KR102454495B1 - 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광섬유 브래그 격자의 신호를 딥러닝 및 수학적 모델링 등의 방법을 통하여 연속 분포 압력 측정이 가능하도록 한 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 시간에 따라 반복하여 광을 출력하는 광 생성부;상기 광 생성부에서 출력된 광의 일부를 반사하는 광섬유 브래그 격자들이 광섬유로 연결되어 이산된 간격 위치에 분포되는 광 센서부;상기 광 센서부에서 반사된 광을 측정하여 수신된 시간에 따른 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 광 수신부;상기 광 수신부에서 변환된 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 수치화하여 출력하는 신호 분석부;를 포함하는 것이다.
Description
본 발명은 센서를 이용한 외력 측정 시스템에 관한 것으로, 구체적으로 광섬유 브래그 격자의 신호를 딥러닝 및 수학적 모델링 등의 방법을 통하여 연속 분포 압력 측정이 가능하도록 한 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
센서용으로 널리 이용되고 있는 광섬유격자는 광섬유에 길이 방향을 따라 상호 이격되게 다수의 격자를 새긴 것으로서, 주변온도나 인장정도에 따라 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성이 있다.
이러한 광섬유격자는 주변온도나 인장강도에 따라 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖기 때문에 격자의 주변온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되고 그에 따라 반사되는 빛의 파장이 변화된다.
이러한 광섬유격자의 특성을 이용한 광섬유격자 센서는 온도검출용 또는 교량, 댐, 건축물 등의 변형, 항공기의 날개 상태 등을 진단하는 용도로 다양하게 응용되고 있다.
최근 스마트 헬스케어 등이 증대됨에 따라 연속 분포 압력 측정 방법에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
일반적으로 압력 센서는 전기신호 또는 광신호를 기반으로 외부에서 가해지는 압력의 물리량을 검출하여 그에 관한 위치 혹은 강도 등의 정보를 출력하는 센서이다. 이러한 압력 센서를 통하여 대면적의 압력 정보를 얻기 위하여 수 개 ~ 수십개의 센서를 나열하여 2차원적인 위치와 강도 정보를 얻을 수 있다.
종래 기술의 일 예로, 전기 신호기반의 압력센서를 이용하는 방식의 경우에는 연속적인 외력 측정을 위해선 센서의 수가 늘어나며, 회로 복잡성이 커진다.
이와 같은 회로의 복잡성을 해결하기 위해 광섬유 브래그 격자를 사용하여 외력을 측정하는 방법이 제안되고 있다.
도 1은 종래 기술의 광신호 기반의 압력 센서를 시용하는 외력 측정시스템의 일 예를 나타낸 구성도이다.
그러나 이와 같은 종래 기술의 외력 측정시스템은 광섬유 브래그 격자가 위치한 지점에서만 외력을 측정할 수 있기 때문에 연속 분포 외력을 측정하는 것이 불가능하다.
따라서, 단순한 회로 구조를 갖고, 연속 분포 외력을 측정하는 것이 가능하도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 종래 기술의 외력 측정시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광섬유 브래그 격자의 신호를 딥러닝 및 수학적 모델링 등의 방법을 통하여 연속 분포 압력 측정이 가능하도록 한 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 이산 분포된 광섬유 브래그 격자의 신호를 딥러닝 및 수학적 모델링 등의 방법을 이용하여 고해상도, 고정밀도의 연속 외력 측정이 가능하도록 한 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 센서의 개수를 줄여 회로의 복잡도를 감소시키고, 제작의 어려움을 해결하여 용이하게 대면적으로 제작할 수 있도록 한 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 저해상도, 저정밀도의 광섬유 기반의 압력센서를 적은 수의 광섬유 브래그 격자로도 연속 분포의 외력 정보 측정이 가능하게 함으로써 가격 절감과 해상도 및 정밀도의 향상이 가능하도록 한 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 고해상도, 고정밀도의 연속 외력 측정이 가능하도록 하여 스마트 헬스 케어 분야, 휴머노이드 로봇, 인공 피부 등 다양한 응용분야에 활용될 수 있도록 한 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템은 시간에 따라 반복하여 광을 출력하는 광 생성부;상기 광 생성부에서 출력된 광의 일부를 반사하는 광섬유 브래그 격자들이 광섬유로 연결되어 이산된 간격 위치에 분포되는 광 센서부;상기 광 센서부에서 반사된 광을 측정하여 수신된 시간에 따른 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 광 수신부;상기 광 수신부에서 변환된 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 수치화하여 출력하는 신호 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광 생성부는 시간에 따라 반복하여 중심파장이 변화하는 광을 출력하고, 광 수신부는 상기 광 센서부에서 반사된 광의 시간에 따른 중심파장을 측정하여 수신된 시간에 따른 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광 생성부는 시간에 따라 반복하여 능동모드 잠금을 제어하는 전기신호의 주파수를 변화하는 광을 출력하고, 광 수신부는 상기 광 센서부에서 반사된 광의 시간에 따른 능동모드 잠금에 해당하는 전기신호의 주파수를 측정하여 수신된 시간에 따른 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광 센서부는, 2개 이상의 광섬유 브래그 격자를 가지는 광섬유 브래그 격자 배열을 포함하며, 각각의 광섬유 브래그 격자들은 매개체로 둘러 쌓여 이산된 간격에 위치하는 형태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
그리고 매개체는, 외력이 가해질 경우 2개 이상의 위치의 광섬유 브래그 격자로 상기 외력의 위치와 세기 정보를 나누어 전달하는 것을 특징으로 한다.
그리고 신호 분석부는, 광섬유 브래그 격자센서가 놓여 진 매개체 위치에서의 세기 정보를 바탕으로 상기 광섬유 브래그 격자가 놓여 지지 않은 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 세기정보를 추정하는 추정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 추정부는, 이산된 간격으로 분포된 광섬유 브래그 격자가 놓여 진 매개체의 물성과 광 수신부의 신호를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 연산하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 추정부는, 이산된 간격 위치에서 측정된 외력의 위치와 세기를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치의 외력의 위치와 세기를 학습하는 학습부을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 외력이 가해지는 지점은 같으나 외력의 크기가 다른 경우에는, 서로 이산된 광섬유 브래그 격자들이 파장의 변화가 같은 비율로 반응하고, 가해지는 외력이 큰 경우에 파장의 변화가 더 많이 일어나는 것을 특징으로 한다.
그리고 같은 크기의 외력이 다른 지점에서 가해지는 경우에는, 외력이 가해지는 위치에 더 가까운 광섬유 브래그 격자에 더 많은 파장 변화가 일어나는 것을 특징으로 한다.
그리고 가해지는 외력의 크기에 따라 광섬유 브래그 격자들의 총 파장 변화량이 달라지고, 외력이 가해지는 위치 변화에 따라 광섬유 브래그 격자들 간의 파장 변화의 비율이 달라지는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 방법은 광 생성부에서 광이 출력되어 광 센서부로 입사되는 단계;광 센서부로 입사된 광이 외력에 의해 광신호의 변화를 발생시키는 단계;상기 광신호의 변화를 광 수신부에서 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기로 변환하는 단계;신호 분석부의 추정부가 연산부를 통해 연속된 위치에서의 외력의 위치와 강도를 수학적으로 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 방법은 광 생성부에서 광이 출력되어 광 센서부로 입사되는 단계;광 센서부로 입사된 광이 외력에 의해 광신호의 변화를 발생시키는 단계;상기 광신호의 변화를 광 수신부에서 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기로 변환하는 단계;신호 분석부의 학습부에서 임의의 신호를 학습하는 단계;신호 분석부의 추정부가 상기 학습부의 학습된 정보를 통해 연속된 위치에서의 외력의 위치와 강도를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 광 센서부에 특정 외력을 입력하고 광 수신부에서 신호를 수집하여 학습 데이터 셋을 구축하고, 학습 데이터 셋이 구축되면 학습부에서 데이터셋을 바탕으로 학습을 하는 학습부의 학습 과정을 먼저 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고 외력이 가해지는 지점은 같으나 외력의 크기가 다른 경우에는, 서로 이산된 광섬유 브래그 격자들이 파장의 변화가 같은 비율로 반응하고, 가해지는 외력이 큰 경우에 파장의 변화가 더 많이 일어나는 것을 특징으로 한다.
그리고 같은 크기의 외력이 다른 지점에서 가해지는 경우에는, 외력이 가해지는 위치에 더 가까운 광섬유 브래그 격자에 더 많은 파장 변화가 일어나는 것을 특징으로 한다.
그리고 가해지는 외력의 크기에 따라 광섬유 브래그 격자들의 총 파장 변화량이 달라지고, 외력이 가해지는 위치 변화에 따라 광섬유 브래그 격자들 간의 파장 변화의 비율이 달라지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 광섬유 브래그 격자의 신호를 딥러닝 및 수학적 모델링 등의 방법을 통하여 연속 분포 압력 측정이 가능하도록 한다.
둘째, 이산 분포된 광섬유 브래그 격자의 신호를 딥러닝 및 수학적 모델링 등의 방법을 이용하여 고해상도, 고정밀도의 연속 외력 측정이 가능하도록 한다.
셋째, 센서의 개수를 줄여 회로의 복잡도를 감소시키고, 제작의 어려움을 해결하여 용이하게 대면적으로 제작할 수 있도록 한다.
넷째, 저해상도, 저정밀도의 광섬유 기반의 압력센서를 적은 수의 광섬유 브래그 격자로도 연속 분포의 외력 정보 측정이 가능하게 함으로써 가격 절감과 해상도 및 정밀도의 향상이 가능하도록 한다.
다섯째, 고해상도, 고정밀도의 연속 외력 측정이 가능하도록 하여 스마트 헬스 케어 분야, 휴머노이드 로봇, 인공 피부 등 다양한 응용분야에 활용될 수 있도록 한다.
도 1은 종래 기술의 광신호 기반의 압력 센서를 시용하는 외력 측정시스템의 일 예를 나타낸 구성도
도 2는 광섬유 브래그 격자를 설명하기 위한 구성도
도 3은 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템의 기본 구성도
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수학적 역해석 모델을 통한 결과 도출을 위한 외력 측정 시스템의 구성도
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수학적 역해석 모델을 통한 결과 도출 과정을 나타낸 플로우 차트
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥러닝 모델을 통한 결과 도출을 위한 외력 측정 시스템의 구성도
도 7a와 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥러닝 모델을 통한 결과 도출 과정을 나타낸 플로우 차트
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 광 센서부의 상세 구성 및 작동 메커니즘을 나타낸 구성도
도 9는 광 센서부에 가해지는 외력의 크기 및 외력이 가해지는 지점에 따른 특성을 나타낸 구성도
도 10은 가해지는 외력의 크기에 따른 광섬유 브래그 격자별 파장 변화 비율을 나타낸 구성도
도 11a와 도 11b는 광 센서부의 매개체에 따른 실시 예를 나타낸 구성도
도 2는 광섬유 브래그 격자를 설명하기 위한 구성도
도 3은 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템의 기본 구성도
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수학적 역해석 모델을 통한 결과 도출을 위한 외력 측정 시스템의 구성도
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수학적 역해석 모델을 통한 결과 도출 과정을 나타낸 플로우 차트
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥러닝 모델을 통한 결과 도출을 위한 외력 측정 시스템의 구성도
도 7a와 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥러닝 모델을 통한 결과 도출 과정을 나타낸 플로우 차트
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 광 센서부의 상세 구성 및 작동 메커니즘을 나타낸 구성도
도 9는 광 센서부에 가해지는 외력의 크기 및 외력이 가해지는 지점에 따른 특성을 나타낸 구성도
도 10은 가해지는 외력의 크기에 따른 광섬유 브래그 격자별 파장 변화 비율을 나타낸 구성도
도 11a와 도 11b는 광 센서부의 매개체에 따른 실시 예를 나타낸 구성도
이하, 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 광섬유 브래그 격자를 설명하기 위한 구성도이다.
그리고 도 3은 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템의 기본 구성도이다.
본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법은 광섬유 브래그 격자의 신호를 딥러닝 및 수학적 모델링 등의 방법을 통하여 연속 분포 압력 측정이 가능하도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 시간에 따라 반복하여 중심파장이 변화하는 광을 출력하거나, 시간에 따라 반복하여 능동모드 잠금을 제어하는 전기신호의 주파수를 변화하는 광을 출력하는 광 생성 수단을 포함할 수 있다.
본 발명은 광 생성 수단에서 출력된 광의 일부를 반사하는 광섬유 브래그 격자가 광섬유로 연결되어 이산된 간격 위치에 분포되는 광 센서 수단을 포함할 수 있다.
본 발명은 광 센서 수단에서 반사된 광을 측정하여 수신된 시간에 따른 이산된 간격 위치 에서의 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 광 수신 수단을 포함할 수 있다.
본 발명은 광 수신 수단에서 변환된 이산된 간격 위치 에서의 외력의 위치와 세기 정보를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 수치화하는 신호분석 수단을 포함할 수 있다.
여기서, 신호분석 수단은 광섬유 브래그 격자센서가 놓여 진 매개체 위치에서의 세기 정보를 바탕으로 광섬유 브래그 격자가 놓여 지지 않은 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 세기정보를 추정하는 추정부 포함할 수 있다.
그리고 추정부는 이산된 간격으로 분포된 광섬유 브래그 격자가 놓여 진 매개체의 물성과 광수신 수단의 신호를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
그리고 추정부는 이산된 간격 위치에서 측정된 외력의 위치와 세기를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치의 외력의 위치와 세기를 학습하는 학습부를 포함할 수 있다.
도 2에서와 같이, 광섬유 브래그 격자 (Fiber bragg grating;FBG)는 광섬유에 새겨진 격자를 말한다.
광섬유 브래그 격자에 입사되어진 빛은 격자에 새겨진 무늬에 따라 반사되어지는 파장이 달라지며, 또한 광섬유 브래그 격자의 인장에 따라서 반사되어지는 파장이 달라진다. 이러한 광섬유 브래그 격자를 이용하기 위해선 다음과 같은 과정을 거친다.
광 생성부에서 나온 빛은 광 순환기를 통하여 광섬유 브래그 격자로 향한다. 각 광섬유 브래그 격자의 중심파장에 따라 반사된 빛은 광 순환기를 거쳐 광 수신부로 향하며, 검출된 신호를 파장에 대해 분석한다.
본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템은 기본적으로 광 생성부-광 센서부-광 수신부를 통해 신호 분석부에서 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보를 출력하여, 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력을 측정할 수 있도록 한 것이다.
본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템은 도 3에서와 같이, 시간에 따라 반복하여 광을 출력하는 광 생성부(10)와, 상기 광 생성부(10)에서 출력된 광의 일부를 반사하는 광섬유 브래그 격자들이 광섬유로 연결되어 이산된 간격 위치에 분포되는 광 센서부(20)와, 상기 광 센서부(20)에서 반사된 광을 측정하여 수신된 시간에 따른 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 광 수신부(30)와, 상기 광 수신부(30)에서 변환된 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 수치화하여 출력하는 신호 분석부(40)를 포함한다.
여기서, 광 센서부(20)에 가해지는 외력은 도 3에서와 같이, 광섬유 브래그 격자들이 이산 분포된 위치에서의 외력과, 광섬유 브래그 격자들이 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력으로 나눌 수 있다.
그리고 광 센서의 종류가 광섬유 브래그 격자인 경우에는 광 생성부(10)는 시간에 따라 반복하여 중심파장이 변화하는 광을 출력하고, 광 수신부(30)는 광 센서부(20)에서 반사된 광의 시간에 따른 중심파장을 측정하여 수신된 시간에 따른 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 특성을 갖는다.
그리고 광 센서의 종류가 RFMI인 경우에는 광 생성부(10)는 시간에 따라 반복하여 능동모드 잠금을 제어하는 전기신호의 주파수를 변화하는 광을 출력하고, 광 수신부(30)는 광 센서부(20)에서 반사된 광의 시간에 따른 능동모드 잠금에 해당하는 전기신호의 주파수를 측정하여 수신된 시간에 따른 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 특성을 갖는다.
그리고 광 센서부(20)는 2개 이상의 광섬유 브래그 격자를 가지는 광섬유 브래그 격자 배열을 포함하며, 각각의 광섬유 브래그 격자들은 매개체로 둘러 쌓여 이산된 간격에 위치하는 형태를 유지하는 것일 수 있다.
여기서, 매개체는 외력이 가해질 경우 2개 이상의 위치의 광섬유 브래그 격자로 상기 외력의 위치와 세기 정보를 나누어 전달할 수 있다.
그리고 신호 분석부(40)는 광섬유 브래그 격자센서가 놓여 진 매개체 위치에서의 세기 정보를 바탕으로 광섬유 브래그 격자가 놓여 지지 않은 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 세기정보를 추정하는 추정부를 포함할 수 있다.
여기서, 추정부는 이산된 간격으로 분포된 광섬유 브래그 격자가 놓여 진 매개체의 물성과 광 수신부(30)의 신호를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 연산하는 연산부를 포함할 수 있다.
그리고 추정부는 이산된 간격 위치에서 측정된 외력의 위치와 세기를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치의 외력의 위치와 세기를 학습하는 학습부를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수학적 역해석 모델을 통한 결과 도출을 위한 외력 측정 시스템의 구성도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수학적 역해석 모델을 통한 결과 도출 과정을 나타낸 플로우 차트이다.
브래그 파장의 변화는 매개체로 둘러 쌓인 광섬유 브래그 격자의 변형률에 달려있으므로, 매개체와 광섬유의 탄성계수 및 규격 등과 외력 등을 알면 브래그 파장의 변화를 알 수 있다.
이때, 외력을 모르는 경우 광 센서부(20)에서 반사된 광의 브래그 파장의 변화를 측정하여 재료의 물성 및 규격 등으로 구축된 수학적 역해석 모델(연산부)을 통해 역으로 연속 분포 외력을 연산할 수 있다.
도 4에서와 같이, 광 센서부(20)의 신호를 광 수신부(30)에서 각각의 광섬유 브래그 격자의 위치(x,y)에서의 측정되는 외력을 F로 변환하고, 신호 분석부의 추정부-연산부(40a)에서 광 수신부(30)의 데이터와 각종 변수(광섬유나 매개체의 물성 등)를 수학적 모델링으로 결과를 도출한다.
신호 분석부의 추정부-연산부(40a)에서 광 수신부(30)의 데이터와 각종 변수(광섬유나 매개체의 물성 등)를 수학적 모델링으로 결과를 도출하는 과정은 다음과 같다.
도 5에서와 같이, 광 생성부(10)에서 광이 출력되어 광 센서부(20)로 입사되고(S601), 외력이 발생하면(S602), 상기 광 센서부(20)로 입사된 광이 외력에 의해 광신호의 변화를 발생시킨다.(S603)
이어, 이와 같은 광신호의 변화를 광 수신부(30)에서 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기로 변환한다.(S604)
그리고 신호 분석부의 추정부가 연산부(40a)를 통해 연속된 위치에서의 외력의 위치와 강도를 수학적으로 추정하여 출력한다.(S605)
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥러닝 모델을 통한 결과 도출을 위한 외력 측정 시스템의 구성도이고, 도 7a와 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 딥러닝 모델을 통한 결과 도출 과정을 나타낸 플로우 차트이다.
광 센서부(20)에 특정한 외력을 가했을 때 발생하는 광 수신부(30)의 신호로 구성된 데이터 세트를 통해 학습을 하는 방법이 이용될 수 있다.
광 센서부(20)에 외력이 가해질 경우 학습부(40b)에서 학습된 정보를 토대로 외력의 위치와 세기의 연속 분포를 추정할 수 있다.
도 6에서와 같이, 광 센서부(20)의 신호를 광 수신부(30)에서 각각의 광섬유 브래그 격자의 위치(x,y)에서의 측정되는 외력 F로 변환하고, 신호 분석부의 추정부-학습부(40b)에서 학습된 데이터를 바탕으로 추정 결과를 출력한다.
신호 분석부의 추정부-학습부(40b)에서 학습된 데이터를 바탕으로 추정 결과를 출력하는 과정은 다음과 같다.
먼저, 학습부의 학습 과정은 도 7a에서와 같이, 광 센서부(20)에 특정 외력이 입력되면(S801), 광 수신부(30)에서 신호를 수집하고(S802), 학습 데이터 셋을 구축한다.(S803)
학습 데이터 셋이 구축되면 학습부(40b)에서 데이터셋을 바탕으로 학습을 한다.(S804)
그리고 학습부에서의 학습을 바탕으로 외력 신호를 추정하는 과정은 도 7b에서와 같이, 학습부에서 학습용 데이터를 바탕으로 학습을 한 상태에서(S811), 광 생성부(10)에서 광이 출력되어 광 센서부(20)로 입사되고(S812), 외력이 발생하면(S813), 광 센서부(20)로 입사된 광이 외력에 의해 광신호의 변화를 발생시킨다.(S814)
이와 같은 광신호의 변화를 광 수신부(30)에서 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기로 변환한다.(S815)
이어, 신호 분석부의 학습부(40b)에서 임의의 신호를 통해 학습을 하고, 신호 분석부의 추정부가 학습부의 학습된 정보를 통해 연속된 위치에서의 외력의 위치와 강도를 추정한다.(S816)
도 8a 내지 도 8c는 본 발명에 따른 광 센서부의 상세 구성 및 작동 메커니즘을 나타낸 구성도이다.
도 8a는 광 센서부의 구성을 나타낸 것으로, 광 센서부(20)에는 광섬유 브래그 격자가 매개체로 고정되어 있으며, 각각의 광섬유 브래그 격자는 그 위치가 외력을 받아 인장이 발생 후에도 지속적으로 외력을 측정하기 위해서 원래 자리로 돌아갈 수 있도록 고정되어야 한다.
여기서, 광섬유 브래그 격자의 개수는 2개 이상이어야 하며, 위치는 매개체를 통해서 전달되는 외력이 전달될 수 있는 위치에 고정되어야 한다.
도 8b는 광 센서부(20)에 외력이 가해지는 구성을 나타낸 것으로, 매개체에 외력이 가해졌을 경우에, 외력이 가해진 지점으로부터 매개체에 변형이 일어나며, 각각의 변형은 근처에 고정되어 있는 광섬유 브래그 격자에 인장력이 가해진다.
이에 따라 각 광섬유 브래그 격자의 브래그 파장 변화가 일어나고, 이를 분석하여 이산된 위치로부터 외력을 측정한다.
도 8c는 이산 분포위치에서의 외력이 가해지는 경우의 파장 변화 특성 및 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력이 가해지는 경우의 파장 변화 특성을 나타낸 것이다.
광 센서부에 가해지는 외력의 크기 및 외력이 가해지는 지점에 따른 특성을 설명하면 다음과 같다.
도 9는 광 센서부에 가해지는 외력의 크기 및 외력이 가해지는 지점에 따른 특성을 나타낸 구성도이다.
도 9의 <외력 1>과 <외력 2>는 외력이 가해지는 지점은 같으나 외력의 크기가 <외력 2>가 더 큰 경우를 나타낸 것이다.
<외력 1>이 가해진 경우 매개체의 특성으로 광섬유 브래그 격자 1과 광섬유 브래그 격자 2가 동시에 반응하여 파장 변화가 일어난다.
<외력 2>의 경우 <외력 1>과 같이 파장의 변화가 같은 비율로 반응하지만, 그 외력이 크기 때문에 파장의 변화가 더 많이 일어난다
그리고 <외력 3>과 <외력 4>는 같은 크기의 외력이 다른 지점에서 가해졌을 경우를 나타낸 것이다.
<외력 3>의 경우 광섬유 브래그 격자 2에 가깝게 외력이 가해졌을 경우에 광섬유 브래그 격자 2에서 더 많은 파장 변화가 일어나고, <외력 4>는 광섬유 브래그 격자 1에서 더 많은 파장 변화가 일어난다.
도 10은 가해지는 외력의 크기에 따른 광섬유 브래그 격자별 파장 변화 비율을 나타낸 구성도이다.
외력의 크기에 따라 광섬유 브래그 격자 1-4의 총 파장 변화량이 달라지며, 외력의 위치에 따라 광섬유 브래그 격자 1-4의 파장 변화의 비율이 달라진다.
도 11a와 도 11b는 광 센서부의 매개체에 따른 실시 예를 나타낸 구성도이다.
도 11a는 매개체가 탄성체인 경우를 나타낸 것으로, 탄성체에 가해지는 외력의 위치와 세기를 특정할 수 있으며, 이는 인공 피부, 로봇 등에 응용될 수 있다.
도 11b는 매개체가 철조망 등의 구조체에 고정 되어있는 경우이다.
철조망에 가해지는 외력의 위치와 세기를 특정할 수 있고, 이는 보안 시스템 등에 응용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템 및 방법은 이산 분포된 광섬유 브래그 격자의 신호를 딥러닝 및 수학적 모델링 등의 방법을 이용하여 고해상도, 고정밀도의 연속 외력 측정이 가능하도록 하고, 센서의 개수를 줄여 회로의 복잡도를 감소시키고, 제작의 어려움을 해결하여 용이하게 대면적으로 제작할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 광 생성부
20. 광 센서부
30. 광 수신부
40. 신호 분석부
20. 광 센서부
30. 광 수신부
40. 신호 분석부
Claims (17)
- 시간에 따라 반복하여 광을 출력하는 광 생성부;
상기 광 생성부에서 출력된 광의 일부를 반사하는 광섬유 브래그 격자들이 광섬유로 연결되어 이산된 간격 위치에 분포되는 광 센서부;
상기 광 센서부에서 반사된 광을 측정하여 수신된 시간에 따른 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 광 수신부;
상기 광 수신부에서 변환된 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기 정보를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 수치화하여 출력하는 신호 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서, 광 생성부는 시간에 따라 반복하여 중심파장이 변화하는 광을 출력하고,
광 수신부는 상기 광 센서부에서 반사된 광의 시간에 따른 중심파장을 측정하여 수신된 시간에 따른 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서, 광 생성부는 시간에 따라 반복하여 능동모드 잠금을 제어하는 전기신호의 주파수를 변화하는 광을 출력하고,
광 수신부는 상기 광 센서부에서 반사된 광의 시간에 따른 능동모드 잠금에 해당하는 전기신호의 주파수를 측정하여 수신된 시간에 따른 외력의 위치와 세기 정보로 변환하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서, 광 센서부는,
2개 이상의 광섬유 브래그 격자를 가지는 광섬유 브래그 격자 배열을 포함하며, 각각의 광섬유 브래그 격자들은 매개체로 둘러 쌓여 이산된 간격에 위치하는 형태를 유지하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 4 항에 있어서, 매개체는,
외력이 가해질 경우 2개 이상의 위치의 광섬유 브래그 격자로 상기 외력의 위치와 세기 정보를 나누어 전달하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서, 신호 분석부는,
광섬유 브래그 격자센서가 놓여 진 매개체 위치에서의 세기 정보를 바탕으로 상기 광섬유 브래그 격자가 놓여 지지 않은 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 세기정보를 추정하는 추정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 6 항에 있어서, 추정부는,
이산된 간격으로 분포된 광섬유 브래그 격자가 놓여 진 매개체의 물성과 광 수신부의 신호를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치에서의 외력의 위치와 세기를 연산하는 연산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 6 항에 있어서, 추정부는,
이산된 간격 위치에서 측정된 외력의 위치와 세기를 바탕으로 이산된 간격 사이의 연속된 위치의 외력의 위치와 세기를 학습하는 학습부을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서, 외력이 가해지는 지점은 같으나 외력의 크기가 다른 경우에는,
서로 이산된 광섬유 브래그 격자들이 파장의 변화가 같은 비율로 반응하고, 가해지는 외력이 큰 경우에 파장의 변화가 더 많이 일어나는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서, 같은 크기의 외력이 다른 지점에서 가해지는 경우에는,
외력이 가해지는 위치에 더 가까운 광섬유 브래그 격자에 더 많은 파장 변화가 일어나는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 제 1 항에 있어서, 가해지는 외력의 크기에 따라 광섬유 브래그 격자들의 총 파장 변화량이 달라지고,
외력이 가해지는 위치 변화에 따라 광섬유 브래그 격자들 간의 파장 변화의 비율이 달라지는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 시스템. - 광 생성부에서 광이 출력되어 광 센서부로 입사되는 단계;
광 센서부로 입사된 광이 외력에 의해 광신호의 변화를 발생시키는 단계;
상기 광신호의 변화를 광 수신부에서 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기로 변환하는 단계;
신호 분석부의 추정부가 연산부를 통해 연속된 위치에서의 외력의 위치와 강도를 수학적으로 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 방법. - 광 생성부에서 광이 출력되어 광 센서부로 입사되는 단계;
광 센서부로 입사된 광이 외력에 의해 광신호의 변화를 발생시키는 단계;
상기 광신호의 변화를 광 수신부에서 이산된 간격 위치에서의 외력의 위치와 세기로 변환하는 단계;
신호 분석부의 학습부에서 임의의 신호를 학습하는 단계;
신호 분석부의 추정부가 상기 학습부의 학습된 정보를 통해 연속된 위치에서의 외력의 위치와 강도를 추정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 방법. - 제 13 항에 있어서, 광 센서부에 특정 외력을 입력하고 광 수신부에서 신호를 수집하여 학습 데이터 셋을 구축하고,
학습 데이터 셋이 구축되면 학습부에서 데이터셋을 바탕으로 학습을 하는 학습부의 학습 과정을 먼저 수행하는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 방법. - 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 외력이 가해지는 지점은 같으나 외력의 크기가 다른 경우에는,
서로 이산된 광섬유 브래그 격자들이 파장의 변화가 같은 비율로 반응하고, 가해지는 외력이 큰 경우에 파장의 변화가 더 많이 일어나는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 방법. - 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 같은 크기의 외력이 다른 지점에서 가해지는 경우에는,
외력이 가해지는 위치에 더 가까운 광섬유 브래그 격자에 더 많은 파장 변화가 일어나는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 방법. - 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서, 가해지는 외력의 크기에 따라 광섬유 브래그 격자들의 총 파장 변화량이 달라지고,
외력이 가해지는 위치 변화에 따라 광섬유 브래그 격자들 간의 파장 변화의 비율이 달라지는 것을 특징으로 하는 이산 분포된 광섬유 브래그 격자를 이용한 연속 분포 외력 측정 방법.
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