KR200374752Y1 - 변형률 측정용 광섬유 격자 센서 - Google Patents

Abstract

본 고안은 변형률 측정에 사용되는 광섬유 격자를 피측정물 표면에 설치하기 위한 광섬유 격자 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유 격자를 포함하는 광섬유 및 광커넥터를 보호용 케이스 내부에 모두 넣음으로써 광섬유 격자, 광섬유, 광커넥터를 반영구적으로 고정 및 보호하도록 하며, 설치시 취급이 까다로운 광섬유 격자 센서를 누구나 손쉽게 설치할 수 있게 하고, 설치된 후에도 상기 광섬유 격자 센서를 안전하게 보호할 수 있도록 한 것이다.

본 고안은 하부 고정판, 측면 케이스, 상부덮개로 이루어지는 밀폐된 케이스 내부에 광섬유 격자를 구비한 변형률 측정용 광섬유 격자 센서로서, 상기 광섬유 격자는 상기 고정판 표면에 접착제로 부착되고, 상기 광섬유 격자를 포함하는 광섬유의 양단에 광커넥터가 연결되고, 상기 광커넥터의 양단은 상기 측면 케이스에 체결되어 있는 두 개의 광어댑터에 각각 연결되도록 하여, 상기 광섬유 격자, 상기 광섬유, 상기 광커넥터가 밀폐, 보호되어 케이스 외부로 노출되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서를 제공한다.

Description

변형률 측정용 광섬유 격자 센서{Fiber bragg grating sensor for measuring strain}

본 고안은 변형률 측정에 사용되는 광섬유 격자(fiber Bragg grating)를 피측정물 표면에 설치하기 위한 광섬유 격자 센서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광섬유 격자를 포함하는 광섬유 및 광커넥터(optical connector)를 보호용 케이스 내부에 모두 넣어 패키징함으로써 광섬유 격자, 광섬유, 광커넥터를 반영구적으로 고정 및 보호하도록 한 광섬유 격자 센서에 관한 것이다.

광섬유 격자는 광섬유 코어(core)에 자외선 광을 조사하여 일정 간격으로 굴절율 변화를 유도한 것으로, 특정 파장(브래그 파장)의 광만을 선택적으로 반사하며, 격자 간격에 의해 반사되는 광의 파장이 변화하는 특성을 갖는다. 이러한 특성을 이용해서 외부 응력에 의해 격자 간격이 변화할 때 반사광의 파장변화를 관측하여 격자 간격의 변화, 즉 변형률을 측정할 수 있다.

상기 광섬유 격자는 감지부가 광섬유 내부에 일체로 형성되므로 다른 광섬유 센서와 달리 부가적인 구조가 필요 없으며, 제조 방법이 간단하다는 장점을 가진다. 또한 정확도 및 신호 안정성이 뛰어나고, 전자기파의 영향을 받지 않고, 물리적인 특성이 우수하여 구조물 안전 진단 분야에서 기존의 전기 저항식 스트레인 게이지를 대체해가고 있는 우수한 변형률 측정 소자이다.

그러나 광섬유 격자 자체는 단위면적당 인장력이 매우 높은 반면, 지름이 125㎛로 매우 작고, 기본적으로 유리(실리카) 재질이기 때문에 외부의 충격에 쉽게 파손될 수 있어 건물이나 교각 등의 피측정물에 부착될 시에는 매우 섬세한 작업이 요구된다. 따라서 부착시에 파손되거나, 부착후에도 외부 충격 등에 의해서 파손될 가능성이 매우 높다. 이러한 문제점으로 인해서 광섬유 격자는 우수한 측정 능력에도 불구하고 설치 및 취급이 까다로워 산업 현장에서 널리 사용되지 못하고 있는 실정이다.

종래에는 이러한 광섬유 격자를 설치할 시, 피측정물에 직접 접착제로 부착하여 사용하거나, 각 사용자가 임의의 형태로 패키징을 하여 설치함에 따라 각종 외부 환경요인이나 외부충격에 광섬유 격자 센서가 노출되어 있었다. 이로 인해 광섬유 격자 센서가 파손되거나, 잘못된 변형률 값이 측정되어질 뿐만 아니라, 토목구조물의 상시감시와 계측시스템을 유지 보수하는 데에도 많은 어려움이 있었다.

본 고안은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 비전문가라도 광섬유 격자 센서가 정확한 측정을 할 수 있도록 설치할 수 있을 뿐만 아니라, 센서 외부로 파손되기 쉬운 광섬유 격자 및 광섬유가 노출되지 않도록 하여 작업의 편리성 및 센서의 운반, 보관이 용이한 광섬유 격자 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 고가인 광섬유 격자 센서를 다른 곳에서도 계속하여 재사용할 수 있도록 장착 및 탈착이 용이한 구조의 광섬유 격자 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상시적인 측정이 요구되는 경우에는, 한 번 설치후 반영구적으로 피측정물에 고정 및 보호되도록 하는 광섬유 격자 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1 은 본 고안 제1 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 내부 구성을 도시한 분해 사시도,

도 2 는 상기 도 1 의 고정판에 광섬유 격자가 부착된 상태를 나타낸 사시도,

도 3 은 본 고안 제1 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 조립상태를 도시한 사시도,

도 4 는 본 고안의 제2 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 조립상태를 도시한 사시도,

도 5 는 본 고안의 제3 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 조립상태를 도시한 사시도,

도 6 은 본 고안의 제4 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 조립상태를 도시한 사시도임.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 고정판 110 : 나사공

200 : 측면 케이스 210, 211 : 광어댑터

300 : 덮개판 400 : 광섬유 격자

410 : 광섬유 420, 421 : 광커넥터

500: 접착제

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 하부 고정판, 측면 케이스, 상부덮개로 이루어지는 밀폐된 케이스 내부에 광섬유 격자를 구비한 변형률 측정용 광섬유 격자 센서로서, 상기 광섬유 격자는 상기 고정판 표면에 접착제로 부착되고, 상기 광섬유 격자를 포함하는 광섬유의 양단에 광커넥터가 연결되고, 상기 광커넥터의 양단은 상기 측면 케이스에 체결되어 있는 두 개의 광어댑터에 각각 연결되도록 하여, 상기 광섬유 격자, 상기 광섬유, 상기 광커넥터가 밀폐, 보호되어 케이스 외부로 노출되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서를 제공한다.

상기 측면 케이스에 체결되어 있는 두 개의 광어댑터는 측면 케이스의 동일면 또는 상호 대향한 면상에 각각 설치될 수 있으며, 상기 고정판에는 상기 광섬유 격자 센서를 나사를 이용해서 피측정물 표면에 부착할 수 있도록 나사공이 추가로 구비되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광섬유 격자는 변형률 측정에 사용되는 광섬유 격자와 온도 변화에 의한 오차를 보상하기 위한 광섬유 격자가 한 쌍으로 구비되게 할 수 있으며,이 경우 상기 한 쌍의 광섬유 격자는 상호 직렬로 연결되도록 하고, 변형률 측정을 위한 일측의 광섬유 격자는 고정판 표면에 부착되게 하고, 온도 보상을 위한 타측의 광섬유 격자는 고정판이나 측면케이스 및 덮개판의 어느 표면에도 부착되지 않는 자유상태로 설치되도록 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 측면 케이스에 조립되는 덮개판은 탈착이 용이하도록 하여 광섬유 격자 센서의 수리 및 유지가 용이하도록 하는 것이 바람직하다.

본 고안은 건물이나 교량과 같은 피측정물의 변형률을 측정하기 위한 광섬유 격자 센서에 관한 것으로, 이하 첨부된 도면에 따라 본 고안을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 고안 제1 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 내부 구성을 도시한 분해 사시도이고,

도 2 는 상기 도 1 의 고정판에 광섬유 격자가 부착된 상태를 나타낸 사시도이며,

도 3 은 본 고안 제1 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 조립상태를 도시한 사시도이다.

도 1 을 참조하면, 본 고안의 제1 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 외관 구조는 고정판(100), 측면 케이스(200), 덮개판(300)으로 구성된다. 상기 고정판(100), 측면 케이스 (200), 덮개판(300)은 나사를 사용하여 서로 조립되어 완전한 상자를 구성할 수 있다. 상기 고정판(100)에는 전체 센서를 피측정물 표면에 나사를 사용하여 부착하기 위해서 나사공(110)이 구비되어 있다. 또한 측면 케이스(200)에는 광어댑터(210,211)가 나사 등으로 고정되어 부착되어진다. 센서 케이스 내부에는 광섬유 격자(400)가 포함되어 있는 광섬유(410)가 구비된다.

도 2 를 참조하면, 상기 고정판(100)에 상기 광섬유 격자(400)가 접착제(500)를 이용하여 부착되며, 상기 접착제(500)로는 에폭시 수지 등이 사용되는 것이 바람직하다. 상기 광섬유 격자(400)를 포함하는 광섬유(410)의 양단은 광커넥터(420,421)로 처리되어 있도록 한다. 이 때 광섬유 격자(400)의 부착상태에 따라 변형률에 따른 응답특성이 달라지므로 접착제를 최대한 얇게 사용하도록 한다.

도 3 을 참조하면, 상기 고정판(100)과 상기 측면 케이스(200)는 나사로 체결되며, 상기 두 개의 광커넥터(420,421)는 상기 측면 케이스(200)의 두 개의 광어댑터(210,211)의 한 쪽에 각각 체결되어 고정된다. 외부로 나와 있는 광어댑터(210,211)의 다른 쪽은 리드 광케이블과 연결되거나, 여러 광섬유 격자 센서를 직렬로 연결하기 위해서 다른 광섬유 격자 센서와 광케이블을 이용해서 연결하는데 사용된다.

상기 덮개판(300)은 최종 조립시 측면 케이스(200)와 나사로 체결되어 전체 광섬유 격자 센서가 하나의 완전한 상자 모양을 가지게 된다. 따라서 광섬유 격자(400) 및 광섬유(410)가 외부로부터 완전히 보호되며, 상자 밖으로 노출되어 있지 않아 운반, 보관이 용이하다. 또한 산업 현장의 구조물에 설치하는 경우 파손 우려가 있는 광섬유가 외부에 전혀 노출되어 있지 않아 설치 및 사용이 용이하며, 장기간 사용시에도 외부충격에 의해서 파손될 문제가 없다. 상기 덮개판(300)의 경우는 나사로 상기 측면 케이스(200)에 체결되어 있으므로 센서 내부의 수리 및 변형을위해 쉽게 개폐가 가능하다.

한편, 도 4 는 본 고안의 제2 실시예에 따른 광섬유 격자 센서로서, 광어댑터(210,211)가 측면 케이스(200)의 같은 면에 위치하는 경우의 광섬유 격자 센서의 전체 조립상태를 도시한 도면이다.

상기 도 4 를 참조하면, 상기 측면 케이스(200)에 두 개의 광어댑터(210, 211)가 같은 면에 위치하고 있다. 이 경우는 고정판(100)에 부착되어 있는 광섬유 격자(400), 광섬유(410)가 케이스 내부에 U자형으로 놓여져서 전체 광섬유 격자 센서의 크기가 작아지는 장점을 가진다.

한편, 광섬유 격자(400)는 변형률뿐만 아니라 주위 온도에 의해서도 파장이 변화되기 때문에 장기계측에는 온도보정이 필수적으로 요구된다. 온도보정을 위해서 반사 파장(브래그 파장)이 다른 광섬유 격자를 추가로 사용하여 외부 온도 변화에 따른 오차를 원천적으로 보정할 수 있다.

도 5 는 본 고안의 제 3 실시예에 따른 광섬유 격자 센서를 도시한 것으로, 상기 도 3 에서 온도 보상용 광섬유 격자가 추가된 경우의 광섬유 격자 센서를 도시한 도면이다.

도 5 를 참조하면, 본 고안의 제3 실시예에 따른 광섬유 격자 센서는 상기 도 3 의 측면 케이스(200) 반대면에 두 개의 광어댑터(210,211)가 각각 위치하는 광섬유 격자 센서에 온도 보상용 광섬유 격자(401)가 첨가된 것이다.

즉, 상기 두 개의 광섬유 격자(400,401)는 직렬로 연결되며, 하나의 격자(400)는 변형률을 측정하기 위해서 고정판(100)에 부착되고, 다른 하나의 격자(401)는 온도에만 반응할 수 있도록 고정판(100), 측면 케이스(200), 덮개판(300) 어느 표면에도 부착되지 않도록 한다.

도 6 은 본 고안의 제 4 실시예에 따른 광섬유 격자 센서의 전체 결합상태를 도시한 사시도이다.

도 6 을 참조하면, 본 고안의 제 4 실시예에 따른 광섬유 격자 센서는 상기 도 4 의 측면 케이스(200)의 측면 동일면상에 두 개의 광어댑터(210,211)가 위치하는 광섬유 격자 센서에 온도 보상용 광섬유 격자(401)가 첨가된 것이다.

도시된 바와 같이, 상기 두 개의 광섬유 격자(400,401)는 직렬로 연결되며, 하나의 격자(400)는 변형률을 측정하기 위해서 고정판(100)에 부착되고, 다른 하나의 격자(401)는 온도에만 반응할 수 있도록 고정판(100), 측면 케이스(200), 덮개판(300) 어느 표면에도 부착되지 않도록 한다.

상기 광어댑터(210,211) 및 광커넥터(420,421)는 현재 시중에서 판매되는 SC, FC, ST, LC, MU, MTRJ, SMA, E-2000, PANDUIT, ESCON 등 다양한 종류를 사용할 수 있다. 상기 고정판(100), 측면 케이스(200), 덮개판(300)의 재료는 금속, 스테인레스 금속, 플라스틱, 복합재료 등을 사용할 수 있다.

상기 광섬유 격자 센서를 피측정물에 부착하기 위해서는 피측정물의 종류나 계측기간에 따라 부착방법을 달리할 수 있다. 나사홈을 만들 수 있는 피측정물의 경우에는 고정판(100)의 나사공(110)과 나사볼트 사용해서 상기 광섬유 격자 센서를 부착한다. 나사홈을 만들 수 없는 피측정물의 경우는 에폭시 등과 같은 접착제를 고정판(100) 밑면에 바르고 피측정물에 부착시킨다. 상기 나사볼트를 사용하여고정한 경우는 측정 완료후 쉽게 센서를 탈착할 수 있어, 다른 곳에 계속적으로 재사용할 수 있다. 또한 나사볼트로 고정되므로 장기계측, 단기계측에 상관없이 사용될 수 있다.

접착제를 사용하여 부착하는 경우는 통상적으로 한 곳에 지속적으로 설치하기 위한 것이므로, 온도, 습도 등의 환경 변화에 내구성이 강한 접착제를 사용해야 한다. 접착제를 사용하는 경우에도 탈착을 용이하게 하기위해서 열에 쉽게 녹는 에폭시를 사용할 수도 있다.

이상의 실시예에 따른 본 고안은, 광섬유 격자(400)를 포함하는 광섬유(410) 및 광커넥터(420,421) 모두가 센서 케이스 안에 위치되어 외부충격에 의해서 파손되기 쉬운 광섬유 및 광부품이 케이스 외부로 노출되지 않도록 함으로써, 센서의 설치작업이 보다 용이해지고, 설치 후 파손의 우려도 적어 장기간의 사용이 가능해지며, 탈,장착성이 좋아 반복적인 사용도 가능해진다.

이상의 실시예는 본 고안을 설명하기 위한 예시적인 것에 불과하며, 본 고안의 실시 형태가 전술한 실시예에 국한되는 것은 아니다. 전술한 본 고안의 기술적 사상의 범위내에서 본 고안이 속하는 기술 분야의 당업자가 용이하게 변경 또는 대체할 수 있는 것은 본 고안의 권리 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

이상에서 서술한 바와 같이 본 고안의 광섬유 격자 센서는 사용이 간편하고, 파손 우려가 없어 작업성이 뛰어나다. 따라서 비전문가일 경우에도 상기 광섬유 격자 센서를 용이하게 설치할 수 있으며, 외부 충격으로부터 광섬유 센서를 확실하게보호할 수 있다. 따라서 광섬유 센서 설치의 시간과 비용절감이 이루어지고, 종래 외부요인에 따라 잘못된 측정값이 얻어지는 폐단이 방지된다. 또한 토목구조물의 상시 안전계측을 가능하게 할 뿐만 아니라, 정기 안전점검 때마다 전기식 스트레인 게이지를 매번 설치해야 했던 번거로움을 해소할 수 있다. 또한 고가의 광섬유 격자 센서를 반영구적으로 재사용할 수 있으므로 경제적이다.

따라서 실제 산업 현장에서 광섬유 센서의 적용 범위를 확대하고, 본 고안의 광섬유 격자 센서가 구조물 안전 관리에 사용되어 막대한 재산과 인명 피해가 발생하는 구조물의 파괴를 미연에 경고할 수 있고, 구조물의 유지 및 보수비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

Claims (7)

1. 하부 고정판, 측면 케이스, 상부덮개로 이루어지는 밀폐된 케이스 내부에 광섬유 격자를 구비한 변형률 측정용 광섬유 격자 센서로서,

   상기 광섬유 격자는 상기 고정판 표면에 접착제로 부착되고,

   상기 광섬유 격자를 포함하는 광섬유의 양단에 광커넥터가 연결되고,

   상기 광커넥터의 양단은 상기 측면 케이스에 체결되어 있는 두 개의 광어댑터에 각각 연결되도록 하여,

   상기 광섬유 격자, 상기 광섬유, 상기 광커넥터가 밀폐, 보호되어 케이스 외부로 노출되지 않도록 한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 측면 케이스에 체결되어 있는 두 개의 광어댑터는 측면 케이스의 동일면 또는 상호 대향한 면상에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정판에는 상기 광섬유 격자 센서를 나사를 이용해서 피측정물 표면에 부착할 수 있도록 나사공이 추가로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광섬유 격자는 변형률 측정에 사용되는 광섬유 격자와 온도 변화에 의한 오차를 보상하기 위한 광섬유 격자가 한 쌍으로 구비되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 한 쌍의 광섬유 격자는 상호 직렬로 연결되고, 변형률 측정을 위한 하나의 광섬유 격자는 고정판 표면에 부착되고, 온도 보상을 위한 다른 하나의 광섬유 격자는 고정판이나 측면케이스 및 덮개판의 어느 표면에도 부착되지 않는 자유상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 광커넥터 및 상기 광어댑터는 SC, FC, ST, LC, MU, MTRJ, SMA, E-2000, PANDUIT, ESCON 형태중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 고정판, 상기 측면 케이스, 상기 덮개판의 재료는 금속, 스테인레스 금속, 플라스틱, 복합재료 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.