KR20070054518A - Method of multi-measuring fbg used optical switch - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 광섬유격자(FBG; Fiber Bragg Grating)센서에서 반사되어오는 파형을 다중 계측하기 위한 시스템에 관한 것으로, 광원부, 광분배기, 광수신부, 신호처리부 등으로 구성된 계측기와 외부에 설치된 신호 검출용 광섬유격자센서를 포함한 센서부로 이루어진 광섬유격자센서 시스템에서, 계측기와 센서부 사이에 계측기에 연결된 광스위치를 하나 이상 직렬이나 병렬, 또는 직병렬로 구비하여 계측기의 성능을 최대한으로 활용할 수 있게 하며, 독립적인 별도의 채널을 구성할 수 있게 하여 경제적인 시스템 구현을 가능하게 하는 광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a system for multi-measurement of waveforms reflected from a fiber bragg grating (FBG) sensor. In the optical fiber grating sensor system consisting of a sensor unit including an optical fiber grating sensor, one or more optical switches connected to the measuring instrument between the measuring unit and the sensor unit are provided in series, parallel, or parallel to maximize the performance of the measuring instrument. The present invention relates to a multiplex measurement method of an optical fiber lattice sensor using an optical switch that enables the configuration of a separate channel.

광섬유격자센서 시스템, FBG, 광섬유격자센서 Fiber Optic Grating Sensor System, FBG, Fiber Optic Grating Sensor

Description

광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정방법{Method of multi-measuring FBG used optical switch}Optical fiber grating sensor multiple measurement method using optical switch {Method of multi-measuring FBG used optical switch}

도 1은 본 발명에 따른 파장 가변 광원을 사용한 시스템에서의 광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정 방법의 블록도.1 is a block diagram of a multiplex optical fiber grating sensor measuring method using an optical switch in a system using a variable wavelength light source according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 광대역 광원을 사용한 시스템에서의 광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정 방법의 블록도2 is a block diagram of a method for measuring optical fiber grating sensors using an optical switch in a system using a broadband light source according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 광스위치를 확장 사용한 광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정 방법의 블록도.Figure 3 is a block diagram of the optical fiber grating sensor multiple measurement method using an optical switch using the optical switch according to the present invention.

도 4는 기존 파장 가변 광원을 사용한 시스템의 구성 블록도.4 is a configuration block diagram of a system using a conventional tunable light source.

도 5는 기존 광대역 광원을 사용한 시스템의 구성 블록도5 is a configuration block diagram of a system using an existing broadband light source

본 발명은 광섬유격자(FBG; Fiber Bragg Grating)센서 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 광원, 수광기를 기본 구성으로 하는 FBG센서 시스템에서, 계측부와 센서부 사이에 광스위치를 사용하여 FBG센서 시스템의 성능을 최대한으로 활용하며, 독립적인 센서부를 구성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a fiber bragg grating (FBG) sensor system, and more particularly, in an FBG sensor system having a basic configuration of a light source and a light receiver, an FBG sensor system using an optical switch between a measurement unit and a sensor unit. It utilizes the maximum performance of, and relates to a method of configuring an independent sensor unit.

기존의 기본적인 시스템은 하나의 광원에 광분배기를 연결하고, 센서부와 광수신부를 연결하여, 센서부에서 반사되어 오는 파형을 수광부에서 검출하여 신호 처리하는 과정을 거친다. The existing basic system connects a light splitter to a single light source, connects a sensor unit and a light receiver, and processes a signal detected by a light receiver to detect a waveform reflected from the sensor unit.

이 때 광원의 종류와 광수신부의 형식에 따라 그 성능과 측정방법이 현저히 차이가 나는데 그 측정원리를 간단히 서술하면,At this time, the performance and measuring method are remarkably different depending on the type of light source and the type of light receiving unit.

첫 번째로, 광대역광원을 사용한 시스템을 보면, 1500~1600nm의 선폭을 갖는 광원을 실시간으로 광분배기에 조사를 하고, 광분배기를 통과한 광은 그 분기 수에 비례하여 광원의 세기가 줄어들고 센서부에서 도달한다. 이때 각각의 고유한 반사 특성을 갖는 FBG1, FBG2, FBG3, · · · · · · · 에서 각각의 고유 파장이 실시간으로 반사되어 광분배기를 통하여 수신부에 도달하게 되며, 이때 수신부에서는 광필터를 사용하여 시간대별로 각각의 파장을 필터링하게 되고 광수신기에서 시간대에 따른 광량을 측정 파형을 계측하게 된다. 이 시스템의 성능은 광필터의 스캔속도에 의해 좌우되며 보통 계측 속도는 100Hz를 넘지 않으며, 독립된 센서 채널을 구성할 경우 그 수만큼 고가의 광필터와 광수신기를 추가로 구성해야 하므로 경제적 비용이 매우 크다.First, in a system using a broadband light source, a light source having a line width of 1500 to 1600 nm is irradiated to the optical splitter in real time, and the light passing through the optical splitter decreases in intensity of the light source in proportion to the number of branches and the sensor unit. To reach. At this time, each of the intrinsic wavelengths of FBG1, FBG2, FBG3, ······ which each has its own reflection characteristics is reflected in real time to reach the receiver through the optical splitter. Each wavelength is filtered for each time zone, and the light receiver measures the waveform of light quantity according to the time zone. The performance of this system depends on the scanning speed of the optical filter, and the measurement speed usually does not exceed 100 Hz. When the independent sensor channel is configured, the number of expensive optical filters and optical receivers need to be additionally added, so the economic cost is very high. Big.

두 번째로, 파장 가변 광원을 사용한 시스템 구성을 보면, 0.001nm의 선폭을 갖는 광원을 시간대 별로 1525nm ~ 1570nm로 순차적으로 가변하여 광원을 광분배기에 조사를 하고, 광분배기를 통과한 광은 그 분기 수에 비례하여 광원의 세기가 줄어들고 센서부에 도달한다. 이때 각각의 고유한 반사 특성을 갖는 FBG1, FBG2, FBG3, · · · · · · · 에서 각각의 고유 파장이 시간대별로 가변되어져 오는 광원의 파형과 일치하는 파형만 반사되고, 반사된 광은 광분배기를 통하여 수신부에 도달하게 되는데, 그 광신호는 펄스의 형태로 일정한 시간 간격을 두고 순차적으로 파장이 반사되어져 온다. 이때 광수신기에서 실시간으로 시간대에 따른 광량을 측정하고, 기준치 이상의 광원이 입사될 경우 센서로 인식하여 계측하게 되는 것이다. Secondly, in the system configuration using the variable wavelength light source, a light source having a line width of 0.001 nm is sequentially changed from 1525 nm to 1570 nm for each time zone, the light source is irradiated to the optical splitter, and the light passing through the optical splitter is divided into The intensity of the light source decreases in proportion to the number and reaches the sensor unit. At this time, in FBG1, FBG2, FBG3, ······· which each have its own reflection characteristics, only the waveforms corresponding to the waveforms of the light source whose respective wavelengths are varied according to time zones are reflected, and the reflected light is divided It reaches the receiver through, the optical signal is reflected in the wavelength sequentially at a predetermined time interval in the form of a pulse. At this time, the light receiver measures the amount of light according to the time zone in real time, and when a light source more than a reference value is incident, it is recognized by the sensor and measured.

이 시스템의 특징은 광원과 광수신기의 계측시간을 동기 시켜야 하며, 포설된 광섬유에서 난반사가 일어날 경우 오작동의 우려가 크며, 광원의 파장 가변 속도의 의해 계측기의 성능이 좌우 된다. 보통 200Hz 이상의 측정 속도를 가진다.The characteristic of this system is to synchronize the measurement time between the light source and the optical receiver. If diffuse reflection occurs in the installed optical fiber, there is a high possibility of malfunction, and the performance of the instrument depends on the variable wavelength of the light source. It usually has a measurement speed of 200Hz or more.

상기에서 설명한 시스템의 경우 일반적으로 장비 1대당 2채널을 기본 구성으로 한다. 보통 토목구조물 계측에서 센서를 설치할 경우 2채널에 20개 정도를 설치 할 수 있으며, 온도용의 경우 60개 정도의 센서를 계측할 수 있다. 따라서 센서가 대량으로 설치될 경우 비용 절감 없이 시스템을 추가로 구성해야 하므로 경제성이 떨어져 실제로 상용화 되지 못하는 문제점이 있다. In the case of the system described above, the basic configuration is generally two channels per equipment. Normally, 20 sensors can be installed in 2 channels if sensors are installed in civil structure measurement, and 60 sensors can be measured for temperature. Therefore, if the sensor is installed in large quantities, it is necessary to configure the system additionally without reducing the cost, so there is a problem in that it is not economically commercialized.

이와 같은 문제점을 해결하기위해 기존 시스템에 광 스위치를 사용하여 독립적인 채널수를 증가할 수 있다. 특수한 경우를 제외한 일반적인 토목구조물의 안전진단이나 온도측정 등의 센서 시스템은 요구되는 계측 속도가 1초에 1번 정도이다. 그러나 시스템에서 사용되는 파장가변레이저나, 파장가변 필터는 그 기본성능이 수 Hz에서 수 KHz에 이른다. 따라서 본 발명은 광 스위치를 사용하여 시스템과 센서부의 연결을 주기적으로 순환접속 시켜 독립적인 채널수를 증가키고 시스템 비용을 절감하는데 그 목적이 있다.To solve this problem, the number of independent channels can be increased by using optical switches in existing systems. Except in special cases, sensor systems, such as safety diagnostics and temperature measurements of general civil structures, require a measurement speed of about once per second. However, the tunable laser or tunable filter used in the system has a basic performance ranging from several Hz to several KHz. Accordingly, an object of the present invention is to increase the number of independent channels and to reduce the system cost by periodically connecting the system and the sensor unit by using an optical switch.

상기의 목적을 달성하기위한 본 발명에 따른 광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정방법은, 광원, 수광기를 기본 구성으로 하는 FBG센서 시스템에서, 계측부와 센서부 사이에 광스위치를 구성하여 하나의 시스템에 센서부의 수를 증가시키고, 광스위치에서 주기적으로 계측시스템과 센서부를 순환 접속시켜 피계측물에서 요구되는 계측 속도를 유지 시키는 한도 내에서 많게는 수 십 개의 독립적인 센서부를 추가 할 수 있어 계측기의 효율을 높이고 시스템 구축 비용을 70%이상 줄일 수 있는 경제적인 방법인 것이며, 필요에 따라서는 광스위치와 센서부 사이에 광커플러를 사용하여 한 채널에서 계측되어지는 광선로를 하나 이상으로 분기하여 센서를 설치 사용할 수 있다.Optical fiber grating sensor multiple measurement method using an optical switch according to the present invention for achieving the above object, in the FBG sensor system having a light source, a light receiver as a basic configuration, by configuring an optical switch between the measuring unit and the sensor unit As many as dozens of independent sensor units can be added within the limit of increasing the number of sensor units in the system and maintaining the measurement speed required for the measurement object by periodically connecting the measurement system and the sensor unit in the optical switch. It is an economical way to increase the efficiency and reduce the system construction cost by more than 70% .If necessary, the optical coupler is used between the optical switch and the sensor unit to branch the sensor to one or more light paths measured in one channel. Can be used for installation.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

계측시스템(10)과 광스위치(20)가 직렬로 연결되고, 광스위치와 센서부(31, 32, 33, 34)는 선택적으로 접속된다. 먼저 계측시스템의 스캔속도가 200Hz 이고 광스위치가 4채널이면 각 센서별 측정속도는 최대 50Hz가 된다. 따라서 피계측물에서 요구되는 계측 속도가 50Hz 이하이면 하나의 계측시스템으로 4채널의 독립된 계측이 가능해 지는 것이다. 요구되는 계측속도가 10Hz 이면 최대 20채널의 독립된 계측시스템 구성이 가능해 진다. The measurement system 10 and the optical switch 20 are connected in series, and the optical switch and the sensor units 31, 32, 33, 34 are selectively connected. First, if the scanning speed of the measuring system is 200Hz and the optical switch is 4 channels, the measuring speed of each sensor is maximum 50Hz. Therefore, if the measurement speed required by the measurement object is 50 Hz or less, four channels can be independently measured by one measurement system. If the required measurement speed is 10Hz, up to 20 channels of independent measurement system can be configured.

실시 예을 구체적으로 설명을 하면, 먼저 계측시스템(10)과 광스위치(20)가 연결이 되어 있고, 광스위치의 단자는 센서부(31)와 연결되어 있다. 이때 계측시스템(10)에서 광원을 투과시켜 계측을 수행하면, 센서부(31)의 파장 정보가 계측되어지고 시간은 1/200 초가 소요 된다. 이어서 광스위치(20)에서 센서부(31)에 접속되어 있던 단자가 센서부(32)에 접속되고, 계측시스템(10)에 광원을 투과시켜 계측을 수행하면, 센서부(32)의 파장 정보가 계측되어지고, 시간은 1/200 초가 소요되고, 총소요 시간은 2/200이다. 이러한 방법으로 광스위치(20)와 센서부(33), 센서부(34), 센서부(31), 센서부(32), 센서부(33), 센서부(34), 센서부(31), 센서부(32), 센서부(33), · · · · · · 와 같이 반복적으로 광스위치(20)의 접점을 주기적으로 바꾸어주고 계측시스템(10)을 광스위치(20)에 동기 시키면 4채널을 각 한 번씩 전부 계측하는데 걸리는 시간은 1/50 초가 걸리며 계측성능은 4채널 50Hz의 계측시스템이 되는 것이다. 여기서 채널수가 증가하게 되면 채널수에 비례해서 계측속도는 떨어지게 되고, 또한 광스위치(20) 채널수가 증가하게 되면 스위칭 속도가 떨어지거나 그 비용이 과도하게 증가하게 된다. 이상적인 시스템의 경우

Figure 112005067714194-PAT00001
이다. 하지만 피측정물의 최대 계측속도보다 광스위치(20)의 스위칭 속도가 늦을 경우 그 속도 차이만큼 시스템 계측속도가 늦어져 최종 계측되어지는 시간은 더 늦어지게 된다. 따라서 스위칭속도와 비용을 고려한 광스위치(20) 병렬 시스템을 구성해 보면 도 2와 같다. 계측시스템에 계측시스템 속도 보다 빠른 스위칭 시간을 갖는 2채널의 광스위치(20)와 광스위치(20)의 두 출력 단자에 각각 접속된 4채널의 광스위치(21,22)를 센서부(30)에 연결하면, 8채널의 센서부를 갖는 센서계측 시스템이 되는 것이다.Referring to the embodiment in detail, first, the measurement system 10 and the optical switch 20 is connected, the terminal of the optical switch is connected to the sensor unit 31. At this time, if the measurement system 10 transmits the light source to perform the measurement, the wavelength information of the sensor unit 31 is measured and the time takes 1/200 seconds. Subsequently, when the terminal connected to the sensor unit 31 in the optical switch 20 is connected to the sensor unit 32 and the measurement is performed by transmitting a light source through the measurement system 10, the wavelength information of the sensor unit 32 is measured. Is measured, the time is 1/200 second, and the total time is 2/200. In this way, the optical switch 20, the sensor unit 33, the sensor unit 34, the sensor unit 31, the sensor unit 32, the sensor unit 33, the sensor unit 34, the sensor unit 31 By periodically changing the contact point of the optical switch 20 as in the sensor unit 32, the sensor unit 33, and the like, and synchronizing the measurement system 10 with the optical switch 20, It takes 1/50 seconds to measure each channel once, and the measurement performance is a four-channel 50Hz measurement system. In this case, when the number of channels increases, the measurement speed decreases in proportion to the number of channels, and when the number of channels of the optical switch 20 increases, the switching speed decreases or the cost increases excessively. Ideal system
Figure 112005067714194-PAT00001
to be. However, when the switching speed of the optical switch 20 is slower than the maximum measurement speed of the object to be measured, the system measurement speed is delayed by the speed difference, and thus the final measurement time is delayed. Therefore, the optical switch 20 in parallel considering the switching speed and the configuration of the system as shown in FIG. The sensor unit 30 includes a two-channel optical switch 20 having a switching time faster than the measurement system speed and a four-channel optical switch 21 and 22 connected to two output terminals of the optical switch 20, respectively. When connected to the sensor, the sensor measurement system having eight sensor units is provided.

여기서 광스위치(20)에 접속된 광스위치(21, 22)는 광스위치(20)의 스위칭 속도보다 2배 이내로 저속이면 시스템 계측 속도에는 영향을 주지 않는다. 그 이유는 광스위치(20)가, 광스위치(21)에 접속되어 센서부(31)을 계측하는 동안에 광스위치(22)는 센서부(35)에 접속을 진행하며, 센서부(31)의 계측이 끝나 광스위치(20)가 광스위치(22)에 접속되기 전에 광스위치(22)와 센서부(35)의 접속이 끝난다. Here, the optical switches 21 and 22 connected to the optical switch 20 do not affect the system measurement speed if the optical switches 21 and 22 are lower than twice the switching speed of the optical switch 20. The reason is that the optical switch 22 is connected to the sensor unit 35 while the optical switch 20 is connected to the optical switch 21 and the sensor unit 31 is measured. After the measurement is finished, the connection between the optical switch 22 and the sensor unit 35 is finished before the optical switch 20 is connected to the optical switch 22.

이하 첨부한 도 2를 참조하여 계측되어지는 순서를 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a measurement procedure will be described with reference to FIG. 2.

먼저 계측시스템(10)과 광스위치(20)가 연결이 되어 있고, 광스위치(20)의 출력단자는 광스위치(21,22)에 연결되고 그 출력단은 센서부(30)와 연결되어 있다. 이때 광스위치(20)는 광스위치(21)와 광스위치(22)를 계측시스템(10)의 계측 속도와 맞게 번갈아가며 접속을 하고, 센서부(31), 센서부(35), 센서부(32), 센서부(36), 센서부(33), 센서부(37), 센서부(34), 센서부(38)의 순서로 주기적이면서 반복적으로 계측을 수행 하게 된다. 계측시스템의 최대 계측속도가 200Hz 일때, 센서부의 최대 계측속도는 각각 25Hz이다. 여기서 고속의 8채널 광스위치 하나를 쓰기보다는 고속의 2채널 광스위치 하나에 저속의 4채널 광스위치 2개를 쓰는 것이 훨씬 경제적이다. First, the measurement system 10 and the optical switch 20 are connected, the output terminal of the optical switch 20 is connected to the optical switch (21, 22) and the output terminal is connected to the sensor unit 30. At this time, the optical switch 20 alternately connects the optical switch 21 and the optical switch 22 with the measurement speed of the measurement system 10, and the sensor unit 31, the sensor unit 35, and the sensor unit ( 32, the sensor unit 36, the sensor unit 33, the sensor unit 37, the sensor unit 34, the sensor unit 38 in order in order to perform the measurement periodically and repeatedly. When the maximum measurement speed of the measurement system is 200 Hz, the maximum measurement speed of the sensor unit is 25 Hz each. It is much more economical to use two low-speed four-channel optical switches on one high-speed two-channel optical switch than a high-speed eight-channel optical switch.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 기존의 시스템에 광스위치를 하나 또는 그 이상 병렬로 구성하여, 계측속도를 일정 수준으로 유지 시켜주며, 계측기의 효율을 높여, 경제적인 시스템구현이 가능하도록 하여, 우수한 특성을 갖는 광섬유격자센서를 활성화 시키는데 그 목적이 있다.As described above, the present invention configures one or more optical switches in parallel to the existing system, maintains the measurement speed at a constant level, increases the efficiency of the measuring instrument, and enables economical system implementation. Its purpose is to activate the optical fiber grating sensor with its characteristics.

계측기와 센서부 사이에 계측기에 연결된 광스위치를 하나 이상 직렬이나 병렬, 또는 직병렬로 구비하여 계측기의 성능을 최대한 활용할 수 있게 하며, 독립적인 별도의 센서부를 구성할 수 있게 하여 경제적인 시스템 구현이 가능하게 하는 방법을 제공한다. By providing one or more optical switches connected to the instrument in series, in parallel, or in parallel or parallel between the instrument and the sensor, it is possible to make the best use of the performance of the instrument. It provides a way to make it possible.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발병이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발병의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예에 한정되는 것이 아니다.The present invention described above is limited to the above-described embodiments as various substitutions, modifications, and alterations are possible within the scope of the present invention without departing from the technical spirit of the present invention. It is not.

Claims (3)

광섬유격자센서에서 반사되어오는 파형을 다중 계측하기 위한 시스템에 관한 것으로, 광원부, 광분배기, 광수신부, 신호처리부 등으로 구성된 광섬유격자센서용 계측기에 있어서; 계측기와 센서부 사이에 2채널 이상의 광 스위치가 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정방법.A system for multi-measuring a waveform reflected from an optical fiber grating sensor, the system comprising: a measuring device for an optical fiber grating sensor including a light source unit, a light splitter, a light receiving unit, a signal processing unit, and the like; Optical fiber grating sensor multiple measurement method using an optical switch, characterized in that at least one optical switch is installed between the measuring unit and the sensor unit. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 계측기에 연결된 2채널 이상의 광스위치와 이에 종속되어 병렬로 설치된 2채널 이상의 광스위치가 하나 이상 직렬이나 병렬, 또는 직병렬로 구비되는 것을 특징으로 하는 광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정방법. Optical fiber grating sensor multiple measurement method using an optical switch, characterized in that the optical switch is connected to the instrument more than two channels and one or more optical switches installed in parallel with one or more in series, in parallel, or in parallel. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 광스위치와 센서부 사이에 광커플러를 사용하여 하나 이상의 광전송경로를 갖는 것을 특징으로 하는 광스위치를 이용한 광섬유격자센서 다중 측정방법  Multiple measurement method of optical fiber grating sensor using optical switch characterized in that it has one or more optical transmission paths using optical coupler between optical switch and sensor unit
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KR1020050112602A KR20070054518A (en) 2005-11-23 2005-11-23 Method of multi-measuring fbg used optical switch

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101218077B1 (en) * 2012-10-31 2013-01-03 서울과학기술대학교 산학협력단 Dual cavity optical fiber sensor system using algorithm of phase compensation
CN103017804A (en) * 2012-12-26 2013-04-03 中国科学院上海光学精密机械研究所 High-time-synchronization multichannel fiber bragg grating sensing system
WO2022055909A1 (en) * 2020-09-11 2022-03-17 Nec Laboratories America, Inc. Distance-route resource sharing for distributed fiber optic sensors
KR20220041595A (en) * 2020-09-25 2022-04-01 한국기계연구원 Multi-distance measuring system and method for measuring multi-distance using the measuring system

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