사되어, 다시 상기 제2 연결부의 타단으로 커플링되는 것을 특징으로 하는 침수 및 누수를 센싱할 수 있는 광섬유 센서를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 광섬유 센서는 굴절률보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 굴절률보상부는 출력광원의 굴절각 범위를 한정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 제1항의 광섬유 센서, 상기 출력광원을 출력하는 광원부, 상기 출력광원이 상기 광섬유 센서의 미러부에 의해서 반사되어 오는 출력광원을 측정하는 수신부, 상기 수신된 출력광원의 세기를 측정하여, 침수 및 누수가 있는지 센싱하는 센싱시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 침수 및 누수 시에 외부 요인에 의한 파장의 손실값은 배제하고, 물에 의한 손실값만을 측정하여 출력광원의 굴절 각도 범위를 특정함으로써 침수 및 누수를 정확하게 감지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 타 계측 장치와 비교하여 설치가 용이하며, 설치 및 운용 과정에서 생기는 손실을 보상해줄 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 침수 지역에 전원을 공급할 수 없음에도 불구하고 감지 대상이 되는 곳을 무전원으로 원거리에서 감지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서에 대한 제1 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서에 대한 제2 실시예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서에 대한 제3 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서를 이용한 침수 및 누수 감지 시스템을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서에 대한 제1 실시예를 도시한 도면이다.
광섬유 센서(100)는 제1 연결부(110), 제2 연결부(120), 광섬유 코어(130), 광섬유 클래딩(140), 출력광원(150), 수침부(160) 및 미러부(170)를 포함한다.
제1 연결부(110)와 제2 연결부(120)는 멀티모드 또는 싱글모드인 광섬유 코어(130)와 광섬유 코어(130) 및 중심을 보호하는 덧겹층인 광섬유 클래딩(140)을 포함한다.
입력광원(미도시)이 제1 연결부(110)의 광섬유 코어(130)로 입력되면, 입력광원은 제2 연결부(120)의 광섬유 코어(130)와 커플링되어 출력된다. 여기서, 출력광원(150)은 광원의 NA(Numerical Aperture)로 인해 소정의 각도(θ1)를 갖는다. 그리고 출력광원(150)은 미러부(170)에 의해 반사되고, 광섬유 센서(100)로 다시 입사되어 제2 연결부(120)의 광섬유 코어(130)와 재커플링된다.
이때, 반사되어 돌아오는 출력광원(150)의 각도는 수침부(160) 내부에 존재하는 물에 의해 공기 중에서의 굴절각보다 작아지게 된다. 통상적으로 공기의 굴절률은 1인 반면, 물의 굴절률은 1.33이므로, 매질이 공기인 경우보다 물에서의 굴절각이 더 작게 나타나기 때문이다.
한편, 출력광원(150)의 파장의 세기는 수침부(160)의 물의 양, 물의 성분 및 광섬유 센서(100)의 굴곡 정도 등의 영향을 받음으로써 손실이 발생하게 된다. 이와 같이, 외부 요인에 의한 손실로 인해 굴절률이 감소함으로써 출력광원(150)의 각도(θ1)는 증가하게 된다. 이때, 외부 요인에 의해 발생하는 손실을 해소하기 위한 장치를 광섬유 센서(100)에 추가로 설치할 수 있다. 이는 도 2에서 상세히 설명하도록 한다.
수침부(160)는 다양한 형태로 구성할 수 있지만, 침수 및 누수 여부를 판단하는 부분에 따라 형태를 변경할 수 있다. 수침부(160)는 물을 고여 있게 하거나, 고여 있는 물을 흘려주는 형태로 구성될 수 있다. 본 발명에서는 출력광원(160)의 파장의 세기를 정확히 측정하기 위하여 물이 고여 있는 형태로 수침부(160)를 구성한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서에 대한 제2 실시예를 도시한 도면이다.
광섬유 센서(200)는 제1 연결부(110), 제2 연결부(120), 광섬유 코어(130), 광섬유 클래딩(140), 출력광원(150), 수침부(160), 미러부(170)에 굴절률보상부(210)를 더 포함한다.
도 1을 참고하면, 제1 연결부(110)와 제2 연결부(120)는 광섬유 코어(130) 및 광섬유 클래딩(140)을 포함하며, 입력광원(미도시)이 제1 연결부(110)의 광섬유 코어(140)로 입력되면, 입력광원은 제2 연결부(120)의 광섬유 코어(130)와 커플링되어 출력된다. 그리고 출력광원(150)은 미러부(170)에 의해 반사되고, 광섬유 센서(200)로 다시 입사되어 제2 연결부(120)의 광섬유 코어(140)와 재커플링된다.
상술한 바와 같이, 반사되어 돌아오는 출력광원(150)의 각도는 수침부(160) 내부에 존재하는 물에 의해 공기 중의 굴절각보다 작게 나타난다. 그러나 수침부(160)에 존재하는 물의 양, 광섬유의 굴곡 및 물의 성분 등에 따라 외부 손실이 추가로 발생함으로써, 출력광원(150)의 파장의 손실값은 증가하여 굴절률은 감소하고, 굴절각은 더 커지게 된다.
본 발명은 이러한 점을 극복하기 위해서, 굴절률보상부(210)를 광섬유 센서(200)의 선단에 배치한다. 굴절률보상부(210)는 외부 요인에 의해 발생하는 파장의 손실값은 배제하고 물에 의한 손실값만을 측정함으로써, 외부 요인에 의해 발생하는 파장의 손실을 해소할 수 있도록 한다. 그리고 굴절률보상부(210)는 측정된 수치를 이용하여, 출력광원(150)의 굴절각 범위를 특정함으로써 광섬유 센서(200)가 침수 및 누수를 정확하게 감지할 수 있도록 한다.
보다 상세히 설명하기 위해 도 1 내지 도 2를 참고하면, 상술한 바와 같이, 출력광원(150)의 각도(θ1)는 매질의 영향뿐만 아니라, 물의 양, 물의 성분 및 광섬유의 굽힘 정도 등에 영향을 받는다. 즉, 외부 요인에 의해 파장의 손실이 발생함으로써 굴절각이 증가하게 되고, 출력광원(150)의 각도(θ1)는 굴절률보상부(210)를 포함하는 광섬유 센서(200)의 출력광원(150)의 각도(θ2)보다 크게 나타난다. 이에, 굴절률보상부(210)는 침수 및 누수 시의 외부 요인에 따른 손실값을 미리 측정하여 레퍼런스로 이용함으로써, 출력광원(150)의 굴절률을 보상할 수 있다. 동시에, 굴절률보상부(210)는 물에 의한 파장의 손실만을 고려하여 굴절각의 범위를 한정함으로써, 센싱의 정밀도를 높여 더욱 정확하게 침수 및 누수를 감지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서에 대한 제3 실시예를 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 광센서의 제3 실시예(300)는 제2 실시예(200)에 굴곡부(310)를 더 포함하는 구조이다. 굴곡부(210)는 센싱의 정확도를 향상시키기 위해 설치될 수 있다.
출력광원(150)이 미러부(170)에 닿는 면적이 커져서, 소정의 각도가 커지면, 굴절률 변화에 의한 반사되는 정도가 더 커지게 된다. 하지만, 미러부(170)와 제2 연결부(120)의 거리를 무작정 멀리하면 센싱 정확도가 상승하지는 않는다. 그 이유는 미러부(170)와 제2 연결부(120)의 거리가 커질수록, 반사되어 다시 커플링되기 어렵기 때문이다.
따라서, 굴곡부(310)를 이용하여 센싱의 정확도를 높일 수 있다. 굴곡부(310)는 오목하게 들어가 있는 구조로 구현될 수 있다. 굴곡부(310)는 오목한 형상으로 인해 출력광원(170)으로부터의 거리는 상대적으로 길어지지만, 포커싱이 되는 효과가 발생하여 커플링 시, 발생하는 손실값을 보상할 수 있는 효과가 있다. 굴곡부(310)는 포커싱 효율을 높이기 위한 소정의 패턴을 포함할 수 있다. 이는 출력광원(150)이 발산되는 크기, 미러부(170)와의 거리에 따라서 결정될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서를 이용한 침수 및 누수 감지 시스템을 도시한 도면이다.
감지 시스템(400)은 광원부(410), 수신부(420), 커플러(430), 매설광선로(440) 및 광섬유 센서(200)를 포함한다.
광원부(410)는 제1 파장의 출력광원(150)과 선로의 모니터링을 위한 제2 파장의 모니터링 광원(미도시)을 포함한다. 각각의 광원은 서로 다른 파장이기 때문에 동시에 송신할 수 있고, 순차적으로 송신, 소정의 스케쥴링에 의해서 각각 송신할 수 있다. 다만, 동시 송신을 위해서는 WDM커플러(미도시)를 이용해야만 한다.
수신부(420)는 미러부(170)에 의해서 반사되어 들어오는 제1 파장의 출력광원의 세기를 측정할 수 있다. 또한, 모니터링 광원을 사용하는 경우에는 굴절률보상부(210)에서 반사되어 들어오는 제2 파장의 모니터링 광원을 수신하여 그 세기를 측정할 수 있다.
광원부(410)와 수신부(420)는 커플러(430)로 연결될 수 있다. 커플러(430)의 출력은 매설광선로(440)에 커플링되어 입력되어지고, 매설광선로(440)의 출력은 광섬유 센서(200)에 커플링되어져 실시간으로 모니터링 할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 광섬유 센서의 제1 실시예
110: 제1 연결부
120: 제2 연결부
130: 광섬유 코어
140: 광섬유 클레딩
150: 출력광원
160: 수침부
170: 미러부
200: 광섬유 센서의 제2 실시예
210: 굴절률보상부
300: 광섬유 센서의 제3 실시예
310: 굴곡부
400: 센싱 시스템
410: 광원부
420: 수신부
430: 커플러
440: 매설광선로

Claims (4)

  1. 입력광원을 입력받으며, 출력광원을 출력하는 광섬유 코어;
    상기 광섬유 코어의 덧겹층인 광섬유 클래딩; 및
    상기 광섬유 코어의 출력광원을 출력하는 끝단에 출력광원의 각도를 줄여 출력광원의 굴절률을 보상하는 굴절률 보상부을 포함하며,
    상기 출력광원은 수침부를 지나서 미러부에 의해 반사되어, 다시 상기 광섬유 코어로 재커플링되며,
    상기 굴절률 보상부는 물에 의한 파장의 손실을 고려하여 굴절각의 범위를 한정하며,
    출력광원이 미러부에 닿는 면적을 증가시키면서 센싱의 정확도를 유지할 수 있도록, 상기 미러부는 상기 미러부 내 오목하게 패인 굴곡부를 더 포함하고, 상기 굴곡부에 의해 출력광원과 미러부와의 거리를 증가시키면서 출력광원이 포커싱되는 효과를 함께 발생시키는 것을 특징으로 하는 침수 및 누수를 센싱할 수 있는 광섬유 센서.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항의 광섬유 센서;
    상기 출력광원을 출력하는 광원부; 및
    상기 출력광원이 상기 광섬유 센서의 미러부에 의해서 반사되어 오는 출력광원을 측정하는 수신부를 포함하며,
    수신된 출력광원의 세기를 측정하여, 침수 및 누수가 있는지 센싱하는 센싱시스템.
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