KR20060112264A - 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템 - Google Patents

광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 격자센서(FBG)를 이용한 상시 모니터링 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 광섬유 격자 센서의 다중점 센서특성을 이용하여 대형빌딩이나 지하철 등의 구조물내에서 미세한 온도, 하중, 가스농도, 수위의 변화를 감지함으로써 화재나 시스템 손상 등의 피해를 사전에 방지하며, 레퍼런스 센싱부를 구비함으로써 오작동 우려가 없어 감지 신뢰도를 증대시키고 구현비용 및 유지비용을 줄이며 다양한 환경변화에 적절하게 대처할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템에 관한 것이다.
FBG, 광섬유 격자 센서, 모니터링 시스템, 광섬유, 온도, 하중

Description

광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템{Monitoring System at Ordinary Times Using Fiber Bragg Grating}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 광섬유격자센서의 센싱부 내측으로 광섬유 격자소자가 내삽된 모습을 나타낸 도면.
도 3은 광섬유 격자센서의 계측시스템의 측정원리를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광섬유격자센서 11 : 센싱부
11a : 온도감지부 11b : 하중감지부
11c : 가스농도감지부 11d : 수위감지부
11e : 레퍼런스 센싱부 20 : 네트워크
30 : 제어부 31 : 데이터베이스
32 : 마이크로프로세서 33 : 위험경보 송신부
34 : 위험경보 수신부 35 : 출력단말기
40 : 코어(core) 41 : 크래드(clad)
본 발명은 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 광섬유 격자 센서의 다중점 센서특성을 이용하여 대형빌딩이나 지하철 등의 구조물내에서 미세한 온도, 하중, 가스농도, 수위의 변화를 감지함으로써 화재나 시스템 손상 등의 피해를 사전에 방지하며, 레퍼런스 센싱부를 구비함으로써 오작동 우려가 없어 감지 신뢰도를 증대시키고 구현비용 및 유지비용을 줄이며 다양한 환경변화에 적절하게 대처할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템에 관한 것이다.
대형빌딩이나 고층아파트 또는 지하철, 고속전철 등이 상용됨에 따라 재해가 발생할 경우 대형사고로 이어지거나 전체 시스템의 치명적 손상으로 인해 상당한 경제적 손실을 감수해야 하는 경우가 많다.
이러한 손실 방지를 위해 대형 구조물 등에는 여러가지 위험 요소를 사전에 감지하여 예방하고자 여러가지 형태의 센서들이 구비된다.
그러나, 이러한 센서들은 구현비형이 고가이며 오작동이 많을 뿐만아니라 장시간 사용에 의한 센서 파손에 의해 구현 목적인 위험 감지를 충족시키지 못하고 있는 실정이다.
또한 미세한 변화를 감지할 수 없어 재해 발생 이전의 사전 예방 측면에서 미흡한 점이 많아 일단 발생할 경우 물적, 인적 피해가 큰 구조물의 경우 시스템상의 큰 문제점을 가지게 된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 광섬유 격자 센서의 다중점 센서특성을 이용하여 대형빌딩이나 지하철 등의 구조물내에서 미세한 온도, 하중, 가스농도, 수위의 변화를 감지함으로써 화재나 시스템 손상 등의 피해를 사전에 방지하며, 레퍼런스 센싱부를 구비함으로써 오작동 우려가 없어 감지 신뢰도를 증대시키고, 구현비용 및 유지비용을 줄이며 다양한 환경변화에 적절하게 대처할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링방법을 제공함에 그 목적이 있다.
아울러 평시에는 모니터링된 온도 값을 각종 전자장비 및 냉난방용 기계기구의 온도 데이터 값으로 사용하여 유비쿼터스의 대표적 센서로서 역할을 해내는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
측정하고자 하는 다수개의 표적지점을 관통하여 연결되며, 상기 표적지점과 대응하여 위치하는 센싱부를 포함하여 구성되는 광섬유격자센서와; 상기 광섬유격자센서에 연결되어 측정된 데이터를 전송하는 네트워크와; 상기 네트워크를 통해 전송된 데이터를 수집, 분석하여 다수개의 표적지점의 안전 상태를 원격에서 통합 감시할 수 있는 제어부를 포함하여 구성되되, 상기 각각의 광섬유격자센서의 센싱부에는 표적지점 간의 상태 변화 감지가 용이하도록 각각 다른 반사파장특성을 갖는 광섬유 격자소자가 형성된다.
또한 상기 광섬유격자센서의 센싱부는 누전 또는 열화에 의한 온도의 변화를 감지하는 온도감지부와 하중의 변화를 감지하는 하중감지부와 가스 농도의 변화를 감지하는 가스농도감지부와 수위의 변화를 감지하는 수위감지부 중 선택되는 어느 하나이며, 상기 제어부는 안전한 상태의 환경수치 데이터가 저장되는 데이터베이스와; 상기 데이터베이스의 데이터와 네트워크를 통하여 수집되는 데이터를 비교, 분석하여 표적지점의 안전상태여부를 판단하는 마이크로 프로세서;와 시스템의 오류를 검출하기 위한 레퍼런스 센싱부를 포함하여 구성된다.
또한 상기 제어부는 안전한 상태의 환경수치 데이터가 저장되는 데이터베이스와; 상기 데이터베이스의 데이터와 네트워크를 통하여 수집되는 데이터를 출력하는 출력단말기와; 상기 데이터베이스의 데이터와 네트워크를 통하여 수집되는 데이터를 비교, 분석하여 표적지점의 안전상태여부를 판단하는 마이크로 프로세서;를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템의 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 광섬유격자센서의 센싱부 내측으로 광섬유 격자소자가 내삽된 모습을 나타낸 도면이며, 도 3은 광섬유 격자센서의 계측시스템의 측정원리를 나타낸 도면이다.
도면을 참조하면, 광섬유격자센서(10)를 구성하는 광섬유는 빛의 전송을 목적으로 하는 섬유 모양의 도파관으로 광학 섬유라고도 한다.
또한 광섬유는 합성 수지를 재료로 할 수도 있으나, 주로 투명도가 좋은 유리로 만들어진다.
광섬유의 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 빛이 통과되며 굴절율이 높은 코어(core, 40)와, 이 코어(40)를 감싸고 있고 굴절율이 낮은 크래드(clad, 41)로 구성된 이중 원기둥 형상을 가진다.
또한 그 외부에는 충격으로부터 보호하기 위해 합성 수지 피복을 1내지 2차례 입힐 수 있으며, 보호피복을 제외한 전체 크기는 지름 수백㎛ 내외이다.
본 발명의 일실시예에 따른 광섬유격자센서(10)는 상기 광섬유에 의해 일체로 연결되며 다수개의 표적지점에 대한 환경변화를 계측하기 위해 다수개의 센싱부(11)를 가지며 상기 센싱부(11)에는 고유의 출력 파장의 변화를 통하여 표적지점의 상태 변화를 감지하도록 표적지점 간에 각각 파장의 반사특성이 다른 광섬유 격자소자(12)가 형성된다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 광섬유격자센서(10)는 광원, 커플러, 파장가변필터, 수광기 기준광원 및 센싱부(11)로 이루어지며, 광원에서 광섬유 내측으로 조사되어 이동하는 빛이 커플러를 통하여 센싱부(11)로 보내지며, 상기 센싱부(11)로 보내진 광파장은 광섬유 격자소자(12)의 반사특성에 따라 반사되거나 통과하게 된다.
상기 반사된 파장은 커플러를 거쳐 수광기로 검출되게 되며, 이러한 검출파장을 통하여 표적 환경 변화를 알 수 있다.
여기서 광섬유격자센서(10)의 구조는 광원, 센싱부(11), 수광기로만으로 구 성될 수 있음은 물론이다.
이에 따라, 표적지점에서의 누전이나 열화가 발생할 경우 상기 표적지점에 위치하는 광섬유격자센서 센싱부(11) 내의 광섬유 격자소자(12)의 변형을 초래하여 광섬유격자센서(10)에서 검출되는 반사출력파장이 변하게 되고, 이러한 검출파장의 변화를 통하여 환경변화를 감지하게 된다.
상기의 광섬유 격자소자(12)는 광민감성 광섬유와 UV광원 및 위상마스크 등을 이용하여 형성할 수 있다.
190nm~ 250nm 대의 파장을 발생하는 레이저로 빛의 회절 및 간섭현상을 일으킬 수 있는 위상 마스크를 광섬유에 일정한 주기로 굴절율의 변조를 발생시키고, 이에 의해 발생된 일정한 주기의 격자는 특정한 조건에 따라 브래그 파장이라고 하는 반사파장을 만들어 내며, 광섬유에 주어지는 스트레인(strain) 및 온도에 따라 상기의 브래그 반사파장이 변화하게 된다.
또한 각각의 센싱부(11) 간에는 브래그 반사특성이 다른 광섬유 격자소자(12)를 형성하여 보다 정밀한 계측이 가능하게 된다.
또한 상기 센싱부(11)는 누전 또는 열화 및 발화로 인한 온도의 변화를 감지하기 위한 온도감지부(11a)와, 하중의 변화를 감지하기 위한 하중감지부(11b)와, 가스농도의 변화를 감지하기 위한 가스농도감지부(11c)와, 수위의 변화 또는 침수정도를 감지하기 위한 수위감지부(11d)가 될 수 있으며, 상기 온도감지부(11a), 하중감지부(11b), 가스농도감지부(11c) 및 수위감지부(11d)는 각각 다른 파장의 반사특성을 가지도록 광섬유 격자소자를 형성함은 물론이다.
여기서 상기 온도감지부(11a)는 건물 또는 아파트, 지하철 등의 경우 접속단자함과 같이 누전 또는 열화로 인한 화재 발생의 위험이 있는 위치에서 감지하도록 구비됨이 바람직하며, 주택이나 사무실의 경우 주방이나 전기제품이 배치된 지역에 구비됨이 바람직하다.
또한 온도감지부(11a)는 전기설비 또는 전기단자함의 내외부에 1이상 설치되어 온도변화 특성을 실시간 계측하여 절연 파괴, 부식, 열화 또는 과부하로 인한 전기기계 기구의 발열 현상을 감지한다.
아울러 온도감지부(11a)를 일정기계의 마찰부위나 베어링이 구비된 위치에 1이상 설치하어 온도변화 특성을 실시간 계측함으로써 과도한 마찰로 인한 기기 파손 또는 발열 현상을 감지하도록 구비할 수 있다.
이에 따라 전기설비 또는 작동되는 기계에 있어서 절연파괴나 과도마찰을 미세한 온도변화 감지특성을 갖는 온도감지부(11a)의 실시간 계측에 의해 화재 또는 시스템 손상을 사전에 방지하게 된다.
한편 상기 하중감지부(11b)는 외부인의 무단침입을 하중센서로 감지하도록 창가, 현관문 또는 출입구 등에 위치하여 감지하도록 구비됨이 바람직하며, 상기 가스농도감지부(11c)는 가스배관로 또는 주방 등의 가스누설 위험지역에서 위치하여 감지하도록 구비됨이 바람직하다.
또한 상기 수위감지부(11d)는 침수 또는 누수의 위험이 있는 욕실이나 상하수도 배관로에 위치하여 감지하도록 구비됨이 바람직하다.
한편 상기 광섬유격자센서(10)에는 레퍼런스 센싱부(11e)가 구비되는데, 이 를 통하여 시스템의 오작동 여부를 판별할 수 있다.
즉, 시스템 상의 오작동으로 인해 갑작스러운 반사파장의 변화가 발생하게 되면 레퍼런스 센싱부(11e)를 통하여 이를 판별할 수 있으며, 보다 정확한 오작동 여부를 판별하기 위해 상기 레퍼런스 센싱부(11e)는 온도나 압력 등의 주위환경 변화에 상대적으로 무관한 위치에 구비됨이 바람직하다.
이에 따라 상기의 각 센싱부들(11a, 11b, 11c, 11d)은 각각에 내삽된 격자소자에 의해 반사특성에 따라 파장을 반사하며, 이러한 반사되는 파장을 검출하여 획득한 데이터를 네트워크(20)를 통하여 제어부(30)로 보내게 된다.
이에 따라 상기 제어부(30)는 네트워크(20)로부터 전송받은 검출데이터를 통하여 각각의 센싱부들(11a, 11b, 11c, 11d)이 구비된 표적지점의 환경변화여부를 판단한다.
여기서 상기 제어부(30)는 마이크로 프로세서(32)와 데이터베이스(31)와 출력단말기(35)로 구성되며, 상기 출력단말기(35)를 통하여 검출파장을 시각적으로 계측할 수 있다.
또한 상기 마이크로 프로세서(32)는 네트워크(20)로부터 전송받은 검출데이터와 데이터베이스(31)에 저장된 초기환경데이터와의 비교, 분석을 통해 환경변화여부를 판단한다.
물론 비교, 분석을 위한 알고리즘은 프로그래밍을 통하여 선택적으로 수행할 수 있으며, 오차 범위를 두어 판단함은 당연하다.
상기 마이크로 프로세서(32)의 데이터 분석에 따라 반사파장의 오차범위 밖 의 변화는 곧 위험상태로 인식되며, 이에 따라 마이크로 프로세서(32)는 위험경보 송신부(33)를 통하여 위험경보신호를 위험경보 수신부(34)에 보내게 된다.
상기 위험경보 송신부(33)와 위험경보 수신부(34)는 유선 또는 무선으로 연결되며, 모바일 통신기기를 이용하여 통신할 수 있음은 당연하다.
또한 상기 위험경보 수신부(34)는 설정된 특정인의 통신기기일 수 있으며, 이와 같은 경우 위험경보 송신부(33)는 특정인의 통신기기로 위험 경보를 보내게 된다.
또한 위험경보 수신부(34)는 도 1과 같이 경비실에 구비되어 위험경보를 수신할 수 있으며, 다른 실시예로 온도감지부(11a), 가스농도감지부(11c) 또는 수위감지부(11d)로부터 위험이 감지된 경우 소방서에 구비된 위험경보 수신부(34)로 위험경보를 보내고 하중감지부(11b)로부터 위험이 감지된 경우 경찰서에 구비된 위험경보 수신부(34)로 위험경보를 보낼 수도 있다.
또한 별도의 모니터링요원이 배치되어 상기 출력단말기(35)로 출력되는 데이터를 보고 위험여부 판단을 통해 제어가 가능함은 물론이다.
한편 상기 제어부(30)는 지하철의 경우와 같이 설치되는 지역이 길게 형성되거나, 한가닥의 광섬유로 계측이 어려울 경우 2개이상의 범위로 나누어 계측이 가능하며, 이에 따라 각각의 서브제어부를 네트워크(20)로 연결하여 통합하여 제어하는 주제어부를 두어 모니터링할 수 있다.
광섬유 격자 센서의 다중점 센서특성을 이용하여 대형빌딩이나 지하철 등의 구조물내에서 미세한 온도, 하중, 가스농도, 수위의 변화를 감지함으로써 화재나 시스템 손상 등의 피해를 사전에 방지할 수 있을 뿐만아니라, 센싱된 각종 데이터를 활용하면 유비쿼터스의 구현을 앞당길 수 있다.
또한 레퍼런스 센싱부를 구비함으로써 오작동 우려가 없어 감지 신뢰도를 증대시키고, 구현비용 및 유지비용을 줄이며 다양한 환경변화에 적절하게 대처할 수 있다.

Claims (7)

  1. 측정하고자 하는 다수개의 표적지점을 관통하여 연결되며, 상기 표적지점과 대응하여 위치하는 센싱부(11)를 포함하여 구성되는 광섬유격자센서(10)와;
    상기 광섬유격자센서(10)에 연결되어 측정된 데이터를 전송하는 네트워크(20)와;
    상기 네트워크(20)를 통해 전송된 데이터를 수집, 분석하여 다수개의 표적지점의 안전 상태를 원격에서 통합 감시할 수 있는 제어부(30)를 포함하여 구성되되,
    상기 각각의 광섬유격자센서의 센싱부(11)에는 표적지점 간의 상태 변화 감지가 용이하도록 각각 다른 반사파장특성을 갖는 광섬유 격자소자(12)가 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유격자센서의 센싱부(11)는 누전 또는 열화에 의한 온도의 변화를 감지하는 온도감지부(11a)와, 하중의 변화를 감지하는 하중감지부(11b)와, 가스 농도의 변화를 감지하는 가스농도감지부(11c)와, 수위의 변화를 감지하는 수위감지부(11d) 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 온도감지부(11a)는 전기설비 또는 전기단자함의 내외부에 1이상 설치되어 온도변화 특성을 실시간 계측하여 절연 파괴, 부식, 열화 또는 과부하로 인한 전기기계 기구의 발열 현상을 감지하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 온도감지부(11a)는 일정기계의 마찰부위에서 1이상 설치되어 온도변화 특성을 실시간 계측하여 과도한 마찰로 인한 기기 파손 또는 발열 현상을 감지하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 광섬유격자센서(10)에는 시스템의 오류를 검출하기 위한 레퍼런스 센싱부(11e)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부(30)는 안전한 상태의 환경수치 데이터가 저장되는 데이터베이스(31)와; 상기 데이터베이스(31)의 데이터와 네트워크(20)를 통하여 수집되는 데이터를 출력하는 출력단말기(33)와; 상기 데이터베이스(31)의 데이터와 네트워크(20)를 통하여 수집되는 데이터를 비교, 분석하여 표적지점의 안전상태여부를 판단하는 마이크로 프로세서(32);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부(30)에는 마이크로 프로세서(32)에 의한 위험상태로의 판단시 위험상태를 알리기 위해 위험경보 송신부(33)을 더 포함하여 구성되되,
    상기 위험경보 송신부(33)는 무선 또는 유선을 통하여 목적지점에 설치된 수신부(34)로 송신하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 상시 모니터링 시스템.
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