KR20010055697A - 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서와 이를 이용한변형률 측정방법 - Google Patents

전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서와 이를 이용한변형률 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변형률, 압력 등의 다양한 물리량을 측정하는 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서와 이를 이용한 변형률 측정방법에 관한 것으로, 특히 모세 유리관(52)의 일측에 삽입, 고정된 단일모드 광섬유(51)와; 상기 모세 유리관(52)에 삽입된 단일모드 광섬유(51)의 단부와 소정간격 이격되게 모세 유리관(52)의 타측에 삽입, 고정된 금속도금 광섬유(53)와; 상기 모세 유리관(52)에 삽입되지 않은 단일모드 광섬유(51)의 단부로 광을 조사하는 레이저기와; 상기 레이저기에 의해 입사되어 단일모드 광섬유(51) 및 단일모드 광섬유(51)와 금속도금 광섬유(53) 사이의 공기간극(54)에 의해 단일모드 광섬유(51)로 되돌아오는 광들의 간섭신호 프린지를 감지하는 광검출기를 구비하되; 상기 모세 유리관(52)의 길이방향으로 변형이 발생하면 그 변형크기 및 방향에 따라 상기 공기간극(54)의 간극길이(S)가 변하면서 간섭 프린지의 발생횟수와 신호수준 변화경향이 가변된다. 이러한 간섭 프린지의 발생횟수를 이용하면 측정 대상물의 변형크기를 측정할 수 있고, 또한 공기간극(54)에서 광퍼짐으로 인해 발생되는 손실정도에 따라 신호수준이 증가 또는 감쇠하는 경향을 이용하면 변형방향(인장 또는 압축)도 판별할 수 있다.

Description

전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서와 이를 이용한 변형률 측정방법 {Total reflected extrinsic Fabry-Perot interferometric fiber optic sensor and the strain measurement methods}
본 발명은 광섬유를 이용한 간섭계 센서에 관한 것으로, 특히 변형률, 압력 등의 다양한 물리량의 측정이 가능하여 구조물의 안전성 측정에 사용되는 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서와 이를 이용한 변형률 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 광섬유를 이용한 센서는 그 크기가 작아서 측정 대상물의 표면에 부착하거나 구조물의 내부에 매설하기 용이하며, 또한 광섬유의 재질이 유리임에 따라 내부식성이 우수하고 전자기파의 영향을 받지 않는다. 특히, 광섬유 간섭형 센서는 민감도와 분해능이 우수하여 산업용 기계 구조물과 교량, 빌딩 등과 같은 건설 구조물에 대한 손상이나 노후화에 따른 피로손상을 감지하는 센서로 사용이 유망시되고 있다.
상기와 같은 광섬유 센서로는 간섭형, 파장형 및 광강도형 광섬유 센서 등이 있는데, 간섭형 광섬유 센서는 파장형 광섬유 센서에 비해 간단하고 저렴하게 시스템을 구현할 수 있으며, 또한 광강도형 광섬유 센서에 비해 민감도가 우수하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 간섭형 광섬유 센서에는 마크-젠더(Mach-Zehnder) 간섭계, 마이켈슨(Michelson) 간섭계, 패브리-페로(Fabry-Perot) 간섭계 등을 이용한 광섬유 센서가 있다.
마크-젠더 간섭계나 마이켈슨 간섭계를 이용한 광섬유 센서는 기준 광섬유를 사용하기 때문에 외란의 영향을 민감하게 받을 수 있으나, 패브리-폐롯 광섬유 센서는 1개의 광섬유로만 광을 전달하기 때문에 게이지의 길이를 제외한 광섬유 도선에서 일어나는 외란의 영향을 배제시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이러한 패브리-페로 광섬유 센서는 간섭이 일어나는 매질이 광섬유의 내부 혹은 외부에 있는지에 따라 내부 및 외부 패브리-페로 간섭계 센서로 구분되는데, 외부 패브리-페로 간섭계(Extrinsic Fabry-Perot Interferometric, EFPI) 센서는 내부 패브리-페로(Intrinsic Fabry-Perot Inteferometric, IFPI) 센서에 비해 제작이 쉽고 기계적 특성이 우수하다는 장점을 가지고 있다.
도 7은 일반적인 외부 패브리-페로 광섬유 센서를 도시한 것으로, 광원인 레이저 다이오드(10)의 빛이 광섬유에 입사되면 입사광(Iin)은 2x2 광섬유 연계기(30)를 통해 탐촉자(40)에 도달하게 되는데, 상기 탐촉자(40)의 모세 유리관(42)의 일측에는 입사광(Iin)이 통과하는 단일모드 광섬유(Single-Mode Fiber, SMF)(41)가 삽입·고정되고, 상기 모세 유리관(52)의 타측에는 삽입된 단일모드 광섬유(41)의 단부와 간극길이(S) 만큼 이격되게 다중모드 광섬유(Multi-Mode Fiber, MMF)(43)가 삽입·고정되며, 상기 단일모드 광섬유(41)를 통해 되돌아가는 광신호는 광검출기 (20)에서 검출된다.
일반적으로 광섬유 코어의 굴절률(n1)은 1.46이고 공기의 굴절률(n2)은 1인데, 이 굴절률의 차이에 의해 단일모드 광섬유(41)의 단부와 공기간극(44)의 경계면에서 부분반사가 일어난다. 프레스넬 방정식에 의하면 경계면에 법선방향으로 입사되는 광중 약 3%는 반사되고, 나머지 97% 정도가 투과된다.
프레스넬 방정식에 의한 반사율과 투과율의 계산식은 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
즉, 단일모드 광섬유(41)를 따라 전송되는 입사광(Iin)은 단일모드 광섬유 (41)와 공기간극(44)의 경계면에서 두 경로로 나누어진다. 다시말해, 약 3% 정도의 1차 반사광(Iout1)은 단일모드 광섬유(41)와 공기간극(44)의 경계면에서 반사되어 단일모드 광섬유(41)의 코어를 통해 반대방향으로 진행하고, 약 97% 정도의 2차 반사광(Iout2)은 투과되어 공기간극(44)과 다중모드 광섬유(42)의 경계면에서 반사되어 코어로 되돌아간다.
이와같이 1차 반사광(Iout1)과 2차 반사광(Iout2)의 사이에는 간극길이(S)의 두배에 해당하는 경로차가 발생하는데, 이 경로차(2S)에 의해 일어난 간섭현상이 광섬유 연계기(30)를 통해 광검출기(20)에서 검출된다. 이때, 상기된 두 반사광 이외의 반사경로는 양이 매우 적기 때문에 무시할 수 있으며, 광경로 사이의 간섭에 의한 신호는 [수학식 2]와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
여기서, k는 전파상수로 광원의 파장을 λ라고 하면 2π/λ로 나타낼 수 있다.
한편, 상기 광검출기(20)는 1차 반사광(Iout1)과 2차 반사광(Iout2)이 상호 간섭된 반사광(Iout)을 입력받는데, 간극길이(S)의 변화에 따라 두 반사광에서는 보강, 상쇄간섭이 일어난다. 즉, 간극길이(S)의 변화에 따라 출력신호의 간섭 프린지 (interferometic fringe) 발생횟수가 가변되는데, 이 간섭 프린지의 발생횟수를 이용하면 간극길이의 변화량(Δs)을 산출할 수 있다. 이때, 분해능은 광원파장의 1/4에 해당하므로, 레이저 다이오드(λ=1300, 1550nm) 등을 광원으로 사용하면 매우 높은 분해능을 얻을 수 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 외부 패브리-페로 간섭계 센서는 단일 방향의 변화량은 용이하게 측정할 수 있지만 방향이 변하는 물리량은 측정하기 어렵다는 문제점이 있었다. 이러한 문제점을 보완하기 위한 연구가 진행되었는데, 1991년 발간된 논문지 "Optics Letters"의 제16권, 제4호에서 Murphy, K.A.와 Gunther, M.F., Vengsarkar, A.M. 및 Claus, R.O.는 논문 "quadrature phase-shifted extrinsic Fabry-Perot optical fiber sensors"를 통해 두개의 외부 패브리-페로 간섭계 센서를 이용하여 방향이 변하는 위치를 감지하는 광섬유 센서(quadrature phase-shift EFPI sensor)를 제안하였다.
이와같이 두개의 외부 패브리-페로 간섭계 센서를 이용한 광섬유 센서는 하나의 외부 패브리-페로 간섭계 센서로는 구별하기 어려운 0°의 위상에서 발생하는방향변화를 다른 외부 패브리-페로 간섭계 센서의 출력신호를 이용하여 감지함에 따라 작동방향의 변화위치를 알 수 있다. 그러나, 상기된 광섬유 센서는 광원과 수광부가 각각 두개씩 필요하고 현재의 방향을 알려면 작동방향의 변화위치를 지속적으로 확인해야 하기 때문에 효율적이지 못하다는 단점을 가지고 있다.
한편, 1994년 발간된 논문지 "FEORC Fiber Optics Review Conference"에서 Bhatia, V.와 Murphy, K.A., Claus, R.O., Tran, T.A. 및 Greene, J.A.는 논문 "Absolute strain and temperture measurements using high finesse EFPI cavities"를 통해 스펙트럼 분석을 이용하여 절대측정을 수행하는 외부 패브리-페로 간섭계 센서(abdolute EFPI)를 제안하였다.
상기와 같은 절대측정 외부 패브리-페로 간섭계 센서(AEFPI)는 스펙트럼상에서 발생하는 간섭 프린지를 이용하여 절대측정을 수행하지만, 스펙트럼 분석기에서 요구되는 스캐닝 시간으로 인해 준정적 측정에만 적합하다는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 단일모드 광섬유와 금속도금 광섬유를 모세 유리관에 전반사형으로 설치하고, 공기간극에서 반사되는 광경로차를 이용하여 변형률을 측정하는 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서와 이를 이용한 변형률 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서는, 모세 유리관의 일측에 삽입, 고정된 단일모드 광섬유와; 상기 모세 유리관에 삽입된 단일모드 광섬유의 단부와 소정간격 이격되게 모세 유리관의타측에 삽입, 고정된 금속도금 광섬유와; 상기 모세 유리관에 삽입되지 않은 단일모드 광섬유의 단부로 광을 조사하는 레이저기와; 상기 레이저기에 의해 입사되어 단일모드 광섬유 및 단일모드 광섬유와 금속도금 광섬유 사이의 공기간극에 의해 단일모드 광섬유로 되돌아오는 광들의 간섭신호 프린지를 감지하는 광검출기를 구비하되; 상기 모세 유리관의 길이방향으로 변형이 발생하면 그 변형크기 및 방향에 따라 상기 공기간극의 간극길이가 변하면서 간섭 프린지의 발생횟수와 신호수준 변화경향이 가변되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법은, 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서를 측정 대상물에 부착하는 제 1 단계와; 상기 제 1 단계에서 광섬유 센서가 부착된 측정 대상물의 변형구간 동안에 간섭 프린지 1/2 파장 간격의 최고점과 최저점의 중간값을 구하는 제 2 단계와; 상기 제 2 단계에서 얻은 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값을 기준으로 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하는지 검출하는 제 3 단계와; 상기 제 3 단계에서 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하지 않으면 프린지 갯수를 변화시키지 않고, 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하면 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준이 증감되는지 판단하는 제 4 단계와; 상기 제 4 단계에서 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준이 증가하면 프린지 갯수를 1감소시키고, 신호수준이 감소하면 프린지 갯수를 1증가시키는 제 5 단계와; 상기 제 5 단계에서 구해진 간섭 프린지의 갯수(n)와 분해능()을 승산하여 변형률(ε)을 산출하는 제 6 단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서의
탐촉자를 나타낸 도면,
도 2는 도 1에 도시된 광섬유 센서의 출력신호 파형도,
도 3은 도 1에 도시된 광섬유 센서의 간극길이 변화에 따른
출력신호 파형도,
도 4는 변형률 측정을 위해 본 발명의 광섬유 센서를 시편에 부착한
상태를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 광섬유 센서와 일반적인 변형률 게이지의 출력신호를
비교하여 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 광섬유 센서에 의해 측정된 변형률을 도시한 그래프,
도 7은 일반적인 외부 패브리-페로 광섬유 센서의 구조도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
51 : 단일모드 광섬유 52 : 모세 유리관
53 : 금속도금 광섬유 54 : 공기간극
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서의 탐촉자를 나타낸 도면으로, 레이저 다이오드(도시안됨)로 부터 입사된 광은 단일모드 광섬유 (51)를 통과하는데, 상기 단일모드 광섬유(51)는 모세 유리관(52)의 일측으로 삽입되어 에폭시 접착재를 통해 모세 유리관(52)의 고정된다.
또한, 모세 유리관(52)에 삽입된 단일모드 광섬유(51)의 단부와 간극길이(S) 만큼 이격되게 상기 모세 유리관(52)의 타측에는 금속도금 광섬유(53)가 삽입되어 에폭시 접착재를 통해 고정되는데, 상기 금속도금 광섬유(53)의 단부(53a)에는 단일모드 광섬유(51)와 공기간극(54)을 진행하는 광이 되돌아가게 도금되어 있으며, 상기 단일모드 광섬유(51)를 통해 되돌아가는 광신호는 광검출기(도시안됨)에 의해 검출된다.
한편, 모세 유리관(52)에 삽입되는 단일모드 광섬유(51)와 금속도금 광섬유 (53)의 절단면은 광의 진행방향과 수직이 되도록 가공되며, 레이저 다이오드로 부터 입사되는 광의 일부분은 모세 유리관(52)에 삽입된 단일모드 광섬유(51)의 단부에서 반사되어 단일모드 광섬유(51)의 내부로 되돌아가고, 공기간극(54)을 통과한 일부의 광은 금속도금 광섬유(53)에서 전반사된다. 이때, 금속도금 광섬유(53)에 의해 전반사된 광은 단일모드 광섬유(51)의 내부로 다시 입사되어 광경로를 따라광검출기로 전송된다.
상기와 같은 두 광경로의 경로차(2S)에 의해 간섭 프린지가 발생하는데, 이는 광검출기에서 검출된. 이러한 현상은 1982년 발간된 논문지 "Applied Optics"의 제21권 제8호에서 Claus, R.O.와 Sandahl, C.R.이 발표한 논문 "Interference effect in optical fiber connection"에 상세하게 기술되어 있다.
한편, 광이 공기간극(54)을 통과하는 동안에 광손실로 인해 출력신호의 크기가 변하는데, Marcuse, D.는 1997년 "The Bell System Techinical Journal"에서 발표한 논문 "Loss analysis of single-mode fiber splices"을 통해 광손실 해석을 기술하며 이러한 원리를 센서로 이용할 수 있는 가능성을 제시하였다.
상기와 같이 구성된 광섬유 센서를 이용하여 구조물의 변형률을 측정하기 위해서는 모세 유리관 부분을 기계 및 산업 구조물 등과 같은 측정 대상물의 표면에 부착하거나 건설 구조물의 내부에 매설하여야 한다. 이와같이 광섬유 센서를 장착한 상태에서 외부 하중 등에 의해 측정 대상물이 변형되면 모세 유리관(52)의 길이 방향으로 변형이 발생하고 간극길이(S)도 변하게 된다. 이러한 간극길이(S)의 변화는 광원 파장의 1/2 파장을 갖는 정현파 형태의 출력 광신호 간섭 프린지의 최고점과 최저점의 중간값을 기준으로 간섭 프린지 신호가 교차하는 횟수를 확인하면 광원 파장의 1/4의 분해능으로 측정이 가능하다.
즉, 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하지 않으면 프린지 갯수를 변화시키지 않고, 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하면 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준이 증감되는지 판단하여 신호수준이 증가하면 프린지 갯수를 1감소시키고, 신호수준이 감소하면 프린지 갯수를 1증가시키는 방식으로 간섭 프린지 신호가 교차하는 횟수를 확인한다.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유 센서의 출력신호를 나타낸 것으로, 측정 대상물의 변형에 따라 간극길이(S)의 변화율에 비례하는 파장을 갖는 간섭 프린지가 발생하는데, 이때 측정 대상물이 인장 방향으로 변형되면 공기간극(54)의 길이(S)가 길어지고 광손실이 커지면서 광신호의 크기는 선형적으로 감소한다.
반면, 측정 대상물이 압축 방향으로 변형되면 공기간극(54)의 길이(S)는 짧아지고 광손실이 작아지면서 광신호의 크기는 감소한다. 이러한 광신호의 변화경향과 함께 간섭 프린지를 이용하면 측정 대상물의 변형 방향(인장 또는 압축)과 변형 크기를 측정할 수 있다.
상기와 같이 측정된 광섬유 센서의 출력신호는 마르쿠스에 의해 제안된 전파광의 가우시안 근사와 중복적분을 이용한 두 단일모드 광섬유간의 광손실 해석방법을 적용하여 해석할 수 있다. 즉, 간극길이(S)의 변화에 의해 발생되는 광손실은 레일레이(Rayleghi) 거리를 xR이라 할때 [수학식 3]과 같이 표현된다.
[수학식 3]
이를 이용하여 광섬유 센서의 출력신호를 [수학식 4]와 같이 정리할 수 있다.
[수학식 4]
여기서, T(s)는 광손실이 전혀 없는 광강도와 광손실이 나타날 때의 광강도와의 비를 나타낸 투과율이고, t1은 광섬유에서 공기로 광이 투과될 때의 투과계수이며, t2는 공기에서 광섬유로 광이 투과될 때의 투과계수이고, r1은 제1 광경로의 반사계수이다.
한편, 도 3은 1315nm 파장의 레이저 다이오드를 광원으로 사용하고 모세 유리관(52)에 삽입되지 않은 코어직경이 7.9μm인 단일모드 광섬유(51)와 금속도금 광섬유(53)의 축을 정렬한 후, 그 사이의 공기간극(54)을 변화시켰을 때의 출력신호를 나타낸 그래프로, 본 발명에 따른 광섬유 센서를 이용한 실험결과가 해석결과에 근접한 것을 확인할 수 있다.
또한, 10∼100μm 정도의 간극길이(S)에서 간섭 프린지의 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 광신호 수준의 변화율과 간섭 프린지의 진폭이 크게 나타나는 것을 알 수 있는데, 이로부터 광섬유 센서의 간극길이(S)를 상기된 범위내에서 제작하는 것이 효과적임을 인지할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 모세 유리관(52)에 고정되지 않은 단일모드 광섬유(51)와 간극길이(S) 및 모세 유리관(52)에 고정되지 않은 금속도금 광섬유(53)의 길이에 해당하는 부분이 측정 대상물로 부터 변형을 감지할 수 있는 측정길이(Lgauge)에 해당한다. 본 발명에 따른 광섬유 센서를 이용한 측정 대상물의 변형률(ε) 측정은측정길이(Lgauge)에 대한 간극길이(S)의 변화량의 비로 나타낼 수 있다.
즉, 측정시 출력신호에서 관찰되는 간섭 프린지의 발생횟수를 n이라고 하면 변형률(ε)은 [수학식 5]와 같이 표현된다. 이때, 광섬유 센서의 변형률 측정에 대한 분해능은 λ/4Lgauge로 표현되며, 측정길이(Lgauge)가 길어질수록 높아지게 된다.
[수학식 5]
상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 광섬유 센서의 변형률 측정에 대한 성능을 확인하기 위하여 도 4에 도시된 것처럼 광섬유 센서를 시편에 적용하여 실험하였다.
즉, 측정 대상물인 알루미늄 합금시편(60)의 표면에 본 발명에 따른 광섬유 센서의 탐촉자(50)를 부착한 후, 인장실험을 수행하여 상용의 저항형 게이지(70)와 그 결과를 비교하였다. 광섬유 센서의 탐촉자(50)는 피복직경 250μm, 클래딩직경 125μm, 코어직경 7.9μm, 그리고 개구수(NA) 0.1인 단일모드 광섬유(51)와, 외경 300μm 정도, 내경 130μm 정도의 모세 유리관(52)을 이용하여 제작하였으며, 단일모드 광섬유(51)와 모세 유리관(52)은 에폭시 접착재(80)를 이용하여 고정하였다.
한편, 탐촉자(50)와 변형률 게이지(70)는 합금시편(60)의 반대편 같은 위치에 부착하였다. 또한, 탐촉자(50)의 광원으로는 1315nm 파장의 레이저 다이오드를 사용하였고, 합금시편(60)에는 인장시험기를 사용하여 최저점 하중을 0으로 하는 인장 방향의 삼각파 형태로 하중을 반복하여 가하였다.
도 5는 합금시편의 변형에 따른 광섬유 센서와 변형률 게이지의 출력신호를 나타낸 그래프로, 변형률 게이지(70)의 출력신호와 비교하면 합금시편(60)의 변형에 따라 광섬유 센서의 출력신호에 간섭 프린지가 발생하는 것을 알 수 있는데, 인장 방향에 대해서는 신호의 수준이 감소하고 압축 방향에 대해서는 신호의 수준이 증가하는 것으로 나타났다.
이러한 형태로 나타나는 광섬유 센서의 출력신호를 간섭 프린지와 신호수준의 변화방향을 이용하여 디지털신호 처리방법을 통해 변형률로 변환하면 도 6과 같은 그래프를 얻을 수 있는데, 본 발명에 따른 광섬유 센서의 측정값과 상용 변형률 게이지의 측정값이 일치함을 확인할 수 있다.
일반적으로 변형률 값의 결정시 간섭 프린지의 발생횟수를 이용하지만 광섬유 절단면에서의 반사율이 0.035 정도임에 따라 [수학식 6]과 같이 정의되는 정밀도(finesse) 값이 작아지기 때문에 센서의 출력신호가 정현파에 가까워져 간섭 프린지의 위상을 구별, 분해능을 증가시킬 수 있다.
[수학식 6]
또한, 변형률 측정시 온도변화에 의해 발생되는 열팽창의 보상은 [수학식 7]을 이용한다. 즉, 측정 대상물의 표면에 부착된 광섬유 센서의 변형률과 온도에 대한 위상변화는 아래의 [수학식 7]과 같다.
[수학식 7]
이때, 위상(ψ)은 간극길이(S)와 ψ=2ks의 관계에 있으며, 광섬유 센서의 크기가 측정대상에 비해, 그리고 간극길이(S)가 측정길이(L)에 비해 매우 작을 경우 위상변화는 [수학식 8]과 같이 표현된다. 이때, 전파상수(k)는 2π/λ로 나타낼 수 있으며, 측정 대상물의 변형구간에서 간섭 프린지의 발생횟수를 n이라고 하면 온도변화와 외부 하중에 의한 변형률은 [수학식 8]과 같이 정리할 수 있다.
[수학식 8]
여기서, α는 측정 대상물의 열팽창 계수이며, 광섬유 센서에 사용된 모세 유리관(52)과 단일모드 광섬유(51), 금속도금 광섬유(53)의 열팽창 계수보다 크다. Δεstress는 외부 하중에 의한 변형률이고, 온도변화를 별도로 측정할 수 있는 경우이거나 외부 하중이 가해지지 않는 측정 대상물과 동일한 조건을 적용한 광섬유 센서의 출력신호를 이용하면 그 값을 얻어 온도보상을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서는 간극길이의 변화를 직접 이용하여 구조물의 변형률을 측정할 뿐만 아니라 상기한 온도보상방법을 이용하여 외부 하중과 열응력이 적용되지 않는 측정 대상물의 온도변화로 인한 열팽창을 감지하여 측정 대상물의 온도도 측정할 수 있다.
이상에서 본 발명은 간극길이의 변화를 직접 이용하여 구조물의 변형률을 측정하는 방법만을 실시예로 기술하였으나, 그외에 다양한 방법을 이용하여 다양한 종류의 물리량의 측정에 활용할 수 있다.
상기된 것처럼 본 발명은, 측정 대상물의 변형으로 인한 간극길이의 변화량에 따라 발생되는 간섭 프린지의 발생횟수를 이용하여 변형크기를 측정하고, 공기간극에서 광퍼짐으로 인해 발생되는 손실정도에 따라 신호수준이 증가 또는 감쇠하는 경향을 이용하여 변형방향(인장 또는 압축)을 구별할 수 있다.
또한, 측정 대상물의 변형크기를 측정하는 경우에 신호수준이 간극길이에 따라 선형적으로 변하므로, 간섭 프린지의 중간값 곡선을 취하면 출력신호의 신호수준을 정량화할 수 있고, 이를 이용한 절대 측정도 가능하다.
아울러, 측정 대상물의 변형방향을 구별할 수 있기 때문에 교량이나 대형건물, 발전설비 등의 건전성 감시를 보다 효과적으로 수행할 수 있으며, 특히 장기간의 사용으로 인하 피로손상을 예측하는데 효율적이다.
또한, 연속적인 측정이 불가능한 상황에서는 절대측정방법을 적용하여 기준값을 결정한 후, 이에 대한 상대적인 측정을 수행하는 구조물의 불연속적인 감시에도 사용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 모세 유리관(52)의 일측에 삽입, 고정된 단일모드 광섬유(51)와;
    상기 모세 유리관(52)에 삽입된 단일모드 광섬유(51)의 단부와 소정간격 이격되게 모세 유리관(52)의 타측에 삽입, 고정된 금속도금 광섬유(53)와;
    상기 모세 유리관(52)에 삽입되지 않은 단일모드 광섬유(51)의 단부로 광을 조사하는 레이저기와;
    상기 레이저기에 의해 입사되어 단일모드 광섬유(51) 및 단일모드 광섬유(51)와 금속도금 광섬유(53) 사이의 공기간극(54)에 의해 단일모드 광섬유 (51)로 되돌아오는 광들의 간섭신호 프린지를 감지하는 광검출기를 구비하되;
    상기 모세 유리관(52)의 길이방향으로 변형이 발생하면 그 변형크기 및 방향에 따라 상기 공기간극(54)의 간극길이(S)가 변하면서 간섭 프린지의 발생횟수와 신호수준 변화경향이 가변되는 것을 특징으로 하는 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모세 유리관(52)의 길이방향으로 발생되는 변형이 감소하면 상기 공기간극(54)의 간극길이(S)가 좁아지지고 상기 간섭 프린지의 최고점과 최저점의 중간값에 해당하는 신호수준은 증가하며, 상기 모세 유리관(52)의 길이방향으로 발생하는 변형이 증가하면 상기 공기간극(54)의 간극길이(S)가 넓어지고 상기 간섭 프린지의 신호수준이 감소하는 것을 특징으로 하는 전반사형 외부패브리-페로 광섬유 센서.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 단일모드 광섬유(51)와 금속도금 광섬유(53)는 에폭시 접착제에 의해 모세 유리관(52)의 양단부에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서.
  4. 공기간극의 길이변화에 따라 발생횟수와 신호수준 변화경향이 가변되는 간섭 프린지를 출력하는 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법에 있어서,
    전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서를 측정 대상물에 부착하는 제 1 단계와;
    상기 제 1 단계에서 광섬유 센서가 부착된 측정 대상물의 변형구간 동안에 간섭 프린지 1/2 파장 간격의 최고점과 최저점의 중간값을 구하는 제 2 단계와;
    상기 제 2 단계에서 얻은 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값을 기준으로 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하는지 검출하는 제 3 단계와;
    상기 제 3 단계에서 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하지 않으면 프린지 갯수를 변화시키지 않고, 간섭 프린지 신호가 중간값과 교차하면 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는 신호수준이 증감되는지 판단하는 제 4 단계와;
    상기 제 4 단계에서 간섭 프린지 최고점과 최저점의 중간값 곡선에 해당하는신호수준이 증가하면 프린지 갯수를 1감소시키고, 신호수준이 감소하면 프린지 갯수를 1증가시키는 제 5 단계와 상기 제 5 단계에서 구해진 간섭 프린지의 갯수(n)와 분해능()을 승산하여 변형률(ε)을 산출하는 제 6 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 전반사형 외부 패브리-페로 광섬유 센서를 이용한 변형률 측정방법.
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