KR102654086B1 - 광섬유를 이용한 침수 감지 센서 - Google Patents

광섬유를 이용한 침수 감지 센서 Download PDF

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Abstract

광섬유를 이용한 침수 감지 센서를 개시한다. 본 발명은 반사면에 회절 격자를 설치하여 빛의 세기와 상관없이 파장 변화를 이용한 침수 여부를 정확하게 감지할 수 있다.

Description

광섬유를 이용한 침수 감지 센서{WATER IMMERSION SENSOR USING OPTICAL FIBER}
본 발명은 광섬유를 이용한 침수 감지 센서에 관한 발명으로서, 더욱 상세하게는 반사면에 회절 격자를 설치하여 빛의 세기와 상관없이 파장 변화를 이용한 침수 여부를 정확하게 감지할 수 있는 광섬유를 이용한 침수 감지 센서에 관한 것이다.
최근 들어, 많은 기상이변으로 인해 자연재해의 위험성이 더욱 커지고 있으며, 특히, 토목 및 건축 구조물들의 대형화는 이러한 구조물의 붕괴에 따른 재해 규모를 더욱 크게 하는 요인이 되고 있다.
또한, 하천 등의 물이 존재하는 곳이나, 저수지와 같이 물을 보관하는 곳에서는 침수 및 누수가 심각한 문제로 작용한다.
그러나 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 광섬유를 지나가는 빛의 세기, 광섬유의 굴절률 및 길이, 모드, 그리고 편광상태의 변화 등을 이용하여 피측정량을 추정하는 센서이다.
광섬유의 주성분은 석영 유리로 이루어져 있으며, 광섬유 센서는 굴절율이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 중심인 코어 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩 부분으로 구성된다.
광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파된다.
이러한 광섬유 센서는 이용되는 효과에 따라 세기형, 위상형, 회절격자형, 모드변조형, 편광형, 분포측정형 등으로 구분되며, 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 회전율, 음향, 가스농도 등 다양한 측정값을 제공한다.
광섬유 센서는 초정밀 광대역 측정이 가능하고, 전자파의 영향를 받지 않으며, 원격측정이 용이하고, 센서부에서 전기를 사용하지 않으며, 실리카 재질의 뛰어난 내부식성으로 사용 환경에 대한 제약이 거의 없는 특징으로 갖는다.
도1은 종래 기술에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서를 나타낸 예시도로서, 도1을 참조하면, 광섬유를 이용한 침수 감지 센서(10)는 입력 광원이 제1 연결부(11)의 광섬유 코어(13)로 입력되면, 제2 연결부(12)의 광섬유 코어(13)와 커플링되어 출력되며, 출력 광원(14)은 광원의 NA(Numerical Apertuere)로 인해 일정 각도(θ1)로 출력된다.
또환, 출력 광원(14)은 반사부(16)에 의해 반사되어 광섬유를 이용한 침수 감지 센서(10)로 재입사되어 제2 연결부(12)의 광섬유 코어(13)와 재커플링된다.
이때, 반사되어 돌아오는 출력 광원(14)의 각도는 수침부(15) 내부에 존재하는 물에 의해 공기 중에서의 굴절각보다 작아지게 되고, 통상적으로 공기의 굴절률은 1인 반면, 물의 굴절률은 1.33이므로, 매질이 공기인 경우보다 물에서의 굴절각이 더 작게 나타나기 때문이다.
그러나 종래 기술에 따른 침수 감지 센서는 반사되어 광섬유에 재입사되는 빛의 세기를 이용하여 침수 여부를 판단하도록 구성되어, 일반적으로 원격지에서 침수 여부를 감지하는 경우, 외부에서 광섬유에 압력이 가해지거나 또는 광섬유에서 굴곡, 눌림, 접힘 등의 변형이 발생될 경우 빛의 세기에 변동이 발생하여 침수 발생으로 오인하게 되는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 등록번호 제10-2036257호(발명의 명칭: 침수 또는 누수 감지를 위한 광센서)
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 반사면에 회절 격자를 설치하여 빛의 세기와 상관없이 파장 변화를 이용한 침수 여부를 정확하게 감지할 수 있는 광섬유를 이용한 침수 감지 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시 예는 광섬유를 이용한 침수 감지 센서로서, 광섬유 코어로 입력된 빛을 반사부로 출력하고, 상기 반사부에서 반사된 빛이 상기 광섬유 코어로 재입사되는 광섬유; 및 상기 광섬유에서 출력된 출력광을 반사하는 반사면을 구비하되, 상기 반사면에 회절 격자를 형성한 반사부;를 포함한다.
또한, 상기 실시 예에 따른 반사부는 반사면이 원호 형상으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실시 예에 따른 회절 격자는 회절 격자의 주기가 서로 다른 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실시 예에 따른 회절 격자의 주기는 반사면의 중앙에서 말단 방향으로 짧아지거나 또는 중앙에서 말단 방향으로 길어지게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실시 예에 따른 회절 격자는 반사면의 중앙에서 말단 방향으로 계단형상으로 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 실시 예에 따른 광섬유와 반사부는 반사면에 조사되는 빛의 범위를 조절하여 상기 회절 격자에서 회절된 빛의 파장이 구분되도록 광섬유의 말단과 반사면의 회절 격자 사이의 이격 거리가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 반사면에 회절 격자를 설치하여 빛의 세기와 상관없이 파장 변화를 이용한 침수 여부를 정확하게 감지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 반사면에 회절 격자의 주기를 서로 다르게 설치함으로써, 회절된 빛을 정확하게 감지할 수 있는 장점이 있다.
도1은 종래 기술에 따른 침수 감지 센서를 나타낸 예시도.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서를 나타낸 예시도.
도3은 도2의 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서의 반사부 구성을 나타낸 예시도.
도4는 도2의 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서 반사면의 위치에 따른 회절 주기별 범위를 나타낸 그래프.
도5는 도2의 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서의 반사면의 회절주기 영역을 나타낸 예시도.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예 및 첨부하는 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하되, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭함을 전제하여 설명하기로 한다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하기에 앞서, 본 발명의 기술적 요지와 직접적 관련이 없는 구성에 대해서는 본 발명의 기술적 요지를 흩뜨리지 않는 범위 내에서 생략하였음에 유의하여야 할 것이다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 발명자가 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 적절한 용어의 개념을 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.
본 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다는 표현은 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
또한, "‥부", "‥기", "‥모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어, 또는 그 둘의 결합으로 구분될 수 있다.
또한, "적어도 하나의" 라는 용어는 단수 및 복수를 포함하는 용어로 정의되고, 적어도 하나의 라는 용어가 존재하지 않더라도 각 구성요소가 단수 또는 복수로 존재할 수 있고, 단수 또는 복수를 의미할 수 있음은 자명하다 할 것이다.
또한, 각 구성요소가 단수 또는 복수로 구비되는 것은, 실시 예에 따라 변경가능하다 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서를 나타낸 예시도이고, 도3은 도2의 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서의 반사부 구성을 나타낸 예시도이며, 도4는 도2의 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서 반사면의 위치에 따른 회절 주기별 범위를 나타낸 그래프이고, 도5는 도2의 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서의 반사면의 회절주기 영역을 나타낸 예시도이다.
도2 내지 도5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광섬유를 이용한 침수 감지 센서(100)는 광섬유(110)와, 반사부(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 광섬유(110)는 중심부를 형성하는 광섬유 코어(111)를 포함하여 구성될 수 있고, 상기 광섬유 코어(111)의 외주면을 감싸고 상기 광섬유 코어(111)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 클래딩을 포함할 수 있다.
또한, 상기 광섬유(110)는 광섬유 코어(111)로 입력된 빛을 반사부(120)로 출력하고, 상기 반사부(120)에서 반사된 빛은 상기 광섬유 코어(111)로 재입사될 수 있다.
상기 반사부(120)는 광섬유(110)에서 출력된 출력광(130, 130a)을 반사하는 반사면(121)을 포함하고, 상기 반사면(121)에는 광섬유(110)로부터 출력된 빛을 반사하는 회절 격자(122)가 형성될 수 있다.
상기 반사면(121)은 평판 형상으로 구성될 수도 있고, 원호 형상으로 구성될 수도 있으며, 바람직하게는 원호 형상으로 구성된다.
상기 회절 격자(122)는 반사면(121)에 형성되어 광섬유(110)에서 출력된 출력광(130, 130a)을 반사하고, 이때, 상기 회절 격자(122)는 출력광(130, 130a)에 회절을 발생시켜 반사되도록 한다.
또한, 반사면(121)의 중앙으로부터 양측 말단부까지 설치된 회절 격자(122)는 반사된 빛이 광섬유(110)에 순차적으로 입사될 수 있도록 한다.
즉, 상기 회절 격자(122)는 반사면(121)에서 회절이 발생된 반사빛이 광섬유 코어(111)에 재입사되도록 한다.
또한, 회절 격자(122)에서 회절된 빛은 회절 격자(122)의 주기에 의존하고, 이때, 회절 격자(122)의 주기가 작아서 조밀하게 설치된 경우, 회절된 빛의 파장은 길어지게 되며, 회절 격자(122)의 주기가 크면 회절된 빛의 파장은 짧은 파장의 빛을 반사하게 되어, 반사면(121)의 위치에 따라 회절 격자(122)의 주기를 서로 다르게 구성할 수도 있다.
예를 들면, 반사면(121)을 임의의 제1 영역(A), 제2 영역(B) 및 제3 영역(C)을 구분하고, 상기 제1 내지 제3 영역(A, B, C)에 설치되는 회절 격자(122)가 서로 다른 주기(d1 > d2 > d3 또는 반대인 d1 < d2 < d3)를 갖도록 구성할 수 있다.
즉, 상기 회절 격자(122)의 주기는 반사면(121)의 중앙에서 말단 방향으로 짧아지게 구성하거나 또는 반사면(121)의 중앙에서 말단 방향으로 길어지게 형성될 수 있다.
또한, 상기 회절 격자(122)의 주기는 광섬유 코어(111)에서 가까운 반사면(121)의 제1 영역(A)은 회절 격자(122)의 주기가 길고, 상기 반사면(121)의 양측 말단으로 갈수록 회절 격자(122)의 주기를 짧게 구성하여 회절된 빛의 파장이 서로 다른 반사빛이 상기 광섬유 코어(111)에 입사될 수 있도록 한다.
이때, 회절 격자(122)의 주기가 짧게 구성되어 상대적으로 먼 위치(예를 들면, 반사면의 양측 말단부)에서 반사된 빛은 회절된 빛의 파장이 길고, 가까운 위치(예를 들면, 반사면의 중앙부)에서 반사된 빛은 회절된 빛의 파장이 짧아 반사된 빛의 파장을 이용하여 원거리, 중거리 또는 근거리에서 반사된 빛인지 알 수 있도록 한다.
즉, 침수가 발생되면 반사면(121)의 중앙에 위치한 회절 격자(122)에서 회절된 빛이 반사되고, 침수가 아닌 경우 반사면(121)의 양측 말단부에서 회절된 빛도 반사될 수 있으므로, 침수가 아닌 경우보다 침수가 발생된 경우에 상대적으로 파장이 짧은 회절된 빛이 입사될 수 있도록 함으로써, 파장의 변화를 통해 침수 여부를 판단할 수 있도록 한다.
또한, 상기 회절 격자(122)는 반사면(121)의 중앙에서 말단 방향으로 계단형상으로 배치될 수도 있다.
이러한 회절 격자(122)의 서로 다른 주기와 계단형 배치를 통해 반사를 통해 회절된 빛을 감지하면, 파장 변화가 연속적으로 일어나 침수가 발생했을 때, 부정확한 판단을 방지할 수 있다.
또한, 계단형 배치를 통해 출력광(130, 130a)이 양측까지 발산되었는지, 침수에 따른 물의 굴절을 통해 회절 격자(122)의 중심부에만 발산되었는지 구분할 수 있게 된다.
또한, 광섬유(110)의 말단과 반사부(120)의 반사면(121)은 일정 거리 이격되어 조절될 수 있다.
즉, 반사면(121)의 중앙에서 양측 말단방향으로 제1 영역(A), 제2 영역(B) 및 제3 영역(C)을 구분하고, 상기 제1 내지 제3 영역(A, B, C)에 설치되는 회절 격자(122)가 설치될 수 있으며, 상기 광섬유 말단에서 회절 격자(122)로 조사되는 빛의 범위를 조절하여 상기 반사면(121)의 회절 격자(122)에서 회절된 빛의 파장이 구분되도록 구성할 수 있다.
광섬유 코어(111)에서 출력된 빛은 회전 격자(122)에 부딪치면, 상기 회절 격자(122)에 둥근 형상으로 표시될 수 있고, 이때 회절 격자(122)가 광섬유 코어(111)와의 거리, 예를 들어 회절 격자(122)와 광섬유 코어(111) 끝단과의 거리가 가까운 A 영역에서 빛의 면적이 작아지고, 반사면(121)의 안쪽 중앙에 빛이 집중되며, 회절 격자(122)와 광섬유 코어(111) 끝단과의 거리가 멀어지면 빛의 면적이 증가함에 따라 빛의 도달 면적은 B 영역 또는 C 영역까지 달라지게 된다.
이를 통해, 회절 격자(122)와 광섬유 코어(111) 끝단 사이의 거리를 증가시키거나 또는 감소시키면, 반사면(121)의 양측으로 도달하는 빛의 도달 범위를 제어할 수 있어 회절 격자(122)와 광섬유 코어(111) 끝단과의 거리에 따라 서로 다른 회절된 빛의 파장을 구분할 수 있다.
따라서, 반사면에 회절 격자를 설치하여 빛의 세기와 상관없이 파장 변화를 이용한 침수 여부를 정확하게 감지할 수 있다.
또한, 반사면에 회절 격자의 주기를 서로 다르게 설치함으로써, 회절된 빛을 감지하여 침수 여부를 정확하게 감지할 수 있게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 도면번호는 설명의 명료성과 편의를 위해 기재한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예를 설명하는 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 상술된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 해석은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한, 명시적으로 도시되거나 설명되지 아니하였다 하여도 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기재사항으로부터 본 발명에 의한 기술적 사상을 포함하는 다양한 형태의 변형을 할 수 있음은 자명하며, 이는 여전히 본 발명의 권리범위에 속한다.
또한, 첨부하는 도면을 참조하여 설명된 상기의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며 본 발명의 권리범위는 이러한 실시예에 국한되지 아니한다.
100 : 침수 감지 센서
110 : 광섬유
111 : 광섬유 코어
120 : 반사부
121 : 반사면
122 : 회절 격자
130, 130a : 출력광

Claims (6)

  1. 광섬유 코어(111)로 입력된 빛을 반사부(120)로 출력하고, 상기 반사부(120)에서 반사된 빛이 상기 광섬유 코어(111)로 재입사되는 광섬유(110); 및
    상기 광섬유(110)에서 출력된 출력광(130, 130a)을 반사하는 반사면(121)을 구비하되,
    상기 반사면(121)에 회절 격자(122)를 형성한 반사부(120);를 포함하고,
    상기 회절 격자(122)는 회절 격자의 주기가 서로 다른 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 침수 감지 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사부(120)는 반사면(121)이 원호 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 침수 감지 센서.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 격자의 주기는 반사면(121)의 중앙에서 말단 방향으로 짧아지거나 또는 중앙에서 말단 방향으로 길어지게 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 침수 감지 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절 격자(122)는 반사면(121)의 중앙에서 말단 방향으로 계단형상으로 배치된 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 침수 감지 센서.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 광섬유(110)와 반사부(120)는 반사면(121)에 조사되는 빛의 범위를 조절하여 상기 회절 격자(122)에서 회절된 빛의 파장이 구분되도록 광섬유의 말단과 반사면(121)의 회절 격자(122) 사이의 이격 거리가 조절되는 것을 특징으로 하는 광섬유를 이용한 침수 감지 센서.
KR1020210128229A 2021-09-28 2021-09-28 광섬유를 이용한 침수 감지 센서 KR102654086B1 (ko)

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KR102036257B1 (ko) * 2017-04-24 2019-10-24 (주)파이버피아 침수 또는 누수감지를 위한 광센서
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