KR20050099089A - Wireless optical fiber grating sensor for measuring defomation of structure and system thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 광섬유격자 센서 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 시스템에 관한 것으로서, 구조물 변형 측정시스템은 적어도 하나의 광원과, 광원에서 출사된 광을 입사받을 수 있도록 접속되어 있고 다수의 격자가 비선형적으로 어레이된 적어도 하나의 광섬유격자가 마련된 광섬유격자 구조체와, 광섬유격자에서 반사되거나 투과된 광을 검출할 수 있도록 접속된 적어도 하나의 광검출기 및 광검출기에서 출력되는 광량정보를 무선으로 송출하는 무선송신부를 구비하는 적어도 하나의 무선 광섬유격자 센서와, 무선 광섬유격자센서로부터 송신된 정보를 수신받아 광섬유격자 구조체가 장착된 측정대상체와 관련된 변형 정보를 산출하는 변형량 산출부를 구비한다. 이러한 무선 광섬유격자 센서 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 시스템에 의하면 구조가 간단하면서도 규모가 작은 무선 광섬유격자 센서를 측정대상체에 설치하고, 무선 광섬유격자센서로부터 무선으로 송신된 광량정보를 이용하여 측정대상체에 대한 구부림, 응력, 온도 등과 같은 변형요소와 관련된 물리량을 원격지에서 산출할 수 있어 시설이 용이하고, 설치거리에 대한 제약이 완화되는 장점을 제공한다.The present invention relates to a wireless optical fiber grating sensor and a structure deformation measurement system using the same, wherein the structure deformation measurement system is connected to at least one light source and to receive light emitted from the light source, and a plurality of gratings are arranged in a nonlinear array. An optical fiber lattice structure provided with at least one optical fiber lattice, at least one optical detector connected to detect the light reflected or transmitted from the optical fiber lattice, and a wireless transmitter for wirelessly transmitting the light quantity information output from the optical detector And at least one wireless optical fiber lattice sensor and a deformation amount calculation unit configured to receive information transmitted from the wireless optical fiber lattice sensor and calculate deformation information related to a measurement object to which the optical fiber lattice structure is mounted. According to the wireless fiber optic lattice sensor and the structure deformation measuring system using the same, a simple and small structure of the wireless fiber optic lattice sensor is installed on the measurement object, and the light quantity information transmitted wirelessly from the wireless fiber optic lattice sensor is used for the measurement object. The physical quantity related to deformation factors such as bending, stress, and temperature can be calculated at a remote location, which provides the advantage of ease of installation and ease of restrictions on installation distance.
Description
본 발명은 무선 광섬유격자 센서 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 시스템 에 관한것으로서, 상세하게는 측정대상 구조체의 변형과 관련된 물리량을 무선으로 전송하여 원격지에서 측정할 수 있는 무선 광섬유격자 센서 및 이를 적용한 구조물 변형 측정시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a wireless fiber optic lattice sensor and a structure deformation measurement system using the same, and more particularly, to a wireless fiber optic lattice sensor and structure deformation measurement using the same, which transmits a physical quantity related to deformation of a structure to be measured wirelessly. It is about the system.
광통신용 및 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.Optical fiber gratings, which are widely used for optical communication and sensors, are engraved with a plurality of gratings spaced apart from each other along the longitudinal direction of the optical fiber, and the wavelength of light reflected from the grating varies depending on the ambient temperature or the degree of tension.
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 굴절율이나 길이가 변화되고 그에 따라 반사되는 빛의 파장이 변화된다.Since the optical fiber lattice reflects only wavelengths satisfying Bragg conditions according to ambient temperature or tensile strength and transmits other wavelengths as it is, the refractive index or length of the optical fiber is changed when the ambient temperature of the lattice is changed or when the lattice is applied to the lattice. The wavelength of the light that is changed and reflected is changed accordingly.
이러한 광섬유격자의 특성을 이용한 광섬유격자 센서는 교량, 댐, 건축물 등의 변형을 검출하여 안전상태를 진단하거나, 항공기의 날개 상태 등을 진단하는 용도로 다양하게 응용되고 있다.The optical fiber grating sensor using the characteristics of the optical fiber grating has been widely applied to diagnose the safety state by detecting deformation of bridges, dams, buildings, etc., or to diagnose the wing state of an aircraft.
종래의 광섬유 격자를 이용한 구조물 변형측정장치는 광원으로부터 출사된 광을 입사받을 수 있도록 광섬유격자를 측정대상체에 설치하고, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 분석할 수 있는 광스펙트럼 분석기를 유선상으로 광섬유를 이용하여 광섬유격자와 연결되도록 시설하여 이용하였다. 이러한 장치는 측정대상체와 이를 분석하기 위한 분석실 사이의 거리가 멀 경우 광섬유격자와 광스펙트럼 분석기를 연결하기 위해 광선로의 시설에 소요되는 작업시간 및 경비가 많이 들고, 광선로가 단선되었을 때 이를 찾아내어 보수하기가 어려운 단점이 있다.The structure deformation measuring apparatus using a conventional optical fiber grating is provided with an optical spectrum analyzer capable of installing a fiber grating on a measurement object to receive light emitted from a light source and analyzing a wavelength change of light reflected from the fiber grating. It was used to install the facility to be connected to the optical fiber grating using. These devices require a lot of work time and expense to install optical fiber gratings and optical spectrum analyzers when the distance between the measuring object and the analyzer for analyzing them is long, and to find and repair them when the optical fiber is disconnected. There are disadvantages that are difficult to do.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 상세하게는 구조가 간단하면서도 측정대상체와 관련된 변형 정보를 광량변화정보로 생성하여 무선으로 송출할 수 있는 무선 광섬유격자 센서 및 이를 센서 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, and in detail, the structure is simple, but the wireless fiber optic lattice sensor and the sensor and the same that can be sent out wirelessly by generating deformation information related to the measurement object as light quantity change information The purpose of the present invention is to provide a structural deformation measurement system.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 무선 광섬유격자 센서는 적어도 하나의 광원과; 상기 광원에서 출사된 광을 입사받을 수 있도록 접속되어 있고, 다수의 격자가 비선형적으로 어레이된 적어도 하나의 광섬유격자가 마련된 광섬유격자 구조체와; 상기 광섬유격자에서 반사되거나 투과된 광을 검출할 수 있도록 접속된 적어도 하나의 광검출기와; 상기 광검출기에서 출력되는 광량정보를 무선으로 송출하는 무선송신부;를 구비한다.In order to achieve the above object, a wireless optical fiber grating sensor according to the present invention comprises at least one light source; An optical fiber lattice structure connected to receive the light emitted from the light source and provided with at least one optical fiber lattice in which a plurality of gratings are arranged non-linearly; At least one photodetector connected to detect light reflected or transmitted from the optical fiber grid; And a wireless transmitter for wirelessly transmitting the light quantity information output from the photodetector.
바람직하게는 상기 광섬유격자 구조체는 적어도 하나의 지지체를 구비하고, 상기 광섬유격자는 다수의 격자가 상호 이격되게 형성된 부분이 굴곡진 패턴으로 상기 지지체에 지지될 수 있게 설치된다.Preferably, the optical fiber grating structure has at least one support, and the optical fiber grating is installed such that portions formed with a plurality of gratings spaced apart from each other can be supported by the support in a curved pattern.
본 발명의 일 측면에 따르면 상기 지지체는 측정대상체에 고정하기 위한 제1 및 제 2지지체와; 상기 제1지지체와 상기 제2지지체 사이에 굴곡진 형상으로 결합된 굴곡지지 가이드부재;를 구비하고, 상기 광섬유격자는 상기 굴곡지지 가이드부재의 연장 패턴에 대응되게 상기 굴곡지지 가이드부재에 결합된다.According to an aspect of the invention the support includes a first and a second support for fixing to the measurement object; And a curved support guide member coupled in a curved shape between the first support and the second support, wherein the optical fiber grating is coupled to the curved support guide member to correspond to an extension pattern of the curved support guide member.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면 상기 지지체는 플렉서블한 소재로된 판형 지지체이고, 상기 광섬유격자는 상기 판형 지지체에 굴곡진 패턴으로 고정된다.According to another aspect of the invention the support is a plate-like support made of a flexible material, the optical fiber grating is fixed in a curved pattern to the plate-like support.
또한, 상기 지지체에는 제1굴곡패턴으로 굴곡진 제1광섬유격자와, 상기 제1광섬유격자의 제1굴곡패턴과 다르게 제2굴곡패턴으로 굴곡진 제2광섬유격자가 상호 이격되게 설치된 것이 적용될 수 있다.In addition, the first optical fiber lattice bent in the first bending pattern and the second optical fiber lattice bent in the second bending pattern may be applied to the support to be spaced apart from each other, unlike the first bending pattern of the first optical fiber lattice. .
또한, 상기 광섬유격자 구조체는 격자 간격의 주기가 다르게 형성된 처핑된 광섬유격자가 적용될 수 있다.In addition, the fiber grating structure may be applied to the chirped fiber grating formed with a different period of the grating spacing.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 구조물 변형 측정 시스템은 적어도 하나의 광원과, 상기 광원에서 출사된 광을 입사받을 수 있도록 접속되어 있고 다수의 격자가 비선형적으로 어레이된 적어도 하나의 광섬유격자가 마련된 광섬유격자 구조체와, 상기 광섬유격자에서 반사되거나 투과된 광을 검출할 수 있도록 접속된 적어도 하나의 광검출기 및 상기 광검출기에서 출력되는 광량정보를 무선으로 송출하는 무선송신부를 구비하는 적어도 하나의 무선 광섬유격자 센서와; 상기 무선 광섬유격자센서로부터 송신된 정보를 수신받아 상기 광섬유격자 구조체가 장착된 측정대상체와 관련된 변형 정보를 산출하는 변형량 산출부;를 구비한다.In addition, in order to achieve the above object, the structure deformation measurement system according to the present invention is connected to at least one light source and the light emitted from the light source and at least one of the plurality of gratings are arranged non-linearly An optical fiber grid structure provided with an optical fiber grid, at least one optical detector connected to detect the light reflected or transmitted from the optical fiber grid, and a wireless transmitter for wirelessly transmitting the light quantity information output from the optical detector; A wireless fiber optic lattice sensor; And a deformation amount calculator configured to receive the information transmitted from the wireless optical fiber grating sensor and calculate deformation information related to a measurement target to which the optical fiber grating structure is mounted.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 광섬유격자 센서 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 시스템을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail the wireless optical fiber grating sensor and structure deformation measurement system applying the same according to an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광섬유 격자 센서가 적용된 구조물 변형 측정 시스템을 나타내 보인 도면이다.1 is a view showing a structure deformation measurement system to which a wireless fiber optic grating sensor is applied according to an embodiment of the present invention.
도면을 참조하면, 구조물 변형 측정 시스템(100)은 무선 광섬유 격자 센서(110)와 변형량 산출부(120)를 구비한다.Referring to the drawings, the structure deformation measurement system 100 includes a wireless fiber optic grating sensor 110 and the deformation amount calculation unit 120.
무선 광섬유 격자 센서(110)는 광원(111), 방향성 광결합기(112), 광섬유격자 구조체(200), 광검출기(114), 무선 송신부(116)를 구비한다.The wireless fiber optic grating sensor 110 includes a light source 111, a directional optical coupler 112, an optical fiber grating structure 200, a photodetector 114, and a wireless transmitter 116.
광원(111)은 넓은 대역의 파장의 광을 출사할 수 있는 것이 적용되는 것이 바람직하다. 일 예로서 광원(111)은 발광다이오드가 적용될 수 있다.It is preferable that the light source 111 be capable of emitting light of a wide band of wavelengths. As an example, a light emitting diode may be applied to the light source 111.
방향성 광결합기(112)는 광원(111)으로부터 출사된 광을 광섬유격자 구조체(200)로 전송하고, 광섬유격자 구조체(200)에서 반사된 광은 광검출기(114)로 전송한다.The directional optical coupler 112 transmits the light emitted from the light source 111 to the optical fiber grid structure 200, and the light reflected from the optical fiber grid structure 200 is transmitted to the photodetector 114.
방향성 광결합기(112)로는 옵티컬 서큘레이터(optical circulator)가 적용될 수 있다.An optical circulator may be applied to the directional optical coupler 112.
광섬유격자 구조체(200)는 광원(111)에서 출사된 광을 입사받을 수 있도록 방향성 광결합기(112)와 접속되어 있다.The optical fiber lattice structure 200 is connected to the directional optical coupler 112 to receive the light emitted from the light source 111.
광섬유격자 구조체(200)는 다수의 격자가 비선형적으로 어레이된 적어도 하나의 광섬유격자를 구비한다. 여기서 비선형적으로 어레이된 광섬유격자는 광섬유에 비선형적인 간격으로 격자가 새겨진 것 또는 등간격으로 격자가 새겨진 광섬유를 격자 간격이 상호 달라지도록 구조적으로 변형시킨 것 모두를 포함한다.The optical fiber grating structure 200 includes at least one optical fiber grating in which a plurality of gratings are arranged non-linearly. Here, the nonlinearly arranged optical fiber grating includes both a lattice engraved at nonlinear intervals in the optical fiber or a structure in which the grating engraved at equal intervals is structurally modified to have different lattice spacings.
이러한 광섬유격자 구조체(200)에 대한 상세구조는 후술한다.The detailed structure of the optical fiber grid structure 200 will be described later.
광검출기(114)는 방향성 광결합기(112)로부터 입사된 광량에 대응되는 전기적 신호를 출력한다. 광검출기(114)는 포토 다이오드가 적용될 수 있다.The photodetector 114 outputs an electrical signal corresponding to the amount of light incident from the directional optical coupler 112. The photodetector 114 may be applied with a photodiode.
무선 송신부(116)는 광검출기(114)에서 출력된 전기적 신호에 대응되는 정보를 무선 신호로 변조하여 안테나를 통해 송출한다.The wireless transmitter 116 modulates the information corresponding to the electrical signal output from the photodetector 114 into a wireless signal and transmits the information through the antenna.
변형량 산출부(120)는 무선송신부(116)로부터 송신된 신호를 안테나를 통해 수신받아 복조하고, 복조에 의해 취득된 정보 즉, 광검출기(33)에서 취득된 광량정보로부터 측정대상체에 대해 측정하고자 하는 변형요인에 대응한 물리량을 산출한다.The deformation amount calculation unit 120 receives and demodulates a signal transmitted from the radio transmitter 116 through an antenna, and measures the measurement object based on information acquired by the demodulation, that is, light quantity information acquired by the photodetector 33. The physical quantity corresponding to the deformation factor is calculated.
이러한 변형량 산출부(120)는 광검출기(114)에서 취득된 광량에 따라 측정대상체와 관련된 물리량을 산출할 수 있는 산출식 또는 룩업테이블에 기억된 레퍼런스 데이터를 이용하여 변형량 예를 들면 측정대상체에 인가된 스트레인 값 또는 주변 온도를 산출한다.The deformation amount calculation unit 120 applies the deformation amount, for example, to the measurement object, using reference data stored in a look-up table or a calculation formula capable of calculating a physical quantity related to the measurement object according to the amount of light acquired by the photodetector 114. Calculated strain value or ambient temperature.
도시된 예와 다르게 도 2에 도시된 바와 같이 무선 광섬유격자센서(130)는 광검출기(115)가 광섬유격자 구조체(200)를 통과한 광의 광량을 검출할 수 있도록 설치될 수 있음은 물론이다. 이 경우 방향성 광결합기(112)는 생략된다.Unlike the illustrated example, as shown in FIG. 2, the wireless optical fiber grating sensor 130 may be installed to allow the photodetector 115 to detect the amount of light passing through the optical fiber grating structure 200. In this case, the directional optical coupler 112 is omitted.
즉, 무선 광섬유격자 센서(130)는 광섬유격자구조체(200)를 투과한 광량을 검출할 수 있도록 광섬유격자 구조체(200)의 양단에 광원(111)과 광검출기(115)가 각각 직렬상으로 결합되어 있다. That is, the wireless optical fiber grid sensor 130 is coupled to the light source 111 and the photodetector 115 in series at both ends of the optical fiber grid structure 200 so as to detect the amount of light transmitted through the optical fiber grid structure 200. It is.
이하에서는 광섬유격자 구조체(200)의 변형에 대응되어 반사대역폭이 가변됨으로써 반사광량 및 투과광량이 가변될 수 있는 광섬유격자 구조체(200)에 대해 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the optical fiber lattice structure 200 in which the reflected light bandwidth and the transmitted light amount may be varied by changing the reflection bandwidth corresponding to the deformation of the optical fiber lattice structure 200 will be described in more detail.
먼저, 광섬유격자 구조체(200)는 격자 간격이 비선형적으로 새겨진 처핑된 광섬유격자(Chirped Fiber Bragg Grating)를 이용할 수 있다. 처핑된 광섬유격자의 제조방법 및 구조는 공지되어 있고 상세한 설명은 생략한다.First, the optical fiber grating structure 200 may use a chirped fiber bragg grating non-linearly engraved grating spacing. The manufacturing method and structure of the chirped optical fiber grating is known and the detailed description is omitted.
처핑된 광섬유격자는 초정밀 제조기술에 의해 제조되기 때문에 제조과정이 복잡하고 고가인 단점이 있다.The chirped optical fiber grating is manufactured by ultra-precision manufacturing technology, which makes the manufacturing process complicated and expensive.
따라서, 바람직하게는 보다 제작이 용이하면서도 측정대상물의 변형에 대응되는 광량변화를 생성할 수 있는 구조의 광섬유격자 구조체(200)를 적용하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable to apply the optical fiber lattice structure 200 of the structure that can be more easily manufactured and can generate a light amount change corresponding to the deformation of the measurement object.
이러한 광섬유격자 구조체의 일 예가 도 3에 도시되어 있다.An example of such a fiber grating structure is shown in FIG. 3.
도 3을 참조하면, 광섬유 격자 구조체(210)는 제1 및 제2지지체(211)(213)와, 굴곡지지 가이드부재(215) 및 광섬유격자(217)를 구비한다.Referring to FIG. 3, the optical fiber grating structure 210 includes first and second support members 211 and 213, a bending support guide member 215, and an optical fiber grid 217.
제1 및 제2지지체(211)(213)는 굴곡지지 가이드부재(215)를 지지한다.The first and second supports 211 and 213 support the bent support guide member 215.
제1 및 제2지지체(211)(213)는 건물, 교량과 같은 측정대상체에 실리콘, 에폭시와 같은 접착제 또는 볼트 등 공지된 다양한 고정용 부재에 의해 고정된다.The first and second supports 211 and 213 are fixed to a measurement object such as a building or a bridge by various known fixing members such as an adhesive such as silicone or epoxy or a bolt.
굴곡지지 가이드부재(215)는 굴곡진 패턴으로 형성되어 있고, 소정 거리 이격된 제1 및 제2지지체(211)(213)에 양단이 결합되어 있다.The curved support guide member 215 is formed in a curved pattern, and both ends thereof are coupled to the first and second support members 211 and 213 spaced a predetermined distance apart.
바람직하게는 굴곡지지 가이드부재(215)는 제1 및 제2지지체(211)(213)에 지지된 상태에서 굴곡진 형상을 유지하되, 온도, 스트레인과 같은 외부환경요인에 의해 민감하게 감응할 수 있는 플레서블한 소재로 형성되는 것이 바람직하다.Preferably, the curved support guide member 215 maintains the curved shape while being supported by the first and second support members 211 and 213, but can be sensitively sensitive to external environmental factors such as temperature and strain. It is desirable to be formed of flexible material.
제1지지체(211)와 제2지지체(213) 및 굴곡지지 가이드부재(215)는 동일 소재로 일체로 형성될 수 있음은 물론이다.Of course, the first support 211 and the second support 213 and the curved support guide member 215 may be integrally formed of the same material.
도시된 예와 다르게 굴곡지지 가이드부재(215)가 직접 설정된 굴곡패턴으로 측정대상체에 고정될 수 있음은 물론이고, 이 경우 굴곡지지 가이드부재(215)가 지지체가 된다.Unlike the illustrated example, the bending support guide member 215 may be fixed to the measurement object in a directly set bending pattern. In this case, the bending support guide member 215 becomes a support.
광섬유격자(217)는 굴곡지지 가이드부재(215)의 굴곡패턴을 따라 굴곡지지 가이드부재(215)에 고정되게 결합되어 있다.The optical fiber grid 217 is fixedly coupled to the bending support guide member 215 along the bending pattern of the bending support guide member 215.
광섬유격자(217)의 굴곡지지 가이드부재(215)에 대한 고정방법은 에폭시와 같은 수지 또는 그 밖의 접착제를 이용하여 고정시킬 수 있다.The fixing method of the bending support guide member 215 of the optical fiber grid 217 may be fixed using a resin such as epoxy or other adhesive.
광섬유격자(217)의 양단(217a)(217b) 중 적어도 일단은 방향성 광결합기(112) 또는 광검출기(114)(115)와 접속된다.At least one of both ends 217a and 217b of the optical fiber grid 217 is connected to the directional optical coupler 112 or the photodetector 114 and 115.
광섬유격자(217)는 선형 광섬유에 등간격으로 격자가 새겨진 것을 굴곡지지가이드부재(215)의 굴곡패턴을 따라 강제적으로 구부려 앞서 설명된 방법에 의해 고정시켜 굴곡패턴을 갖도록 하면 된다.The optical fiber grid 217 may be forcibly bent along the bending pattern of the bending support guide member 215 by having a lattice engraved at an equal interval on the linear optical fiber and fixed by the method described above to have the bending pattern.
이러한 구조의 광섬유격자 구조체(210)는 굴곡진 패턴에 의해 비선형적인 격자가 강제적으로 형성된다. In the optical fiber grid structure 210 of this structure, a nonlinear grating is forcibly formed by a curved pattern.
따라서, 광섬유격자 구조체(210)는 외부로부터 인가된 변형요인 예를들면 스트레인 또는 온도에 의해 격자형성부분(217a)이 위치별로 상호 다른 스트레인이 발생되고, 그에 따라 입사광에 대한 반사대역폭이 달라진다. 즉, 광섬유격자(217)가 변형될 수 있는 외부요인에 의해 반사되는 광의 세기가 변화된다. Accordingly, in the optical fiber lattice structure 210, strains different from each other are generated depending on positions of the grid forming part 217a due to strains applied from the outside, for example, strain or temperature, and thus the reflection bandwidth of the incident light varies. That is, the intensity of light reflected by an external factor that can deform the optical fiber grid 217 is changed.
이러한 굴곡 구조의 광섬유격자(217)가 외부 요인에 의해 변형될 때 반사대역폭이 가변됨을 확인하기 위한 실험결과가 도 4에 도시되어 있다. Experimental results for confirming that the reflection bandwidth is variable when the optical fiber grating 217 of the curved structure is deformed by external factors are shown in FIG. 4.
실험은 등간격으로 격자가 새겨진 광섬유격자를 제1지지체(211)와 제2지지체(213) 사이에 직선상으로 펴지도록 연장시킨 상태에서 광섬유격자(217)가 도 1에 도시된 바와 같이 사인파 형태로 굴곡지도록 압축되는 방향으로 거리를 달리하여 이동시킨 상태에서 중심파장이 1537나노미터인 광원으로부터 입사된 광에 대해 광섬유격자(217)로부터 반사된 광의 파장대역을 측정하였다. 도면에서 영문자 d로 표기된 값은 광섬유 격자(217)가 직선상태로 펴진 초기 위치에서 제2지지체(213)를 제1지지체(211)로 방향으로 미세하게 이동시켰을 때의 이동거리이다.In the experiment, the optical fiber grating 217 has a sinusoidal shape as shown in FIG. 1 in a state in which the optical fiber grating engraved with an equal interval is extended so as to extend in a straight line between the first support 211 and the second support 213. The wavelength band of the light reflected from the optical fiber grating 217 was measured with respect to light incident from a light source having a central wavelength of 1537 nanometers while being moved at different distances in a compression direction to be curved. The value denoted by the letter d in the figure is a moving distance when the second support 213 is moved finely in the direction to the first support 211 at the initial position where the optical fiber grating 217 is straightened.
도 4를 통해 알 수 있는 바와 같이 제2지지체(213)가 제1지지체(211)쪽으로 이동시킨 거리가 증가할 수 록 수직상의 폭이 증가되는 형태로 변형되는 광섬유격자(217)의 굴곡패턴 변형에 대응하여 반사광의 대역폭이 증가된다.As can be seen from FIG. 4, the bending pattern of the optical fiber grid 217 is deformed to increase in the vertical width as the distance moved by the second support 213 toward the first support 211 increases. Correspondingly, the bandwidth of the reflected light is increased.
따라서, 굴곡진 광섬유격자(217)로부터 반사된 광 또는 투과광의 세기(intensity)를 측정하면 측정대상체에 대해 측정하고자 하는 물리량 예를 들면, 온도, 스트레인, 구부림, 진동 등을 측정할 수 있다.Therefore, when the intensity of the reflected light or transmitted light reflected from the curved optical fiber grid 217 is measured, the physical quantity, for example, temperature, strain, bending, vibration, etc., to be measured for the measurement object can be measured.
도 5에는 또 다른 구조의 광섬유격자 구조체가 도시되어 있다.5 shows another structure of the optical fiber lattice structure.
도면을 참조하면, 광섬유격자 구조체(220)는 판형 지지체(221)와, 판형 지지체(221)에 격자형성부분(227a)이 굴곡진 패턴으로 고정된 광섬유격자(227)를 구비한다.Referring to the drawings, the optical fiber lattice structure 220 includes a plate-like support 221 and an optical fiber lattice 227 having a lattice forming portion 227a fixed to the plate-like support 221 in a curved pattern.
판형 지지체(221)는 플렉서블한 소재로 형성되는 것이 바람직하다.The plate support 221 is preferably formed of a flexible material.
판형 지지체(221)에 대한 광섬유격자(227)의 고정방법은 앞서 설명된 바와 같이 격자가 등간격으로 형성된 선형 광섬유격자를 굴곡지게 외력을 가한 상태에서 판형지지체(221)에 에폭시와 같은 고정부재로 고정시키는 방법이 적용될 수 있다.As described above, the fixing method of the optical fiber grating 227 to the plate support 221 is a fixing member such as epoxy to the plate support 221 in a state in which the linear optical fiber grating having the lattice formed at equal intervals is flexibly applied to the plate support 221. The method of fixing may be applied.
이와는 다르게 판형지지체(221)에 형성하고자 하는 광섬유격자(227)의 굴곡패턴에 대응되게 수용홈 또는 삽입홀을 형성시키고, 이 수용홈 또는 삽입홀에 광섬유격자를 수납시켜 고정시켜도 된다.Alternatively, the receiving groove or the insertion hole may be formed to correspond to the bending pattern of the optical fiber grid 227 to be formed in the plate-shaped support 221, and the optical fiber grid may be accommodated and fixed in the receiving groove or the insertion hole.
이러한 광섬유격자 구조체(220)는 판형 지지체(221)를 측정대상체에 결합부재를 이용하여 고정시켜 사용하면 된다.The optical fiber lattice structure 220 may be used by fixing the plate-like support 221 to the measurement object using a coupling member.
광섬유격자 구조체(200)에 적용되는 광섬유격자의 굴곡패턴은 앞서 설명된 사인파형 외에도 도 6에 도시된 바와 같이 판형 지지체(231)에 'S'자형으로 굴곡 패턴이 형성된 광섬유격자(237)가 고정된 구조 등 다양한 비선형 격자 패턴이 적용될 수 있음은 물론이다.As the bending pattern of the optical fiber grating applied to the optical fiber grating structure 200, in addition to the sinusoidal wave described above, the optical fiber grating 237 having the curved pattern formed in the 'S' shape is fixed to the plate-shaped support 231 as shown in FIG. 6. Of course, a variety of non-linear lattice patterns, such as a structure can be applied.
이러한 구조의 광섬유 격자 구조체가 적용된 변형물 변형 측정시스템(100)에 의하면 광섬유격자센서(110)(130)를 측정대상체에 설치하고, 변형량 산출부(120)는 광섬유격자센서(110)(130)로부터 무선으로 송출되는 신호에 포함된 광섬유격자 구조체(200)의 반사광량 또는 투과광량 정보를 분석하여 측정대상체에 인가된 스트레인과 같은 변형량을 정량적으로 산출할 수 있다.According to the strain deformation measurement system 100 to which the optical fiber grating structure having such a structure is applied, the optical fiber grating sensors 110 and 130 are installed on the measurement object, and the strain calculation unit 120 includes the optical fiber grating sensors 110 and 130. The amount of deformation such as strain applied to the measurement target may be quantitatively calculated by analyzing the reflected light amount or the transmitted light amount information of the optical fiber grid structure 200 included in the signal transmitted wirelessly from.
한편, 광섬유격자는 일반적으로 스트레인 외에도 온도에 의해서도 신축될 수 있다.On the other hand, the optical fiber lattice can generally be stretched by temperature in addition to strain.
따라서, 측정대상체의 외부환경이 온도가 가변되지 않거나, 스트레인이 가변되지 않는 경우 어느 하나의 물리적 환경요인에 의한 변형량을 앞서 설명된 비선형 격자 구조를 갖는 광섬유격자 구조체(200)를 이용하여 측정할 수 있다.Therefore, when the external environment of the object to be measured does not vary in temperature or strain does not vary, the deformation amount caused by any one of the physical environmental factors may be measured using the optical fiber grid structure 200 having the nonlinear grating structure described above. have.
이와는 다르게 온도 및 스트레인 각각에 대해서 광섬유격자가 변형될 수 있는 환경에서 어느 하나 또는 각각의 물리량을 산출하기 위해서는 두개의 독립 파라미터가 필요하다.In contrast, two independent parameters are required to calculate any one or each physical quantity in an environment in which an optical fiber lattice can be deformed for each of temperature and strain.
따라서, 이러한 환경에서 사용될 수 있도록 광섬유격자의 굴곡패턴의 구조에 따라 외부환경에 대한 반사광의 대역폭이 상호 다르게 나타나는 특성을 이용하여 형상이 다른 복수의 굴곡패턴을 갖는 복수의 광섬유격자를 이용하여 복수의 물리량을 측정할 수 있음은 물론이다.Therefore, a plurality of optical fiber gratings having a plurality of bending patterns having different shapes may be used by using a characteristic in which the bandwidth of reflected light to the external environment is different depending on the structure of the bending pattern of the optical fiber grating so that it can be used in such an environment. Of course, the physical quantity can be measured.
이러한 구조의 광섬유격자 구조체의 일 예가 도 8에 도시되어 있다.An example of the optical fiber lattice structure of this structure is shown in FIG. 8.
도 8을 참조하면, 광섬유격자 구조체(240)는 판형 지지체(241)의 상면에 사인파형 제1굴곡패턴이 형성된 제1광섬유격자(243)와 판형지지체(241)의 저면에 'S'자형 제2굴곡패턴이 형성된 제2광섬유격자(245)를 구비한다.Referring to FIG. 8, the optical fiber grating structure 240 is formed of an 'S' shaped material on a bottom surface of the first optical fiber grating 243 and the plate support 241 having a sinusoidal first bend pattern formed on an upper surface of the plate support 241. A second optical fiber grating 245 having a two bend pattern is provided.
도시된 예와 다르게 동일 면상에 상호 다른 굴곡패턴을 갖는 제1광섬유격자(243) 및 제2광섬유격자(245)가 상호 이격되게 형성될 수 있음은 물론이다.Unlike the illustrated example, the first optical fiber lattice 243 and the second optical fiber lattice 245 having different bending patterns on the same surface may be formed to be spaced apart from each other.
이러한 구조의 광섬유격자구조체(240)가 적용된 무선 광섬유 격자 센서가 도 9에 도시되어 있다.A wireless fiber grating sensor to which the optical fiber lattice structure 240 of this structure is applied is shown in FIG. 9.
도면을 참조하면, 무선 광섬유 격자센서(140)는 제1광원(141), 제1방향성 광결합기(142), 제1광검출기(143), 제1무선 송신부(144), 제2광원(146), 제2방향성 광결합기(147), 제2광검출기(148), 제2무선송신부(149) 및 광섬유격자센서(240)를 구비한다.Referring to the drawings, the wireless fiber optic grating sensor 140 includes a first light source 141, a first directional optical coupler 142, a first light detector 143, a first wireless transmitter 144, and a second light source 146. ), A second directional optical coupler 147, a second photodetector 148, a second wireless transmitter 149, and an optical fiber grating sensor 240.
이러한 무선 광섬유 격자센서(140)는 판형 지지체(241)에 인가된 동일한 외부환경요인에 대해 제1광섬유격자(243)와 제2광섬유격자(245)의 입사광에 대한 반사광의 대역폭이 상호 다르기 때문에 제1 및 제2광검출기(143)(148)를 통해 각각 취득된 각 광섬유격자(243)(245)의 반사 광량 정보를 이용하면, 변형 원인이 온도, 스트레인 중 어느 하나에 의한 것인지 아니면 모두 다에 의한 것인지를 판단 및 산출할 수 있다.The wireless optical fiber grating sensor 140 has a bandwidth of reflected light with respect to incident light of the first optical fiber grating 243 and the second optical fiber grating 245 with respect to the same external environmental factor applied to the plate-shaped support 241. Using the reflected light quantity information of each optical fiber grating 243 and 245 acquired through the first and second photodetectors 143 and 148, respectively, whether or not the cause of deformation is caused by temperature or strain Can be determined and calculated.
또한, 도 8에서 방향성 광결합기(142)(147)가 생략되고, 광검출기(143)(148)가 각 광섬유격자(243)(245)를 투과한 광을 검출할 수 있도록 접속될 수 있음은 물론이다.In addition, in FIG. 8, the directional optical coupler 142 and 147 may be omitted, and the photodetectors 143 and 148 may be connected to detect the light transmitted through each of the optical fiber grids 243 and 245. Of course.
한편, 이상에서 설명된 무선 광섬유격자 센서(110)(130)(140)는 복수개의 측정대상체마다 설치될 수 있고, 하나의 변형량 산출부(120)에서 각 무선 광섬유격자 센서(110)(130)(140)로부터 송신된 정보를 취득하여 분석할 수 있도록 구축될 수 있다. 이 경우 각 무선 광섬유격자센서(110)(130)(140)의 무선송신부(116)에서 송출되는 신호에는 광검출기(114)(115)(143)(148)에서 검출된 광량정보 이외에도 측정대상체를 식별할 수 있는 고유 식별정보가 함께 송신되고, 변형량 산출부(120)는 수신된 정보에 포함된 식별정보를 이용하여 각 측정대상체 각각에 대한 변형량을 산출하도록 구축되면 된다.Meanwhile, the wireless fiber optic lattice sensors 110 and 130 and 140 described above may be installed for each of a plurality of measurement objects, and each of the wireless fiber optic lattice sensors 110 and 130 may be installed in one deformation amount calculation unit 120. It may be constructed to acquire and analyze the information transmitted from 140. In this case, in addition to the light quantity information detected by the photodetectors 114, 115, 143, and 148, a signal to be transmitted from the wireless transmitter 116 of each of the wireless fiber optic lattice sensors 110, 130, 140 is measured. Unique identification information that can be identified is transmitted together, and the deformation amount calculation unit 120 may be configured to calculate the deformation amount for each measurement object by using the identification information included in the received information.
또한, 무선 광섬유격자 센서(110)(130)(140)가 상용 전력공급이 어려운 시설물에 설치될 경우 전력에 의해 구동되는 요소 즉, 광원, 광검출기, 방향성 광결합기 및 무선송신부의 구동에 필요한 전력을 배터리 또는 태양전지를 이용하여 공급받을 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.In addition, when the wireless optical fiber lattice sensor 110, 130, 140 is installed in a facility that is difficult to supply commercial power, the power driven by the power, that is, the power required to drive the light source, photodetector, directional optical coupler and wireless transmitter Is preferably configured to be supplied using a battery or a solar cell.
또한, 제1무선송신부(144)와 제2무선송신부(149)가 하나의 안테나를 통해 제1광검출기(143)(148)에서 출력되는 신호를 각각 입력받아 전송할 수 있도록 하나의 무선 송신부로 구축될 수 있음은 물론이다. 이 경우 설정된 주기마다 교대로 각 광검출기(143)(148)의 출력신호를 송출하거나 상호 다른 변조방식을 적용하여 송출하는 방식 등 공지된 다양한 송신 방식을 적용하면 된다.In addition, the first wireless transmitter 144 and the second wireless transmitter 149 are constructed as one wireless transmitter to receive and transmit the signals output from the first optical detectors 143 and 148 through one antenna. Of course it can be. In this case, a variety of known transmission methods may be applied, such as a method of transmitting output signals of the photodetectors 143 and 148 alternately at set intervals or by applying different modulation schemes.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유격자 센서 및 이를 적용한 구조물 변형 측정 시스템에 의하면 구조가 간단하면서도 규모가 작은 무선 광섬유격자 센서를 측정대상체에 설치하고, 무선 광섬유격자센서로부터 무선으로 송신된 광량정보를 이용하여 측정대상체에 대한 구부림, 응력, 온도 등과 같은 변형요소와 관련된 물리량을 원격지에서 산출할 수 있어 시설이 용이하고, 설치거리에 대한 제약이 완화되는 장점을 제공한다.As described above, according to the optical fiber grating sensor and the structure deformation measuring system using the same according to the present invention, the wireless fiber grating sensor having a simple structure and small size is installed on the measurement object, and the amount of light transmitted wirelessly from the wireless fiber grating sensor. By using the information, the physical quantity related to deformation factors such as bending, stress, and temperature on the measurement object can be calculated at a remote location, which provides the advantage of ease of installation and ease of restrictions on installation distance.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 광섬유격자 센서를 나타내 보인 도면이고,1 is a view showing a wireless optical fiber grating sensor according to an embodiment of the present invention,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 무선 광섬유격자 센서를 나타내 보인 도면이고,2 is a view showing a wireless optical fiber grating sensor according to another embodiment of the present invention,
도 3은 본 발명에 따른 무선 광섬유격자 센서에 적용되는 광섬유격자 구조체의 일 실시예를 나타내 보인 도면이고,3 is a view showing an embodiment of an optical fiber grating structure applied to the wireless optical fiber grating sensor according to the present invention,
도 4는 도 3의 광섬유격자 구조체에 인가된 스트레인에 대한 반사광의 대역폭 변화를 측정한 결과를 나타내 보인 그래프이고,FIG. 4 is a graph showing a result of measuring a change in bandwidth of reflected light with respect to a strain applied to the optical fiber lattice structure of FIG.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 광섬유 격자구조체를 나타내 보인 도면이고,5 is a view showing an optical fiber grating structure according to a second embodiment of the present invention,
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 광섬유 격자 구조체를 나타내 보인 도면이고,6 is a view showing an optical fiber grating structure according to a third embodiment of the present invention,
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 광섬유 격자 구조체를 나타내 보인 도면이고,7 is a view showing an optical fiber grating structure according to the fourth embodiment of the present invention,
도 8은 도 7의 광섬유격자 구조체가 적용된 무선 광섬유격자센서의 일 예를 나타내 보인 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a wireless optical fiber grating sensor to which the optical fiber grating structure of FIG. 7 is applied.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
111: 광원 110, 130, 140: 무선 광섬유격자 센서111: light source 110, 130, 140: wireless optical fiber grating sensor
112: 방향성 광결합기 114: 광검출기112: directional photocoupler 114: photodetector
116: 무선송신부116: wireless transmitter
200, 210, 220, 230, 240: 광섬유격자 구조체200, 210, 220, 230, 240: optical fiber lattice structure
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