KR20080053506A - 센서 및 그것을 이용한 외란 측정 방법 - Google Patents

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스미토모 덴키 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 저온 영역을 포함하는 넓은 온도 범위에서의 정확한 온도 측정을 가능하게 함과 아울러, 피측정물에 발생하는 온도 변화, 왜곡을 개별적으로, 또한 정확히 판별하기 위한 구조를 구비한 센서 등에 관한 것이다. 당해 센서는, 레이저 광원과, 레이저 광원으로부터의 레이저 광이 전파하는 복수의 도파로를 포함하는 센서부와, 검출부와, 그리고, 해석부를 구비한다. 검출부는, 센서부로부터 얻어진 복수의 브릴루앙(Brillouin) 스펙트럼을 검출한다. 해석부는, 검출된 브릴루앙 스펙트럼 각각을 특징짓는 파라미터의 변동에 근거하여, 센서부에서의 온도 및 그 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나의 측정치를 결정한다. 특히, 센서부는, 외란에 대한 브릴루앙 스펙트럼의 변화를 복수의 도파로 사이에서 다르게 하기 위한 구조를 갖는다. 이와 같이 복수의 도파로 사이에서 다른 변화를 나타내는 브릴루앙 스펙트럼을 동시에 모니터함으로써, 저온 영역을 포함하는 넓은 온도 범위에서의 온도 측정뿐만 아니라 왜곡과 온도의 분리가 정확히 행해진다.

Description

센서 및 그것을 이용한 외란 측정 방법{SENSOR AND EXTERNAL TURBULENCE MEASURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은, 외력, 열 등의 외란을 검출하는 프로브로서 내부를 레이저 광이 전파하는 도파로를 이용하고, 그 도파로로부터 출력되는 브릴루앙(Brillouin) 산란광의 스펙트럼(이하, 「브릴루앙 스펙트럼」이라고 함)을 모니터함으로써 그 도파로의 온도(또는 온도 분포) 및 그 도파로에 발생한 왜곡(또는 왜곡 분포) 중 적어도 하나를 측정하기 위한 센서, 및 그 센서를 이용한 외란 측정 방법에 관한 것이다.
외란 검출용 프로브로서 광섬유를 이용하고, 그 광섬유의 온도나 왜곡을 측정하는 장치가 알려져 있다. 이러한 측정 장치는, 광섬유로부터 검출되는 브릴루앙 산란광의 스펙트럼의 모니터 기술을 이용하고 있고, 그 광섬유를 피측정물에 부착하거나 그 피측정물 근방에 설치함으로써, 그 피측정물의 변형이나 온도 변화를 그 광섬유에 가해지는 외란으로서 측정할 수 있다.
예컨대, 피측정물의 온도를 측정하는 경우, 광섬유에 소정의 단색 광을 입력 하고, 그 광섬유로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼을 검출하여, 검출된 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수(이하, 「피크 주파수」라고 함)에 관한 정보에 근거하여 온도를 계측하는 기술이, 비특허 문헌 1에 개시되어 있다. 또, 브릴루앙 산란이란, 광섬유 중에서의 광과 음향파의 상호 작용에 의해 그 광이 산란하는 비선형 현상의 하나이다.
비특허 문헌 1에 기재된 측정 기술은, 브릴루앙 산란광을 검출함으로써 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼이 광섬유의 온도에 의존하여 변화하는 센싱 원리에 근거하고 있다. 특히, 비특허 문헌 1에는, 230∼370K 부근의 온도 영역에서 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수가, 온도에 대하여 선형으로 변화하는 것이 기재되어 있다.
한편, 비특허 문헌 2에는, 60K∼90K 부근에서 피크 주파수와 온도의 관계를 나타내는 그래프는 극치를 갖고, 브릴루앙 스펙트럼의 선폭(이하, 「스펙트럼 선폭」이라고 함)은 온도에 대하여 선형으로 변화하는 것이 기재되어 있다.
한편, 왜곡 측정에서는, 종래, 각종의 구조물 등에 있어서의 파괴, 파손 등의 이상 사태의 징조로서 발생하는 왜곡을 검지하는 방법으로서, 예컨대, 왜곡에 대한 전기 저항의 변화를 이용한 왜곡 게이지 등이 알려져 있었다. 그런데, 이러한 왜곡 게이지를 이용한 측정 방법은, 전력 손실이나, 외부로부터의 전자적인 간섭을 받기 쉽다고 하는 문제가 있었다. 그 때문에, 이 왜곡 측정에 있어서도, 광섬유나 그것을 포함하는 광섬유 케이블이 외란 검출용 프로브에 적용된, 브릴루앙 산란광을 이용한 왜곡 측정이 주목받고 있다. 특히, 브릴루앙 산란광을 이용한 왜곡 측정은, 왜곡 분포 측정에 적합하고, 또한, 높은 분해능에서의 측정을 가능하게 하므로, 빌딩이나 다리 등의 구조물의 변형 진단에의 이용이 기대되고 있다. 또, 이러한 브릴루앙 산란광을 이용한 왜곡 측정은, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수가, 외력에 기인하여 광섬유 케이블에 발생한 왜곡의 크기에 대하여 선형으로 변화하는 센싱 원리에 근거하고 있다.
광섬유 케이블로부터 얻어지는 브릴루앙 산란광을 이용한 왜곡 측정 방법으로서는, 예컨대, BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis), BOCDA(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 등이 알려져 있다.
특허 문헌 1에는, 왜곡 검출용 프로브로서, 광섬유와 저열 팽창 선재가 피복재에 의해 일체화된 광섬유 케이블이 개시되어 있다. 이 광섬유 케이블은, 광섬유가 저열 팽창 계수를 갖는 선재와 피복재를 거쳐 일체화되어, 열팽창, 열수축에 강하고, 온도의 외란을 작게 할 수 있도록 구성되어 있다. 이 특허 문헌 1에 기재된 왜곡 측정은, BOTDA 등을 이용하여 측정하는 것을 상정하고 있다. BOTDA는 후방 산란광을 이용한 측정 방법이고, 거리 분해능은 약 1m 정도이다.
또한, 비특허 문헌 3에는, 상기 특허 문헌 1의 BOTDA의 거리 분해능 약 1m에 대하여, 10㎝ 이하의 거리 분해능을 실현할 수 있는 측정 방법(BOCDA)이 표시되어 있다. BOTDA, BOCDA 모두, 광섬유의 일단으로부터 프로브 광을 입사하고, 그 광섬유의 다른 쪽 단으로부터 펌프 광을 입사하는 양단 입사가 필요하게 된다.
도 1은 광섬유 케이블을 이용한 BOCDA 방식의 종래의 왜곡 측정 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면이다. 도면 중, BOCDA 방식의 왜곡 측정 시스템은, 광원인 LD(레이저 다이오드)(101), 광 신호를 등분배하는 커플러(102), 광을 한 방향으 로 통과시키는 한편, 역방향으로 통과시키지 않는 아이솔레이터(103), 광 신호를 증폭하는 앰프(104), 3개의 포트를 갖고 각각 이웃하는 하나의 포트에만 커플링하는 서큘레이터(circulator)(105), 수광 소자인 PD(포토 다이오드)(106), 광 도파로인 1가닥의 광섬유(111)만을 포함하고, 센서부로서 기능하는 광섬유 케이블(110)을 구비한다. 상술한 바와 같이, BOCDA 방식에 의한 왜곡 측정에서는, 광섬유(111)의 일단으로부터 프로브 광을 입사하고, 그 광섬유(111)의 다른 단으로부터 펌프 광을 입사하는 양단 입사가 필요하게 된다.
이 BOCDA 방식의 왜곡 측정 시스템에서는, 펌프 광, 프로브 광이 정현파로 주파수 변조되고, 특정 위치(상관 피크)에서만 유도 브릴루앙 산란을 발생시킴으로써 위치 분해가 행해진다. 발생시킨 펌프 광, 프로브 광에 주파수 변조를 실시함으로써 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼은, 펌프 광과 프로브 광의 위상이 일치하여, 양자의 주파수 차가 일정해지는 상관 피크의 위치에 있어서의 외란 정보만을 포함하는 스펙트럼이 된다. 그 때문에, 국소적인 왜곡을 측정하는 것이 가능해진다.
또한, 비특허 문헌 4에는, 각종 광섬유 케이블에 있어서의 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수와, 왜곡 의존성, 및 온도 의존성에 관한 데이터가 기재되어 있다(도 2 참조).
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 제 2001-12970 호 공보
(비특허 문헌 1) Marc Nikles, et al., "Brillouin gain spectrum characterization in Single-Mode optical fibers", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 15, NO. 10, 1997년 10월
(비특허 문헌 2) L. Thevenaz, et al., "Brillouin gain spectrum characterization in optical fibers from 1 to 1000K", Technical Digest, 16th International Conference on Optical Fiber Sensors, October 13-17(2003), Tu2-2, p.38-41
(비특허 문헌 3) 호타테 카즈오, 아라이 히로시, 「펌프ㆍ프로브 시분할 발생 방식 BOCDA 광섬유 왜곡 분포 센싱계에서의 시간 게이트법에 의한 측정 레인지의 확대」, 신학기보, 사단법인 전자정보통신학회, OPE2004-224(2005-02)
(비특허 문헌 4) Kellie Brown, et al., "Charaterization of optical fiber for optimization of Brillouin scattering based fiber optic sensor", Optical Fiber Technology 11(2005), p.131-145
(발명이 해결하고자 하는 과제)
발명자들은, 상술한 바와 같은 종래 기술에 대하여 검토한 결과, 이하와 같은 과제를 발견했다. 즉, 온도 측정에 관하여, 상기 비특허 문헌 2에 의하면, 60K∼90K를 포함하는 200K 이하의 저온 영역에서는, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수가 온도에 의존하여 비선형으로 변화한다. 그 때문에, 상기 비특허 문헌 1 기재의 측정 기술에서는, 저온 환경하에서 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수에 대하여 온도를 일의에 결정할 수가 없다.
또한, 상기 비특허 문헌 2에 의하면, 브릴루앙 스펙트럼의 선폭(스펙트럼 선폭)을 이용하여 온도를 측정하는 것을 생각할 수 있다. 그러나, 이 스펙트럼 선폭은 측정 오차가 크고, 그 스펙트럼 선폭을 이용한 온도 해석은 정밀도가 낮다.
한편, 왜곡 측정에 관하여, 상기 특허 문헌 1 기재의 BOTDA 방식이나 상기 비특허 문헌 3 기재의 BOCDA 방식은, 외란 검출용 프로브인 광섬유의 양단에 광을 입사시키므로, 왜곡 측정에 있어서 작업성이 좋지 않다. 즉, 광섬유의 일단으로부터 프로브 광을 입사하고, 그 광섬유의 다른 단으로부터 펌프 광을 입사하는 양단 입사를 위한 구조가 필요해진다. 이 때문에, 1가닥의 광섬유만을 포함하는 광섬유 케이블이 적용되는 경우, 그 광섬유의 일단을 포설단(布設端)까지 루프시키지 않으면 안 되어, 포설시의 작업성이 좋지 않고 게다가, 측정 범위도 좁고, 포설 비용이 늘어나 버린다.
또한, 1가닥의 광섬유만을 포함하는 광섬유 케이블은, 왜곡과 온도 모두에 영향을 받는 것이 알려져 있다. 피측정물의 변형 상태나 요구되는 측정 정밀도에 따라 다르지만, 통상, 약 1000∼3000με의 오더에서 왜곡량이 측정되는 경우가 많고, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수는 왜곡에 따라 약 50∼180㎒ 변화한다. 한편, 온도 측정은 사용 환경에 따라 크게 다르지만, 일반적으로 약 20∼50℃의 온도 범위에서 행해지는 경우가 많고, 그 피크 주파수는 온도에 따라 약 30∼110㎒ 변화한다. 이와 같이 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수는 왜곡에 의한 변화와 온도에 의한 변화가 같은 값으로 변화하는 경우가 많으므로, 외란 검출용 프로브인 광섬유가 받는 왜곡과 온도의 영향을 분리하는 것이 어려웠다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 저온 영역을 포함하는 넓은 온도 범위에서의 정확한 온도 측정을 가능하게 함과 아울러, 온도, 왜곡 등, 외란의 종류를 정확히 판별하기 위한 구조를 구비한 센서, 및 그 센서를 이용한 외란 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명에 따른 센서는, 외력, 열 등의 외란을 검출하는 프로브로서, 하나 또는 그 이상의 단색 광 성분이 각각 전파하는 도파로를 이용하고, 그 도파로 내에서 발생한 브릴루앙 산란광의 스펙트럼(브릴루앙 스펙트럼)을 모니터함으로써, 외란의 발생 위치, 종류, 양 등을 해석하는 센서에 관한 것이다. 본 발명에 따른 센서는, 기본 구성으로서, 광원과, 외란 검출용 프로브로서의 센서부와, 검출부와, 그리고, 해석부를 구비한다.
광원은, 소정 파장의 레이저 광을 출사하는 레이저 광원이다. 센서부는, 각각이 레이저 광원으로부터의 레이저 광의 일부를 전송하는 도파로인 제 1 및 제 2 도파로를, 적어도 갖는다. 여기서, 본 발명에 있어서의 도파로란, 광이 실질적으로 전파하는 코어 영역을 의미하고, 코어 영역과 그 주위의 광학 클래딩 영역으로 이루어지는 영역을 나타낸다. 검출부는, 레이저 광의 입력에 따라 제 1 및 제 2 도파로로부터 각각 출력되는 브릴루앙 산란광의 스펙트럼을 검출한다. 해석부는, 검출부에 의해 검출된 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 스펙트럼을 특징짓는 파라미터의 변동에 근거하여, 센서부에서의 온도 및 외란을 받음으로써 그 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나의 측정치를 결정한다.
특히, 센서부는, 외란에 대하여 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼의 변화가 제 1 및 제 2 도파로 사이에서 다르게 하기 위한 구조를 구비한다. 이와 같이 복수의 도파로 사이에서 브릴루앙 스펙트럼의 변화를 다르게 하는 구조의 하나로서, 제 1 및 제 2 도파로에, 각각이 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖고, 구체적으로는, 동일 외란을 받았을 때에 브릴루앙 스펙트럼이 다른 변화를 나타내는 이종의 도파로가 채용되더라도 좋다. 또한, 복수의 도파로 사이에서 브릴루앙 스펙트럼의 변화를 다르게 하는 다른 구조로서, 같은 브릴루앙 산란 특성을 갖는 복수의 도파로가 채용되는 한편, 이들 복수의 도파로 각각에 가해지는 외란의 영향을 다르게 하기 위한 구조가 채용되더라도 좋다. 어느 경우에도, 센서부에 가해지는 외란에 대하여 다른 변화를 나타내는 브릴루앙 스펙트럼을 동시에 모니터하는 것이 가능해진다.
또, 브릴루앙 스펙트럼을 특징짓는 파라미터에는, 그 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수(피크 주파수)와, 그 스펙트럼의 선폭(스펙트럼 선폭)이 포함된다. 또한, 레이저 광원은, 제 1 도파로에 유도되는 제 1 파장의 레이저 광과, 제 2 도파로에 유도되는, 그 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 레이저 광을 출사하는 구조를 구비하더라도 좋다.
센서부는, 제 1 및 제 2 광섬유를 포함하더라도 좋고, 제 1 및 제 2 광섬유 각각은, 소정 축을 따라 신장한 코어 영역과, 그 코어 영역의 외주에 마련된 클래딩 영역을 구비한다. 이 경우, 제 1 광섬유의 코어 영역은, 상술한 제 1 도파로에 상당한다. 또한, 제 2 광섬유의 코어 영역은, 상술한 제 2 도파로에 상당한다.
센서부는, 복수의 코어 영역을 갖는 광섬유를 포함하더라도 좋고, 이들 복수의 코어 영역 중 제 1 코어 영역이 상술한 제 1 도파로에 상당하고, 제 2 코어 영역이 상술한 제 2 도파로에 상당한다. 클래딩 영역은, 이들 제 1 및 제 2 코어 영역을 함께 피복하도록 마련되고, 이 경우, 클래딩 영역은, 제 1 및 제 2 도파로 각각의 길이 방향의 상대적 위치를 보지(保持)하기 위한 보지 구조로서 기능한다.
각각이 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는 도파로로서, 센서부에서의 제 1 및 제 2 도파로는, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수에 관한 온도 의존성이 각각 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는다. 특히, 200K 이하의 저온 영역에서 정확한 온도 측정을 가능하게 하기 위해, 센서부에서의 제 1 및 제 2 도파로는, 그 피크 주파수에 관한 온도 의존성을 나타내는 그래프의 극치 온도가 각각 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 센서부에서의 제 1 및 제 2 도파로는, 브릴루앙 스펙트럼에 있어서의 스펙트럼 선폭에 관한 온도 의존성이 각각 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖더라도 좋다.
센서부는, 제 1 및 제 2 도파로를 함께 소정 방향을 따라 보지하기 위한 보지 구조를 갖더라도 좋다. 특히, 센서부의 보지 구조는, 레이저 광의 일부가 입사되는 제 1 도파로의 한쪽의 단부와 대향하는 그 제 1 도파로의 다른 단과, 레이저 광의 일부가 입사되는 제 2 도파로의 한쪽의 단부와 대향하는 그 제 2 도파로의 다른 단을 광학적으로 접속하기 위한 루프 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 피측정물로의 센서부 설치 등의 작업성을 현저히 향상시킬 수 있기 때문이다.
또한, 센서부는, 제 1 및 제 2 도파로 각각을 보지하기 위한 구조로서, 외력이 가해진 때에 제 1 및 제 2 도파로 각각에 실질적으로 같은 왜곡을 발생하게 하는 보지 구조를 갖더라도 좋다. 이 경우, 센서부의 보지 구조는, 제 1 및 제 2 도파로의 길이 방향을 따라 신장하는 항장력선과, 제 1 및 제 2 도파로와 함께 항장력선을 일체적으로 피복하는 외피층을 포함한다.
한편, 센서부는, 온도, 왜곡에 의한 브릴루앙 스펙트럼의 변화를 정확히 구별하기 위한 구조로서, 제 1 및 제 2 도파로 각각을 보지하기 위한 구조로서, 센서부에서의 온도 변화 또는 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나가 제 1 및 제 2 도파로 각각에서 다르게 하는 보지 구조를 갖더라도 좋다(복수의 도파로 사이에서 브릴루앙 스펙트럼의 변화를 다르게 하는 다른 구조).
이 경우, 제 1 및 제 2 도파로 사이에서 외란의 영향을 다르게 하는 구조로서, 센서부의 보지 구조는, 제 1 및 제 2 도파로의 한쪽을, 그 길이 방향 및 직경 방향 중 적어도 하나를 따라 이동 가능한 상태로 보지하는 루스 구조를 포함하더라도 좋다. 이러한 루스 구조를 실현하는 수단으로서, 센서부의 보지 구조는, 제 1 및 제 2 도파로의 한쪽을 수납하는, 금속 또는 수지제의 튜브 및 내부에 수지가 충전된 튜브 중 하나를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 및 제 2 도파로 사이에서 외란의 영향을 다르게 하는 다른 구조로서, 센서부의 보지 구조는, 제 1 및 제 2 도파로의 한쪽의 외주를 피복하는 단열 재료를 포함하더라도 좋다.
또, 센서부는, 제 1 광섬유와 제 2 광섬유를, 부분적으로 분리하는 것이 가능한 보지 구조를 구비하더라도 좋다. 이 경우, 상술한 루프 구조를 용이하게 실현할 수 있다.
해석부는, 검출부에 의해 검출된 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 스펙트럼을 특징짓는 파라미터의 변동에 근거하여, 센서부에서의 온도 또는 그 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나의 측정치를 결정한다. 구체적으로는, 해석부는, 검출부에 의해 검출된 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 스펙트럼에 근거하여 센서부에 가해진 외란에 기인한 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 또는 주파수 시프트를 추출하고, 그리고, 그 추출된 주파수 정보에 근거하여 센서부에서의 온도 또는 그 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나에 상당하는 물리량을 구한다. 또한, 해석부는, 검출부에 의해 검출된 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 스펙트럼에 근거하여, 센서부에 가해진 외란에 기인한 스펙트럼 선폭의 변화를 추출하고, 그리고, 그 추출된 선폭 변화에 근거하여 센서부에서의 온도 및 그 센서부에 발생한 왜곡 중 적어도 하나에 상당하는 물리량을 구한다.
다음으로, 본 발명에 따른 외란 측정 방법은, 상술한 바와 같은 구조를 갖는 센서를 이용함으로써 실현된다. 구체적으로는, 당해 외란 측정 방법은, 레이저 광 조사 단계와, 검출 단계와, 그리고, 해석 단계를 구비한다. 레이저 광 조사 단계에서는, 레이저 광원으로부터 출사된 소정 파장의 레이저 광이, 센서부에 포함되는 제 1 및 제 2 도파로 각각에 유도된다. 검출 단계에서는, 레이저 광의 입력에 따라 제 1 및 제 2 도파로로부터 각각 출력되는 브릴루앙 스펙트럼이, 검출부에 의해 검출된다. 해석 단계에서는, 검출부에 의해 검출된 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 스펙트럼을 특징짓는 파라미터의 변동에 근거하여, 센서부에서의 온도 및 그 센서에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나의 측정치가, 해석부에 의해 결정된다.
또, 본 발명에 따른 각 실시예는, 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에 의해 더 충분히 이해 가능해진다. 이들 실시예는 단지 예시를 위해 표시되는 것으로서, 본 발명을 한정하는 것으로 생각해서는 안 된다.
또한, 본 발명의 한층 더한 응용 범위는, 이하의 상세한 설명으로부터 밝혀진다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 사례는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타내는 것이기는 하지만, 예시를 위해서만 표시되고 있는 것으로서, 본 발명의 사상 및 범위에 있어서의 여러 가지 변형 및 개량은 이 상세한 설명으로부터 당업자에게는 자명한 것은 분명하다.
(발명의 효과)
본 발명에 따른 센서 및 외란 측정 방법에 의하면, 외란 검출용 프로브로서 준비된 브릴루앙 산란 특성이 다른 복수의 도파로 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 산란광의 스펙트럼을 모니터함으로써, 200K 이하의 저온 영역을 포함하는 것보다 넓은 온도 범위에서의 정확한 온도 측정이 가능해짐과 아울러, 센서부에 가해지는 외란의 종류를 정확히 검지(측정)할 수 있다.
도 1은 광섬유 케이블을 이용한 BOCDA 방식에 의한 종래의 왜곡 측정 시스템의 개략 구성을 나타내는 도면,
도 2는 각종 광섬유의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트, 왜곡 의존성, 온 도 의존성에 관한 데이터를 나타내는 표,
도 3은 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 기본 구조를 나타내는 단면도,
도 4는 센서부에 포함되는 광섬유에 있어서의 코어 영역의 피크 주파수의 온도 의존성을 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 센서의 실시예 1의 구성을 나타내는 도면,
도 6은 실시예 1에 따른 센서의 센서부(광섬유 케이블)에 포함되는 광섬유에 있어서의 코어 영역의 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수의 온도 의존성을 나타내는 그래프,
도 7은 실시예 1에 따른 센서에 의한 온도 측정 방법(본 발명에 따른 외란 측정 방법의 실시예 1)을 설명하기 위한 흐름도,
도 8은 본 발명에 따른 센서의 실시예 2의 구성을 나타내는 도면,
도 9는 실시예 2에 따른 센서에 의한 온도 측정 방법(본 발명에 따른 외란 측정 방법)을 설명하기 위한 흐름도,
도 10은 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도(그 첫 번째),
도 11은 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도(그 두 번째),
도 12는 본 발명에 따른 센서의 센서부(광섬유 케이블)의 설치예를 설명하기 위한 도면,
도 13은 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 한 구조를 나타내는 단면도(그 세 번째),
도 14는 본 발명에 따른 센서의 실시예 3의 구성을 나타내는 도면,
도 15는 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도(그 네 번째),
도 16은 실시예 3에 따른 센서(도 14)에 있어서, 센서부인 광섬유 케이블의 ZP점에 왜곡이 인가됐을 때의 상태를 설명하기 위한 도면,
도 17은 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도로서(그 다섯 번째), 특히, 피측정물로부터 센서부로의 외란의 전달 방법이 다른 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도,
도 18은 본 발명에 따른 센서의 센서부(광섬유 케이블)에 적용되는 광섬유의, 클래딩 영역에 대한 코어 영역의 비굴절율 차의 온도 의존성을 나타내는 그래프,
도 19는 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 한 구조를 나타내는 단면도로서(그 여섯 번째), 센서부인 광섬유 케이블을 구성하는 2가닥의 광섬유 중 1가닥의 광섬유가 열전도 계수가 작은 단열 부재로 덮인 구조를 나타내는 단면도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10, 10A∼10K, 50 : 광섬유 케이블(센서부)
1∼3 : 센서 5 : 피측정물
11 : 외피 12, 12A, 12B : 광섬유
13 : BOTDR 장치 14 : 온도 해석부
15, 101 : 레이저 광원(LD) 16, 106 : 검출부(PD)
17 : 저장부 18 : 추출부
19 : 결정부 21 : 왜곡 해석부
22 : 왜곡 저장부 23 : 연산부
24 : 왜곡 추출부 25 : 왜곡 결정부
51, 122 : 클래딩 영역 52, 121 : 코어 영역
61 : 해석부 62, 102 : 커플러
63, 103 : 아이솔레이터 64, 104 : 광 앰프
65, 105 : 서큘레이터
32, 33, 72A, 72B, 82A, 82B, 92A, 92B : 항장력선
73, 83, 93 : 절단선
84 : 수지 튜브 85 : 금속 튜브
86 : 개재물 94 : 단열 부재
이하, 본 발명에 따른 센서 및 외란 측정 방법의 각 실시예를, 도 3∼19를 참조하면서 상세히 설명한다. 또, 도면의 설명에 있어서, 동일 요소, 동일 부위에는 동일 부호를 부여하여 중복하는 설명을 생략한다.
우선, 본 발명에 따른 센서의 센서부(외란 검출용 프로브)의 대표적인 적용예로서, 광섬유 케이블에 대하여 도 3을 이용하여 설명한다. 또, 도 3은 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블(10)의 기본 구조를 나타내는 단면도이다. 이 외란 검출용 프로브로서 적용되는 광섬유 케이블(10)은, 도 3의 영역 (a)에 표시된 바와 같이, 2가닥의 광섬유(12A, 12B)와, 이들 광섬유(12A, 12B)를 일체적으로 피복하는 케이블 외피(11)를 구비한다. 또, 이들 2가닥의 광섬유(12A, 12B) 각각은, 도 3 중의 영역 (b)에 표시된 바와 같이, 소정 축을 따라 신장하는 코어 영역(121)과, 그 코어 영역(121)의 외주에 마련된 클래딩 영역(122)을 구비하고, 코어 영역(121)이 광 도파로로서 기능한다.
광섬유(12A, 12B) 각각의 코어 영역(121) 내에 소정 파장의 레이저 광이 입사되면, 이들 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 브릴루앙 산란광이 출력된다. 브릴루앙 산란광은 다음과 같이 하여 발생한다. 즉, 광섬유 중을 펌프 광이 전파할 때, 펌프 광에 의해 광섬유 중에 음향파가 발생한다. 그 펌프 광과 음향파의 상호 작용에 의해, 펌프 광의 진행 방향과는 역의 방향으로 다운컨버트된 산란광(스트로크 광)이 발생한다. 이 산란광이 브릴루앙 산란광이다.
브릴루앙 산란광의 스펙트럼(브릴루앙 스펙트럼)은, 이하의 수학식 1의 로렌 츠형 스펙트럼으로 표시된다.
[수학식 1]
Figure 112008027831924-PCT00001
이 수학식 1은, 어떤 주파수 ν에서의 브릴루앙 스펙트럼의 강도를 나타낸다. g0, νB, 및 ΔνB는 브릴루앙 스펙트럼을 특징짓는 파라미터이며, 각각, 브릴루앙 스펙트럼에 있어서의 스펙트럼의 강도 피크, 스펙트럼의 피크 주파수, 및 스펙트럼의 선폭이다.
브릴루앙 스펙트럼은, 광섬유(12A, 12B)의 온도에 의존하여 변화한다. 도 4는 센서부에 포함되는 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼에 대하여, 그 피크 주파수 νB의 온도 특성을 나타내는 그래프이다. 이 도 4에 있어서, 가로축은 온도 T를 나타내고, 세로축이 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 νB(T)를 나타낸다. 가로축의 온도 범위는, 60K∼90K를 포함하는 200K 이하의 저온 영역이다. 그래프에 있어서, 곡선 LA는 광섬유(12A)의 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 νB(T)를 나타내고, 곡선 LB는 광섬유(12B)의 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 νB(T)를 나타낸다.
광섬유(12A, 12B) 각각의 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 νB(T)는, 60∼ 90K 부근에 서로 다른 극치를 갖고, 약 200K 이하의 저온 영역에서 온도 T에 의존하여 비선형으로 변화한다. 즉, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 νB(T)는, 60∼90K 부근에서 온도 T에 대한 변화율이 작고, 저온 영역에서의 60∼90K 부근 이외의 영역에서, 그 피크 주파수 νB(T)는 온도 T에 대한 변화율이 보다 크다.
곡선 LA는, 극치 온도 TA에서 점 X로 표시된 극치를 갖는다. 또한, 곡선 LB는, 극치 온도 TB에서 점 Y로 표시된 극치를 갖는다. 예컨대, 광섬유 케이블(10)이 극치 온도 TB의 온도일 때, 그 광섬유 케이블(10)에 펌프 광이 입사되면, 광섬유(12A)로부터는, 점 Z로 표시된 값만큼 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수가 변화한 브릴루앙 산란광이 출력되고, 광섬유(12B)로부터는, 점 Y로 표시된 값만큼 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수가 변화한 브릴루앙 산란광이 출력되게 된다.
이와 같이, 광섬유 케이블(10)은, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 νB(T)의 온도 의존성에 있어서 극치가 되는 온도가 서로 다른 광섬유(12A, 12B)를 포함한다. 즉, 광섬유 케이블(10)은, 각각 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는 광섬유(12A, 12B)(브릴루앙 스펙트럼의 온도 의존성이 다름)에 의해 구성되어 있다.
광섬유(12A, 12B) 각각에 있어서, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 νB(T)의 온도 의존성에 있어서 극치가 되는 온도를 다르게 하기 위해서는, 도펀트(dopant)의 종류, 도펀트의 첨가 농도, 또는 굴절률 프로파일을, 광섬유(12A, 12B) 사이에서 변경함으로써 실현 가능하다. 예컨대, 광섬유(12A)는, 코어 영 역(121)에 있어서의 도펀트의 첨가 농도가 0이며, 극치 온도 TA는 60K 정도이다. 광섬유(12B)는, 코어 영역(121)에 있어서의 도펀트의 첨가 농도가 20%이며, 극치 온도 TB는 90K 정도이다.
(센서의 실시예 1)
계속해서, 외란 검출용 프로브로서 상술한 바와 같은 구조를 갖는 광섬유 케이블(10)을 구비한 실시예 1에 따른 센서에 대하여 설명한다. 또, 도 5는 본 발명에 따른 센서의 실시예 1의 구성을 나타내는 도면이다. 이하, 본 실시예 1에 따른 센서에 의한 온도 측정에 대하여 상술한다. 도 5에 표시된 실시예 1에 따른 센서(1)는, 센서부로서 적용된 광섬유 케이블(10)과, BOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometry) 장치(13)와, 온도 해석부(14)(해석 수단)를 구비하고, 피측정물(5)의 온도를 측정한다. 상술한 바와 같이 광섬유 케이블은, 광섬유(12A, 12B)를 포함하고, 이들 광섬유(12A, 12B)는, 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는 2종류의 도파로로서, 각각 코어 영역을 구비한다.
BOTDR 장치(13)는, 광원(15)과 검출부(16)를 구비한다. 이 BOTDR 장치(13)에는, 광섬유 케이블(10)의 일단이 접속되어 있고, 그 광섬유 케이블(10)에 포함되는 광섬유(12A, 12B)로부터 출력되는 브릴루앙 산란광이 시간의 함수로서 측정된다.
광섬유 케이블(10)에 포함되는 광섬유(12A, 12B) 각각의 코어 영역은, 각각 광원(15)이 출력된 펌프 광이 입력되는 한편, 브릴루앙 산란광을 포함하는 후방 산란광을 출력한다. 광섬유 케이블(10)은, 그 광섬유 케이블(10)의 일부가 피측정물(5)의 표면에 접촉한 상태로 설치되어 있다. 본 실시예 1에 있어서, 광섬유 케이블(10)은, 사행시킨 상태로 피측정물(5)의 표면에 설치되어 있다.
광섬유 케이블(10)이 이와 같이 배치됨으로써, 그 광섬유 케이블(10)의 대부분이 피측정물(5)과 접촉하게 된다. 각 광섬유(12A, 12B)는, 당해 광섬유 케이블(10)의 길이 방향을 따라 서로 거의 같은 온도가 되도록 각각 보지되어 있다.
검출부(16)는, 광섬유 케이블(10)에 포함되는 광섬유(12A, 12B)의 펌프 광 입사 단면측(광섬유(12A, 12B) 각각의 코어 영역의 단면)으로부터 각각 출력되는 브릴루앙 산란광의 스펙트럼을 단위 시간마다 검출한다. 검출부(16)는, 검출된 브릴루앙 스펙트럼에 있어서의 피크 주파수를 나타내는 검출 결과를 온도 해석부(14)에 출력한다. 즉, 검출부(16)는, 광섬유(12A)에 대응하는 제 1 검출 결과와, 광섬유(12B)에 대응하는 제 2 검출 결과를 출력한다. 여기서, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수는, 펌프 광의 주파수와 연동하여 변화한다. 또한, 펌프 광의 주파수는, 광원의 온도 등에 의해 변화한다. 따라서, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수를 펌프 광의 주파수와의 주파수 차(주파수 시프트)로 함으로써, 측정 정밀도를 향상시킨다.
온도 해석부(14)는, 검출부(16)로부터 출력된 제 1 및 제 2 검출 결과에 근거하여, 광섬유 케이블(10)이 설치된 환경의 온도, 즉, 피측정물(5)의 온도를 해석한다. 온도 해석부(14)는, 저장부(17)와, 추출부(18)와, 결정부(19)를 구비한다.
저장부(17)는, 온도를 나타내는 온도 정보에 대하여, 펌프 광의 주파수와 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수의 주파수 차(이하, 「주파수 시프트」라고 함)를 나타내는 제 1 시프트 정보 및 제 2 시프트 정보를 관련지어 저장한다.
저장부(17)가 저장하는 정보에 대하여, 도 6을 이용하여 보다 자세히 설명한다. 도 6은 실시예 1에 따른 센서(1)의 센서부에 적용된 광섬유(12A)의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 온도 특성을 나타내는 그래프이다. 이 도 6에 표시된 온도 특성 그래프에 있어서, 주파수 시프트 ν1이 극소치인 경우, 하나의 주파수 시프트 ν1에 대하여 하나의 온도 T1이 대응하고 있다. 또한, 도 6에 표시된 온도 특성 그래프에 있어서, T1H보다 높은 온도 영역에서도, 하나의 주파수 시프트의 값에 대하여 하나의 온도만이 대응하고 있는 영역이 있다. 이들의 경우에 있어서는, 광섬유(12A)에 관하여, 하나의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트 ν1을 나타내는 제 1 시프트 정보가 관련지어진 하나의 온도 정보 t1이 저장부(17)에 의해 저장된다.
또한, 도 6에 표시된 온도 특성 그래프에 있어서, 주파수 시프트 ν2에 대해서는, 두 개의 온도 T1L, T1H가 대응한다. 이러한 경우, 광섬유(12A)에 관하여, 하나의 주파수 시프트 ν2를 나타내는 제 1 시프트 정보가 관련지어진 두 개의 온도 정보 t1L, t1H가 저장부(17)에 의해 저장된다. 마찬가지로, 광섬유(12B)에 관해서도, 하나의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 값과 온도가 일대일로 대응하는 경우에는, 하나의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트를 나타내는 제 2 시프트 정 보가 관련지어진 하나의 온도 정보 t2가 저장된다. 또한, 하나의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 값에 대하여 두 개의 온도가 대응하는 경우에는, 하나의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트를 나타내는 제 2 시프트 정보가 관련지어진 두 개의 온도 정보 t2L, t2H가 저장된다.
도 5로 되돌아가, 추출부(18)는, 검출부(16)로부터 출력된 제 1 및 제 2 검출 결과에 각각 대응하는 제 1 및 제 2 시프트 정보가 관련지어진 상태로 저장부(17)에 의해 저장된 하나 또는 두 개의 온도 정보를 각각 추출한다. 그리고, 추출부(18)는, 추출된 온도 정보를 결정부(19)에 출력한다.
결정부(19)는, 출력된 온도 정보에 근거하여 광섬유 케이블(10)의 온도를 결정한다. 광섬유(12A)에 대한 하나의 온도 정보 t1과 광섬유(12B)에 대한 하나의 온도 정보 t2가 추출부(18)로부터 출력되면, 결정부(19)는, 온도 정보 t1이 나타내는 온도 T1과 온도 정보 t2가 나타내는 온도 T2의 평균치를 광섬유 케이블(10)의 온도로서 결정한다. 결정부(19)는, 광섬유(12A)에 대한 하나의 온도 정보 t1과 광섬유(12B)에 대한 두 개의 온도 정보 t2L, t2H가 출력되면, 온도 정보 t1이 나타내는 온도 T1과, 온도 정보 t2L, t2H 중 온도 t1에 보다 가까운 온도와의 평균치를 광섬유 케이블(10)의 온도로서 결정한다.
결정부(19)는, 광섬유(12A)에 대한 두 개의 온도 정보 t1L, t1H와 광섬유(12B)에 대한 하나의 온도 정보 t2가 출력되면, 상술한 결정 프로세스와 동일한 프로세스를 거쳐 광섬유 케이블(10)의 온도를 결정한다. 또한, 결정부(19)는, 광 섬유(12A)에 대한 두 개의 온도 정보 t1L, t1H와 광섬유(12B)에 대한 두 개의 온도 정보 t2L, t2H가 출력되면, 서로 일치하는 온도, 또는 서로 보다 가까운 온도끼리의 평균치를 광섬유 케이블(10)의 온도로서 결정한다. 결정부(19)는, 결정된 광섬유 측정 케이블(10)의 온도에 근거하여 피측정물(5)의 온도를 해석한다.
다음으로, 본 실시예 1에 따른 센서(1)의 동작으로서, 특히 온도를 측정하는 방법(본 발명에 따른 외란 측정 방법의 실시예 1)에 대하여, 도 7의 흐름도를 이용하여 설명한다. 또, 도 7은 실시예 1에 따른 센서(1)를 이용한 온도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 본 실시예 1에 따른 외란 측정 방법은, 센서(1)를 이용하여, 피측정물(5)의 온도를 측정한다.
본 실시예 1에 따른 외란 측정 방법은, 저장 단계 ST1과, 검출 단계 ST2와, 온도 해석 단계 TS3을 구비하고, 피측정물(5)의 온도를 해석한다. 저장 단계 ST1에서는, 온도 정보와, 그 온도에 대응하는 제 1 시프트 정보 및 제 2 시프트 정보가 서로 관련지어진 상태로 저장부(17)에 의해 미리 저장된다.
저장부(17)에 의해 온도 정보와 제 1 및 제 2 시프트 정보가 저장된 상태로, 검출 단계 ST2 및 온도 해석 단계 ST3이 실행된다. 우선, 검출 단계 ST2에서는, 펌프 광이 광섬유(12A, 12B) 각각에 입사되고, 펌프 광의 입력에 따라 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼이, 검출부(16)에 의해 검출된다. 그리고, 검출된 광섬유(12A)와 광섬유(12B) 각각의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트를 나타내는 제 1 검출 결과 및 제 2 검출 결과가, 검출부(16)에 의해 온도 해 석부(14)에 출력된다.
온도 해석 단계 ST3에서는, 제 1 및 제 2 검출 결과와 대응하는 제 1 및 제 2 시프트 정보와 각각 관련지어진 상태로 저장부(17)에 의해 저장된 제 1 및 제 2 온도 정보가, 추출부(18)에 의해 추출된다. 추출된 온도 정보에 근거하여, 광섬유 케이블(10)의 온도가 결정부(19)에 의해 결정되고, 결정된 온도에 근거하여 피측정물(5)의 온도가 해석된다.
이상과 같이, 실시예 1에 따른 센서(1) 및 그것을 이용한 온도 측정 방법(실시예 1에 따른 외란 측정 방법)에서는, 브릴루앙 스펙트럼의 온도 의존성이 서로 다른 복수의 도파로(공통의 클래딩 영역에 의해 보지된 복수의 코어 영역이더라도 좋고, 또한, 복수의 광섬유 각각의 코어 영역이더라도 좋음) 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼이, 검출부(16)에 의해 검출된다. 그리고, 검출된 브릴루앙 스펙트럼을 특징짓는 파라미터의 변동에 근거하여, 광섬유 케이블(10)의 온도가 결정된다. 따라서, 200K 이하의 저온 영역에서도 정확히 피측정물의 온도가 해석될 수 있다.
외란 검출용 프로브로서 하나의 광섬유만을 이용한 종래의 기술에 있어서, 그 광섬유가 피측정물(5)의 온도 부근에서 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트가 온도 특성 그래프에 있어서의 극치를 취하는 경우, 그 광섬유로부터 얻어지는 주파수 시프트만으로부터 일의에 온도를 해석할 수는 없다. 이에 대하여, 본 실시예에서는, 광섬유(12A) 및 광섬유(12B) 각각으로부터 얻어지는 주파수 시프트에 근거하여 온도 해석이 행해지므로, 200K 이하의 저온 영역을 포함하는 온도 범위에 있어 서도 정확한 온도 해석이 가능하다.
또한, 광섬유(12A)와 광섬유(12B)의 한쪽에 있어서만, 피측정물(5)의 온도 부근에서 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트가 극치를 취한다. 그 때문에, 그 한쪽의 광섬유로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 온도에 대한 변화율이 작은 경우(감도가 나쁜 경우)이더라도, 다른 쪽의 광섬유로부터 얻어지는, 온도에 대하여 감도 좋게 검출된 주파수 시프트에 근거하여 온도 해석이 행해짐으로써, 정확한 온도를 측정할 수 있다.
(실시예 1에 따른 센서의 변형예)
상술한 실시예 1에 따른 외란 측정 방법 및 센서(1)에서는, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 온도 의존성을 이용하여 온도를 측정했지만, 브릴루앙 스펙트럼의 스펙트럼 선폭의 온도 의존성을 이용하더라도 온도 측정은 가능하다. 이 경우, 도 5에 표시된 센서(1)가 갖는 각 요소의 기능은, 이하의 각 점에서 실시예 1과 다르다.
검출부(16)는, 검출된 브릴루앙 스펙트럼의 스펙트럼 선폭을 나타내는 검출 결과를 온도 해석부(14)에 출력한다. 즉, 검출부(16)는, 광섬유(12A)에 대응하는 제 1 검출 결과와, 광섬유(12B)에 대응하는 제 2 검출 결과를 출력한다.
온도 해석부(14)는, 검출부(16)로부터 출력된 제 1 및 제 2 검출 결과에 근거하여 피측정물(5)의 온도를 해석한다.
저장부(17)는, 온도를 나타내는 온도 정보를, 제 1 선폭 정보 및 제 2 선폭 정보와 관련지은 상태로 저장한다. 제 1 및 제 2 선폭 정보란, 관련지어진 온도 정보가 나타내는 온도에 있어서 광섬유(12A)와 광섬유(12B) 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼의 스펙트럼 선폭을 의미한다. 광섬유(12A, 12B)로부터 얻어지는 스펙트럼 선폭은, 온도에 의존하여 선형적으로 변화한다. 그 때문에, 저장부(17)는, 하나의 선폭을 나타내는 제 1 선폭 정보와 하나의 온도를 나타내는 온도 정보 t1을 관련지은 상태로 저장함과 아울러, 하나의 스펙트럼 선폭을 나타내는 제 2 선폭 정보와 하나의 온도를 나타내는 온도 정보 t2를 관련지은 상태로 저장하게 된다.
추출부(18)는, 검출부(16)로부터 출력되는 제 1 및 제 2 검출 결과에 대응하는 제 1 및 제 2 선폭 정보에 각각 관련지은 상태로 저장부(17)에 의해 저장된 온도 정보 t1, t2를 추출한다. 그리고, 추출부(18)는, 추출된 온도 정보 t1, t2를 결정부(19)에 출력한다.
결정부(19)는, 출력된 온도 정보 t1, t2에 근거하여 광섬유 케이블(10)의 온도를 결정한다. 온도 정보 t1과 온도 정보 t2가 추출부(18)로부터 출력되면, 결정부(19)는, 온도 정보 t1이 나타내는 온도 T1과 온도 정보 t2가 나타내는 온도 T2의 평균치를 광섬유 케이블(10)의 온도로서 결정한다. 결정부(19)는, 결정된 광섬유 측정 케이블(10)의 온도에 근거하여 피측정물(5)의 온도를 해석한다.
이와 같이, 실시예 1에 따른 센서(1)의 변형예를 이용한 온도 측정 방법은, 온도 해석 단계 ST3에 있어서, 광섬유(12A, 12B)의 왜곡량에 의존하지 않는 복수의 스펙트럼 선폭에 관한 정보를 이용하여 온도 해석하므로, 보다 정밀한 온도 측정이 가능해진다.
또한, 온도 측정 범위가 저온 영역보다 넓은 경우, 또는, 브릴루앙 스펙트럼의 스펙트럼 선폭이 온도에 대하여 선형으로 변화하지 않는 온도 영역을 포함하는 경우이더라도, 스펙트럼 선폭을 이용하여 피측정물(5)의 온도 해석이 행해지더라도 좋다. 그 경우, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트를 이용하여 온도 해석을 행하는 실시예 1과 같은 측정 방법에 의해 온도 해석이 행해진다. 즉, 제 1 검출 결과와 제 2 검출 결과 중 적어도 한쪽의 검출 결과에 대하여 복수의 온도 정보가 추출된 경우, 서로 같은 값 또는 보다 가까운 값을 나타내는 제 1 검출 결과에 대응하는 하나의 온도 정보와 제 2 검출 결과에 대응하는 하나의 온도 정보가 각각 나타내는 온도의 평균치를 광섬유 케이블(10)의 온도로서 결정한다.
또, 광섬유 케이블(10)에 포함되는 복수의 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼에 대하여, 그 스펙트럼 선폭의 온도 의존성은 서로 다르더라도 좋다.
또한, 광섬유 케이블(10)로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼을 특징짓는 파라미터로서, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 또는 주파수 시프트, 및, 스펙트럼 선폭의 양쪽을 이용하여 피측정물(5)의 온도 해석을 행하더라도 좋다. 이 경우, 상술한 실시예 1에 있어서 설명된 바와 같이 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트에 근거하여 결정된 광섬유 케이블(10)의 온도와, 상술한 변형예에 있어서 설명된 바와 같이 스펙트럼 선폭에 근거하여 결정된 광섬유 케이블(10)의 온도의 평균치가, 그 광섬유 케이블(10)의 온도로서 최종적으로 결정된다. 이와 같이 복수의 광섬유 로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 또는 주파수 시프트, 및, 스펙트럼 선폭에 관한 정보를 이용하여 온도 해석이 행해짐으로써, 피측정물(5)의 보다 정밀한 온도 해석이 가능해진다.
(센서의 실시예 2)
상술한 실시예 1 및 변형예에 따른 센서(1), 및 그것을 이용한 외란 측정 방법에서는, 피측정물(5)의 온도만을 측정했지만, 본 실시예 2에 따른 센서 및 그것을 이용한 외란 측정 방법에서는, 브릴루앙 스펙트럼을 특징짓는 파라미터인 스펙트럼 선폭의 온도 의존성과 주파수 시프트의 왜곡 의존성을 이용하여, 온도와 왜곡을 측정한다. 도 8에 표시된 바와 같이, 본 실시예 2에 따른 센서(2)는, 외란 검출용 프로브인 광섬유 케이블(10), BOTDR 장치(13), 온도 해석부(14)에 덧붙여, 왜곡 해석부(21)를 구비한다.
광섬유 케이블(10)에 포함되는 복수의 광섬유(12A, 12B)는, 상술한 바와 같이, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 온도 의존성이 서로 다른 브릴루앙 스펙트럼을 갖는다. 본 실시예 2에서는 실시예 1과 같이, 광섬유 케이블(10)이, 피측정물(5)의 표면에 사행한 상태로 설치되어 있다. 피측정물(5)이 비뚤어지면, 비뚤어진 부분에 접촉하고 있는 광섬유 케이블(10)에 왜곡이 발생함과 아울러, 광섬유(12A, 12B)도 비뚤어진다.
BOTDR(13)은, 상술한 실시예 1과 같이, 광원(15)과, 검출부(16)를 구비한다. 광원(15)은 펌프 광을 출력하고, 이 펌프 광이, 광섬유 케이블(10)에 포함되는 광 섬유(12A, 12B) 각각에 입사된다. 펌프 광의 입사에 따라, 광섬유(12A, 12B)는, 브릴루앙 산란광을 각각 출력한다. 검출부(16)는, 광섬유(12A), 광섬유(12B) 각각으로부터 출력된 브릴루앙 스펙트럼을 검출한다.
검출부(16)는, 검출된 브릴루앙 스펙트럼의 검출 결과를 온도 해석부(14) 및 왜곡 해석부(21)에 출력한다. 검출 결과는, 제 1 및 제 2 시프트 검출 결과와 제 1 및 제 2 선폭 검출 결과를 포함한다. 제 1 및 제 2 시프트 검출 결과란, 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 얻어진 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트를 의미한다. 한편, 제 1 및 제 2 선폭 검출 결과란, 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 얻어진 브릴루앙 스펙트럼의 스펙트럼 선폭을 의미한다. 제 1 및 제 2 선폭 검출 결과는 온도 해석부(14)에 출력되고, 제 1 및 제 2 시프트 검출 결과는 왜곡 해석부(21)에 출력된다.
온도 해석부(14)는, 상술한 실시예 1의 변형예와 같이, 검출부(16)로부터 출력된 제 1 및 제 2 선폭 검출 결과에 근거하여, 광섬유 케이블(10)의 온도를 결정한다. 스펙트럼 선폭은 광섬유 케이블(10)의 왜곡의 크기에는 의존하지 않으므로, 그 광섬유 케이블(10)의 왜곡의 영향을 받지 않고서 온도를 결정할 수 있다. 그리고, 온도 해석부(14)는, 온도 해석 결과를 왜곡 해석부(21)에 출력한다.
왜곡 해석부(21)는, 왜곡 저장부(22), 연산부(23), 왜곡 추출부(24), 왜곡 결정부(25), 및 온도 저장부(26)를 구비하고, 제 1 및 제 2 시프트 검출 결과와 온도 해석 결과에 근거하여 피측정물(5)의 왜곡을 해석한다.
즉, 왜곡 저장부(22)는, 광섬유 케이블(10)에 발생한 왜곡량을 나타내는 왜 곡 정보에 대하여, 제 1 시프트 정보 및 제 2 시프트 정보를 서로 관련지어 저장한다. 이 제 1 시프트 정보 및 제 2 시프트 정보란, 특정한 온도에 있어서, 광섬유 케이블(10)이 그 왜곡량만큼 비뚤어진 상태로 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트를 의미한다.
온도 저장부(26)는, 온도 정보에 대하여, 제 1 시프트 정보 및 제 2 시프트 정보를 서로 관련지어 저장한다.
연산부(23)는, 검출부(16)로부터 출력된 제 1 시프트 검출 결과 및 제 2 시프트 검출 결과로부터 온도 해석 결과에 근거하는 온도 기여분을 뺌으로써, 제 1 왜곡 기여 정보 및 제 2 왜곡 기여 정보를 생성한다. 제 1 및 제 2 시프트 검출 결과는, 각각 광섬유(12A, 12B)의 온도 기여분과 왜곡 기여분이 포함되어 있다. 제 1 왜곡 기여 정보란, 제 1 시프트 검출 결과가 나타내는 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트 중, 광섬유(12A)의 왜곡에 기인하여 시프트한 왜곡 기여분의 주파수 시프트를 의미한다. 제 2 왜곡 기여 정보란, 제 2 시프트 검출 결과가 나타내는 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트 중, 광섬유(12B)의 왜곡에 기인하여 시프트한 왜곡 기여분의 주파수 시프트를 의미한다.
우선, 연산부(23)는, 온도 해석부(14)로부터 출력되는 온도 해석 결과에 대응하는 온도 정보와 관련지어진 제 1 및 제 2 시프트 정보를 온도 저장부(26)로부터 추출한다. 연산부(23)는, 추출된 제 1 및 제 2 시프트 정보를 이용하여, 검출부(16)로부터 출력된 제 1 및 제 2 시프트 검출 결과로부터 온도 해석 결과에 근거한 온도 기여분을 뺌으로써, 제 1 왜곡 기여 정보 및 제 2 왜곡 기여 정보를 생성 한다. 그리고, 연산부(23)는, 생성된 제 1 및 제 2 왜곡 기여 정보를 왜곡 추출부(24)에 출력한다.
왜곡 추출부(24)는, 제 1 왜곡 기여 정보가 나타내는 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트에 대응하는 제 1 시프트 정보와 관련지어 저장된 왜곡 정보를, 제 1 왜곡 정보로서 왜곡 저장부(22)로부터 추출한다. 마찬가지로, 왜곡 추출부(24)는, 제 2 왜곡 기여 정보가 나타내는 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트에 대응하는 제 2 시프트 정보와 관련지어 저장된 왜곡 정보를, 제 2 왜곡 정보로서 왜곡 저장부(22)로부터 추출한다.
왜곡 결정부(25)는, 제 1 및 제 2 왜곡 정보에 근거하여 광섬유 케이블(10)의 왜곡량을 결정한다. 구체적으로는, 왜곡 결정부(25)는, 제 1 왜곡 정보가 나타내는 왜곡량과 제 2 왜곡 정보가 나타내는 왜곡량의 평균치를 광섬유 케이블(10)의 왜곡량으로 한다. 왜곡 결정부(25)는, 결정된 광섬유 케이블(10)의 왜곡량에 근거하여, 피측정물(5)의 왜곡량을 해석한다.
다음으로, 본 실시예 2에 따른 센서(2)의 동작으로서, 온도 및 왜곡을 측정하는 방법(본 발명에 따른 외란 측정 방법의 실시예 2)에 대하여, 도 9의 흐름도를 이용하여 설명한다. 또, 도 9는 실시예 2에 따른 센서(2)를 이용한 온도 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 본 실시예 2에 따른 외란 측정 방법은, 센서(2)를 이용하여 피측정물(5)의 온도 및 왜곡을 측정한다.
본 실시예 2에 따른 외란 측정 방법은, 저장 단계 ST11과, 검출 단계 ST12와, 온도 해석 단계 ST13과, 왜곡 해석 단계 ST14를 구비한다. 저장 단계 ST11에 서는, 광섬유 케이블(10)의 온도 정보와, 제 1 선폭 정보 및 제 2 선폭 정보가, 저장부(17)에 의해 저장된다. 또한, 광섬유 케이블(10)의 왜곡 정보와, 제 1 시프트 정보 및 제 2 시프트 정보가 왜곡 저장부(22)에 의해 저장된다.
저장 단계 ST11에 이어지는 검출 단계 ST12에서는, 펌프 광이 복수의 광섬유(12A, 12B)에 각각 입사된다. 이 펌프 광의 입사에 따라 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 얻어지는 브릴루앙 스펙트럼이, 검출부(16)에 의해 검출된다. 그리고, 검출된 브릴루앙 스펙트럼 각각의 스펙트럼 선폭을 나타내는 제 1 및 제 2 선폭 검출 결과가, 검출부(16)에 의해 온도 해석부(14)에 출력되는 한편, 주파수 시프트를 나타내는 제 1 및 제 2 시프트 검출 결과가 검출부(16)에 의해 왜곡 해석부(21)에 출력된다.
계속해서, 온도 해석 단계 ST13에서는, 검출부(16)로부터 출력된 제 1 및 제 2 선폭 검출 결과가 나타내는 제 1 및 제 2 선폭 정보에 대하여 각각 관련지어진 상태로 저장부(17)에 의해 저장된 온도 정보가, 추출부(18)에 의해 추출된다. 추출된 온도 정보에 근거하여, 광섬유 케이블(10)의 온도가 결정부(19)에 의해 결정된다. 그리고, 온도 해석 결과가 왜곡 해석부(21)에 출력된다.
온도 해석 단계 ST13에 이어지는 왜곡 해석 단계 ST14에서는, 입력된 제 1 및 제 2 시프트 검출 결과로부터 온도 해석 결과에 근거하는 온도 기여분을 각각 뺌으로써, 연산부(23)가 제 1 및 제 2 왜곡 기여 정보를 생성한다. 그리고, 제 1 및 제 2 왜곡 기여 정보에 대응하는 제 1 및 제 2 왜곡 정보가, 왜곡 추출부(24)에 의해 왜곡 저장부(22)로부터 추출된다. 제 1 및 제 2 왜곡 정보가 추출되면, 제 1 왜곡 정보와 제 2 왜곡 정보가 각각 나타내는 왜곡량의 평균치가 광섬유 케이블(10)의 왜곡량으로서 왜곡 결정부(25)에 의해 결정된다. 그리고, 결정부(25)에서는, 결정된 왜곡량에 근거하여 피측정물(5)의 왜곡이 해석된다.
이상과 같은 외란 측정이 행해짐으로써, 왜곡의 크기에 의존하지 않는 복수의 스펙트럼 선폭을 이용한 보다 정확한 온도 해석이 가능해진다. 또한, 해석된 온도와, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 온도 의존성에 있어서의 극치 온도가 서로 다른 도파로(광섬유(12A, 12B) 각각의 코어 영역)로부터 얻어진 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 또는 주파수 시프트에 근거하여 광섬유 케이블(10)의 왜곡 측정이 행해지므로, 보다 정밀한 피측정물의 왜곡 해석이 가능해진다. 즉, 브릴루앙 스펙트럼의 스펙트럼 선폭과 피크 주파수 또는 주파수 시프트의 양쪽을 이용함으로써, 광섬유 케이블(10)에 포함되는 광섬유(12A, 12B) 각각의 코어 영역에 발생하는 왜곡과 온도를 정확히 결정할 수 있다. 따라서, 본 실시예 2에 따른 외란 측정 방법에 의하면, 피측정물(5)의 왜곡과 온도를 보다 정확히 해석할 수 있다.
본 발명은, 상술한 실시예 1 및 2에 한정되는 것이 아니고, 여러 가지의 변형이 가능하다. 예컨대, 외란 검출용 프로브로서 적용된 광섬유 케이블(10)의 구성은, 도 10 및 11에 표시된 바와 같이, 여러 가지의 변형이 가능하다. 도 10 및 11은 모두, 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도이다. 즉, 도 10의 영역 (a)에 표시된 광섬유 케이블(10A)은, 2가닥의 광섬유(12A, 12B)와, 케이블 외피(31)와, 2가닥의 항장력선(tension member)(32)을 구비한다. 2가닥의 광섬유(12A, 12B) 각각이 케이블 외 피(31)의 중앙부에 위치하고, 항장력선(32)이 이들 광섬유(12A, 12B)의 양측에 위치하고 있다. 케이블 외피(31)는, 2가닥의 광섬유(12A, 12B) 및 2가닥의 항장력선(32)을 덮어, 시트 형상으로 형성되어 있다.
도 10의 영역 (b)에 표시된 광섬유 케이블(10B)에는, 2가닥의 광섬유(12A, 12B) 사이에 항장력선(33)이 배치되고, 2가닥의 광섬유(12A, 12B)와 항장력선(33) 사이를 충전하여 덮어, 단면이 원 형상으로 형성된 완충재(34)가 배치되어 있다. 완충재(34)의 주위는, 눌린 코일(35)이 감기고, 그 눌린 코일(35)의 주위에 케이블 외피(36)가 배치되어 있다.
도 10의 영역 (c)에 표시된 광섬유 케이블(10C)에는, 광섬유(12A)의 주위에 항장력 섬유(37)가 배치되고, 광섬유(12B)의 주위에도 항장력 섬유(38)가 배치되어 있다. 그리고 항장력 섬유(37, 38)의 양쪽을 피복하는 케이블 외피(39)가 형성되어 있다.
도 11의 영역 (a)에 표시된 광섬유 케이블(10D)은, 루스 튜브형 케이블로서, 튜브(41)에 광섬유(12A) 및 광섬유(12B)가 삽통되어 있다. 광섬유(12A)와 광섬유(12B)의 주위를 함께 피복하는 피복(42)이 단면 원 형상으로 형성되고, 피복(42)의 주위에는 공기 또는 젤리(43)가 충전되어 있다. 또한, 파이프(41)의 내벽면과 젤리(43) 사이에는 눌린 코일(44)이 배치되어 있다. 이러한 루스 튜브형의 광섬유 케이블(10D)은, 왜곡의 영향을 받기 어렵다. 또한, 도 11의 영역 (b)에 표시된 광섬유 케이블(10E)과 같이, 광섬유 케이블(10D)은, 피복(42)이 없더라도 좋다.
상술한 광섬유(12A, 12B)는, 도 3의 영역 (b)에 표시된 바와 같이 코어 영 역(121) 및 클래딩 영역(122)에 의해 구성되어 있지만, 자외선 경화형 수지 또는 플라스틱 수지 등의 피복으로 덮인 광섬유 심선(coated fiber)이더라도 좋다. 또한, 광섬유 케이블(10, 10A∼10E)에 포함되는 광섬유는, 3가닥 이상이더라도 좋다.
또한, 광섬유 케이블(10)은, 피측정물(5)의 형상에 따라 도 12에 표시된 바와 같이 설치되더라도 좋다. 또, 도 12는 본 발명에 따른 센서의 센서부(광섬유 케이블)의 설치예를 설명하기 위한 도면이다. 도 12의 영역 (a)에 표시된 바와 같이, 광섬유 케이블(10)은 피측정물(5A)의 한 방향을 따라 설치되더라도 좋다. 도 12의 영역 (b)에 표시된 바와 같이, 광섬유 케이블(10)은 피측정물(5B)의 한 방향을 따라 이중으로 설치되더라도 좋다. 또한, 광섬유 케이블(10)은, 도 12의 영역 (c)에 표시된 바와 같이, 피측정물(5C)의 측면을 따라 나선 형상으로 감긴 상태로 설치되더라도 좋다. 광섬유 케이블(10)은, 피측정물이 중공(中空)의 물체인 경우에, 피측정물의 내측면을 따라 설치되더라도 좋다. 또한, 광섬유는, 피측정물을 구성하는 재료 중에 매립되더라도 좋다.
상술한 실시예 1 및 2에서는, BOTDR 장치(13)를 이용하여 BOTDR법에 의해 브릴루앙 스펙트럼이 검출되고 있지만, BOTDA(Brillouin Optical Time Domain Analysis) 장치를 이용한 BOTDA법에 의해 브릴루앙 스펙트럼 검출이 행해지더라도 좋다. 또한, BOCDA(Brillouin Optical Correlation Domain Analysis) 장치를 이용한 BOCDA법에 의해 브릴루앙 스펙트럼 검출이 행해지더라도 좋다. 이들 방법을 이용하여 브릴루앙 스펙트럼을 검출하는 경우, 광섬유(12A, 12B)의 길이 방향을 따른 온도 분포 및 왜곡 분포를 측정할 수 있다.
또한, 광섬유 케이블(10)로 바꿔, 도 13에 표시된 광섬유 케이블(50)이, 외란 검출용 프로브에 적용되더라도 좋다. 또, 도 13은 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 한 구조를 나타내는 단면도이다. 이 광섬유 케이블(50)은, 코어 영역(52)과, 그 코어 영역(52)을 둘러싸는 클래딩 영역(51)을 구비한 광섬유로서, 구체적으로는, 각각이 도파로로서 기능하는 복수의 코어 영역(52A, 52B)과, 이들 코어 영역(52A, 52B)을 일체적으로 둘러싸는 클래딩 영역(51)에 의해 구성되어 있다. 복수의 코어 영역(52A, 52B)은, 브릴루앙 스펙트럼 주파수의 온도 의존성이 서로 다르다. 즉, 복수의 코어 영역(52A, 52B)은, 브릴루앙 스펙트럼의 형상의 온도 의존성이 서로 다르다.
또한, 복수의 코어 영역(52A, 52B)은, 서로의 사이에서 광 파워 결합이 발생하지 않도록 구성되어 있다. 예컨대, 광섬유 케이블(50)은, 도 13에 표시된 바와 같이, 클래딩 영역(51)의 중앙 영역에서 두 개의 코어 영역(52A, 52B)이 서로 비접촉으로 배치되어 있다.
코어 영역(52A, 52B)에 각각 펌프 광이 입사됨으로써, 코어 영역(52A, 52B) 각각으로부터 브릴루앙 산란광이 출력된다. 이 브릴루앙 산란광은, 상술한 광섬유(12A, 12B) 각각으로부터 출력되는 브릴루앙 산란광에 상당한다. 따라서, 상술한 센서(1, 2) 및 이들을 이용한 외란 측정 방법에 의해 피측정물(5)의 온도 해석 및 왜곡 해석이 가능해진다.
(센서의 실시예 3)
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 센서는, BOTDR법에 의한 외란 측정뿐만 아니라, 여러 가지의 측정 방법이 실시 가능하다. 이하에서는, 본 발명에 따른 센서의 실시예 3으로서, BOCDA 방식의 센서에 대하여 설명한다. 도 14는 본 발명에 따른 센서의 실시예 3의 구성을 나타내는 도면이다. 이 도 14에 표시된 실시예 3에 따른 센서(3)는, 광원인 LD(15), 광 신호를 등분배하는 커플러(62), 광의 방향을 한 방향으로 통과시키는 한편, 역방향으로 통과시키지 않는 아이솔레이터(63), 광 신호를 증폭하는 앰프(64), 3개의 포트를 갖고 각각 이웃하는 하나의 포트에만 커플링하는 서큘레이터(65), 수광 소자인 PD(16)(검출부), LD(15)와 PD(16)의 전기 신호에 근거하여 온도, 왜곡 등의 외란을 해석하는 해석부(61), 외란 검출용 프로브로서 적용된 광섬유 케이블(10)(센서부)을 구비한다. 또, 광섬유 케이블(10)은, 서로 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는 도파로로서, 적어도 2가닥의 광섬유(12A, 12B)(이들 광섬유(12A, 12B)의 코어 영역이 도파로에 상당하고 있음)를 포함한다.
또, 본 실시예 3에 따른 센서(3)의 센서부는, 2가닥의 광섬유(12A, 12B)를 포함하는 광섬유 케이블(10)을 대표예로 하여 설명하지만, 센서부로서는, 3가닥 이상의 광섬유를 포함하는 광섬유 케이블이 적용되더라도 좋다. 또한, 센서용 이외의 신호 전송용 광섬유가 광섬유 케이블(10) 내에 포함되더라도 좋다. 또한, 광섬유 케이블(10)에 포함되는 광섬유(12A, 12B) 각각은, 싱글모드 광섬유이더라도, 멀티모드 광섬유이더라도 좋다. 단, 이들 광섬유(12A, 12B) 각각이 멀티모드 광섬유인 경우, 피크 주파수에 있어서의 이득(스펙트럼 피크의 최대 이득)이 저하하는 경 향이 있어, 광섬유(12A, 12B)로서는 싱글모드 광섬유 쪽이 보다 바람직하다. 또한, 브릴루앙 산란 특성이 다른 것이면, 플라스틱 섬유 등의 석영계 섬유 이외도 사용할 수 있다.
본 실시예 3에 따른 센서(3)에 있어서, 광섬유 케이블(10)의 한쪽의 단부는, 2가닥의 광섬유(12A, 12B)의 일단끼리 접속된 루프 구조(도 14 중의 L부)를 갖는다. 또한, 광섬유 케이블(10)의 다른 쪽의 단부에 있어서, 한쪽의 광섬유(12A)의 다른 쪽 단(LD(15)측)으로부터는 프로브 광이 입사되고, 다른 쪽의 광섬유(12B)의 다른 쪽 단(LD(15)측)으로부터는 펌프 광이 입사된다. 해석부(61)에서는, LD(15)와 PD(16)의 전기 신호를 연산하여 광섬유 케이블(10)에 발생하는 왜곡과 온도를 해석한다. 이하, 설명의 편의상, 광섬유(12A, 12B)의 LD(15)측을 시단, L부측을 종단으로 한다.
광섬유(12A, 12B)의 종단이 루프 배선됨으로써, 종단측이 임의의 장소에 자유롭게 배치 가능하게 되므로, 종래의 광섬유 케이블보다 포설 작업이 용이하게 되어, 종래의 같은 길이의 광섬유 케이블보다 넓은 측정 범위를 커버할 수 있다. 또한, 본 실시예 3에 따른 센서(3)는, BOCDA 방식이 채용되므로, 거리 분해능에 우수한 왜곡/온도 해석이 가능해진다.
도 15는 실시예 3에 따른 센서(3)의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블(10)의 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도이다. 특히, 이 도 15에 표시된 광섬유 케이블(10F, 10G)에서는, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 왜곡 계수/온도 계수가 각각 다른 광섬유가 적용되어 있다.
도 15의 영역 (a)에 표시된 광섬유 케이블(10F)은, 2가닥의 광섬유(12A, 12B)와, 이들 광섬유(12A, 12B)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(72A, 72B)과, 이들 광섬유(12A, 12B) 및 항장력선(72A, 72B)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(71)로 구성되어 있다. 이 광섬유 케이블(10F)은, 도 10의 영역 (a)에 표시된 광섬유 케이블(10A)과 유사한 구조를 갖지만, 2가닥의 광섬유(12A, 12B)가 보다 근접한 상태로 배치되어 있다.
또한, 도 15의 영역 (b)에 표시된 광섬유 케이블(10G)은, 광섬유(12A), 그 광섬유(12A)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(72A), 이들 광섬유(12A) 및 항장력선(72A)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(71A)로 구성된 좌측 광섬유 케이블과, 광섬유(12B), 그 광섬유(12B)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(72B), 이들 광섬유(12B) 및 항장력선(72B)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(71B)로 구성된 우측 광섬유 케이블을 구비한다. 이 광섬유 케이블(10G)에서, 우측 광섬유 케이블과 좌측 광섬유 케이블은, 상하의 절단선(73)으로부터 좌우로 분리 가능한 상태로 일체적으로 형성되어 있다.
이 도 15의 영역 (b)에 표시된 광섬유 케이블(10G)에서는, 1가닥의 광섬유 케이블이 2가닥의 광섬유 케이블로 분리 가능한 상태로 형성되어 있지만, 따로따로 형성된 2가닥의 광섬유 케이블을 접착제 등으로 접착하여 1가닥의 광섬유 케이블로 하여도 좋다. 또한, 따로따로 형성된 2가닥의 광섬유 케이블을 분리한 상태로 배치하도록 하더라도 좋다. 이와 같이, 어떠한 광섬유 케이블의 상태에 있어서도, 광섬유의 종단을 루프 배선할 수 있으면 좋다.
도 15 중에 표시된 영역 (a) 및 (b)에 있어서, 광섬유(12A, 12B)는, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 왜곡 계수 및 온도 계수 중 적어도 한쪽이 다른 이종의 광섬유이다. 이러한 이종의 광섬유(12A, 12B)를 포함하는 광섬유 케이블(10F, 10G)은, 외력을 받았을 때, 광섬유(12A, 12B)에 거의 같은 정도의 왜곡이 발생하게 설계되어 있다. 광섬유(12A, 12B)는, 왜곡과 온도 모두에 영향을 받지만, 예컨대, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 온도 의존성이 다른 광섬유가, 1가닥의 광섬유 케이블 내에 배치되더라도 좋다. 이 경우, 왜곡/온도의 영향을 분리할 수 있으므로, 해석부(61)는, 그들 값을 용이하게 결정할 수 있다.
도 15의 영역 (b)에 표시된 바와 같이, 광섬유(12A, 12B) 각각이 플라스틱 수지 등의 케이블 외피(71A, 71B)로 피복된 2가닥의 광섬유 케이블로 분리할 수 있는 구조의 경우, 광섬유 케이블(10G)의 단부에서 광섬유(12A, 12B)끼리 접속될 때, 각 광섬유(12A, 12B)가 항장력선(72A, 72B)과 케이블 외피(71A, 71B)로 보호되어 있으므로, 직경이 얇은 광섬유를 직접 취급하는 작업이 적어져, 전체적으로 작업이 용이해진다. 즉, 도 15의 영역 (c)에 표시된 바와 같이, 광섬유 케이블(10G)의 한쪽의 단부에 있어서, 용이하게 루프 구조를 실현할 수 있다. 또한, 광섬유 케이블(10G)은, 절단선(73)으로 좌우로 갈라놓을 수 있으므로, 케이블 외피를 직접 파지하는 타입의 커넥터 등을 이용하여 용이하게 접속할 수 있다.
이하, 외란 검출용 프로브로서 적용된 광섬유 케이블(센서부)에 의한 왜곡/온도 측정 방법의 일례에 대하여 설명한다. 광섬유의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트 νB는 광섬유에 발생하는 왜곡 ε과 온도 T의 함수로서 이하의 수학식 2와 같이 표시된다.
[수학식 2]
Figure 112008027831924-PCT00002
여기서, 왜곡 계수 ι, 온도 계수 κ는 광섬유 고유의 계수로서, 왜곡 계수 ι는 약 0.05∼0.06㎒/με의 크기, 온도 계수 κ는 약 1.5∼2.2㎒/℃의 크기를 갖는다.
상술한 바와 같이, 피측정물의 변형 상태나 요구되는 측정 정밀도에 따라 다르지만, 통상, 약 1000∼3000με의 오더의 왜곡을 측정하는 경우가 많고, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트는 왜곡에 따라 약 50∼180㎒ 변화한다. 한편, 온도는 사용 환경에 따라 크게 다르지만, 통상, 약 20∼50℃의 온도 범위를 측정하는 경우가 많고, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트는 온도에 따라 약 30∼110㎒ 변화한다.
본 실시예 3에 따른 센서(3)에서는, 온도 계수가 다른 이종의 광섬유(12A, 12B)를 광섬유 케이블(10) 내에 구비하고, 이들 광섬유(12A, 12B)의 단부끼리 접속함으로써, 어떤 점에서의 광섬유(12A, 12B)의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트 νB를 각각 측정한다. 이 구성에 의해, 이하와 같은 연립방정식(수학식 3, 수학식 4)으로부터 측정하고 싶은 왜곡 ε과 온도 T를 결정하는 것을 가능하게 했다.
[수학식 3]
Figure 112008027831924-PCT00003
[수학식 4]
Figure 112008027831924-PCT00004
여기서, νB1, νB2는 각각 광섬유(12A, 12B)에서 실제로 측정된 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트이며, 왜곡 계수 ι1, 온도 계수 κ1, 왜곡 계수 ι2, 온도 계수 κ2는 각각 광섬유(12A, 12B)의 고유 계수이다.
도 16은 본 실시예 3에 따른 센서(3)(도 14)에 있어서, 센서부인 광섬유 케이블(10)의 ZP점에 왜곡이 인가됐을 때의 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 도 16의 영역 (a)에 표시된 바와 같이, Z축은 광섬유 케이블(10)상의 위치이고, 광섬유 케이블(10)의 시단을 Zi, 종단을 Zo로 하여, 이 위치 Z와 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트 νB의 관계가, 도 16 중의 영역 (b)에 표시되고 있다. 이 도 16 중의 영역 (b)에 표시된 바와 같이, 왜곡이 인가된 ZP점에서, 광섬유(12A)에서는 νB1-νB1o, 광섬유(12B)에서는 νB2-νB2o만큼 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트 νB 가 변화하고 있는 것을 알 수 있다. 상기 시프트량 νB1-νB1o, νB2-νB2o는 다른 값으로서, 상기 식 (3), 식 (4)에 적용시킴으로써, 왜곡 ε과 온도 T가 산출된다.
이와 같이, 실시예 3에 따른 센서(3)에 의하면, 센서부로서, 발생하는 왜곡이나 온도의 변화에 따라 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 또는 주파수 시프트가 다른 적어도 2가닥의 광섬유를 포함하는 광섬유 케이블(10)이 적용되어 있으므로, 이들 광섬유 중에서의 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수 또는 주파수 시프트의 변화에 근거하여 피측정물의 왜곡과 온도를 분리하여 정확히 해석할 수 있다. 실제로 사용되는 광섬유의 예로서는, 도 2의 표 중에 표시된 파이버 A와 파이버 C의 조합과 같이, 왜곡 계수 ι1, ι2, 온도 계수 κ1, κ2가 크게 다른 쪽이 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트 νB1-νB1o와 νB2-νB2o가 크게 다르므로, 보다 정밀하게 왜곡과 온도를 측정할 수 있다.
또한, 광섬유 케이블(10)의 단부에 있어서, 2가닥의 광섬유의 단부끼리 루프 접속되므로, 포설되어야할 광섬유 케이블 전체를 루프시키는 그 광섬유 케이블의 종단을 그 시단과 같은 장소에 포설할 필요가 없어, 광섬유 케이블 포설 작업이 용이해진다. 또한, 종래의 같은 길이의 광섬유 케이블보다 포설 범위가 넓어지므로, 거리 분해능이 좋은 왜곡/온도 해석이 가능해진다.
또한, 본 실시예 3에 있어서의 센서부는, 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 온도 의존성이 다른 이종의 광섬유를 포함하는 광섬유 케이블이면 좋고, 인도어 케이블과 같은 범용적이고 저렴한 광섬유 케이블의 적용도 가능하다.
이상, 설명된 광섬유 케이블은, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수에 의존하는 왜곡 계수/온도 계수가 다른 광섬유가 적용된 구조를 구비한다. 그러나, 센서부에 적용되는 광섬유 케이블로서, 피측정물로부터의 외력에 기인하여 광섬유에 발생하는 왜곡 및 온도 변화 중 하나가 광섬유 사이에서 다른 구조의 광섬유 케이블이더라도, 왜곡과 온도의 분리를 행하는 것은 가능하다.
도 17은 본 발명에 따른 센서(1∼3) 중 하나의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도로서, 특히, 피측정물로부터 센서부로의 외력/열의 전달 방법이 다른 여러 가지의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 17의 영역 (a)에 표시된 광섬유 케이블(10H)은, 한쪽의 광섬유(12), 그 한쪽의 광섬유(12)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(82A), 이들 한쪽의 광섬유(12) 및 항장력선(82A)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(81A)로 구성되는 좌측 광섬유 케이블과, 다른 쪽의 광섬유(12)(동종의 광섬유), 그 다른 쪽의 광섬유(12)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(82B), 이들 다른 쪽의 광섬유(12) 및 항장력선(82B)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(81B)로 구성되는 우측 광섬유 케이블을 구비하고, 이들 좌측 광섬유 케이블과 우측 광섬유 케이블이 일체적으로 형성되어 있다. 이 2조의 광섬유 케이블은, 상하의 절단선(83)으로부터 좌우의 광섬유 케이블로 분리 가능하다. 이 광섬유 케이블(10H)에서는, 동종의 광섬유(12)가 2가닥 준비되고, 한 쪽(도면 중, 우측)의 광섬유(12)가 플라스틱 튜브 등의 수지 튜브(84) 내에 루스 상태로 배치되어 있다.
도 17의 영역 (b)에 표시된 광섬유 케이블(10I)은, 한쪽의 광섬유(12), 그 한쪽의 광섬유(12)를 피복하는 케이블 외피(81A)로 구성되는 좌측 광섬유 케이블과, 다른 쪽의 광섬유(12)(동종의 광섬유), 그 다른 쪽의 광섬유(12)를 피복하는 케이블 외피(81B)로 구성되는 우측 광섬유 케이블로 이루어진다. 이 광섬유 케이블(10I)에서는, 동종의 광섬유(12)가 2가닥 준비되고, 다른 쪽(도면 중, 우측)의 광섬유(12)가 금속 튜브(85) 내에 배치되어 있다.
또한, 도 17의 영역 (c)에 표시된 광섬유 케이블(10J)은, 도 17의 영역 (a)에 표시된 광섬유 케이블(10H)과 동일한 구성으로, 다른 쪽(도면 중, 우측)의 광섬유(12)가 항장력 섬유 등의 개재물(86)로 덮여 있다. 이 개재물(86)로는, 예컨대, 플라스틱 섬유 등을 이용가능하다. 또, 좌측 광섬유 케이블은, 한쪽의 광섬유(12), 그 한쪽의 광섬유(12)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(82A), 이들 한쪽의 광섬유(12) 및 항장력선(82A)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(81A)로 구성된다. 또한, 우측 광섬유 케이블은, 다른 쪽의 광섬유(12), 그 다른 쪽의 광섬유(12)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(82B), 이들 다른 쪽의 광섬유(12) 및 항장력선(82B)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(81B)로 구성된다. 이들 좌측 광섬유 케이블 및 우측 광섬유 케이블이, 절단선(83)이 마련된 상태로 일체적으로 형성됨으로써 광섬유 케이블(10J)을 얻을 수 있다.
도 17 중의 영역 (a)∼(c)에 표시된 광섬유 케이블(10H∼10J)에서, 한쪽의 광섬유는 케이블 외피와 거의 일체화된 타이트한 상태로 케이블 내에 수납되고(도면 중, 좌측), 다른 쪽의 광섬유는 케이블의 길이 방향 또는 직경 방향에 대하여 움직일 수 있고, 또한, 여분의 길이를 갖는 상태로 케이블 내에 수납되어 있다(도 면 중, 우측). 그 때문에, 포설된 광섬유 케이블에, 예컨대, 장력이 가해져 왜곡이 발생했다고 하면, 그 광섬유 케이블과 거의 일체화된 타이트한 상태로 케이블 내에 수납된 광섬유에는 왜곡분만큼 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트가 변화하지만, 광섬유 케이블에 대하여 여분의 길이를 갖는 또 다른 쪽의 광섬유는 파이버 여분의 길이분만큼 왜곡이 가해지지 않는다. 그러므로, 이들 2가닥의 광섬유의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 변화량의 차이에 의해 피측정물로부터 케이블측에 가해지고 있는 장력(케이블에 발생하는 왜곡량)을 용이하게 계산할 수 있다.
또, 상술한 바와 같은 광섬유 케이블(10H∼10J)은, 2가닥의 광섬유(12) 주변의 케이블 구조/재질이 다르므로, 온도 변동이 심한 환경하에서는 2가닥의 광섬유(12)의 온도가 다르므로 적합하지 않다. 그러나, 거의 같은 온도하에 있는 온도가 완만히 변화하는 환경하에서라면 충분히 유효하다.
또한, 이들 광섬유 케이블(10H∼10J)에 압축 왜곡이 발생한 경우에도, 케이블과 거의 일체화된 타이트한 상태로 그 케이블 내에 수납된 한쪽의 광섬유(12)에는 압축 왜곡이 발생하지만, 케이블의 길이 방향 또는 직경 방향으로 움직일 수 있는 다른 쪽의 광섬유(12)에는 압축 왜곡이 발생하지 않는다. 그 때문에, 상술한 케이블에 발생하는 인장 왜곡과 마찬가지로, 이들 2가닥의 광섬유(12)의 브릴루앙 스펙트럼의 주파수 시프트의 변화량의 차이에 의해 피측정물로부터 케이블측에 가해지고 있는 압축 방향의 힘(케이블에 발생하는 왜곡량)을 용이하게 계산할 수 있다.
또, 광섬유 케이블(10H∼10J)이 다른 쪽의 광섬유(12)의 여분의 길이분 이상 으로 당겨지면, 미리 여분의 길이를 넣어 둔 다른 쪽의 광섬유(12)에도 왜곡이 발생하여버린다. 그 때문에, 미리 루스 형상으로 수납하여 두는 다른 쪽의 광섬유(12)의 여분의 길이는 가능한 한 긴 쪽이 바람직하다. 그러므로, 다른 쪽의 광섬유(12)의 여분의 길이는 범용적인 루스형 광섬유 케이블의 약 0.2%보다 크게 하는 것이 바람직하다. 이 파이버의 여분의 길이를 확실히 확보하기 위해서는, 다른 쪽의 광섬유(12)를 일단 금속 또는 수지로 튜브화한 후에 케이블화하는 것이 바람직하다.
또한, 광섬유 케이블(10H∼10J)에 수납되는 광섬유 중 루스 형상으로 수납되는 광섬유는, 보다 외란의 영향을 받기 어려운 구조를 실현하기 위해, 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수의 온도 의존성이 가장 작은 광섬유인 것이 바람직하다. 도 18은 본 발명에 따른 센서의 센서부(광섬유 케이블)에 적용되는 광섬유의, 클래딩 영역에 대한 코어 영역의 비굴절률 차의 온도 의존성을 나타내는 그래프이다. 이 도 18에 있어서, 가로축은 순수 실리카에 대한 코어 영역의 비굴절률 차를 나타내고, 세로축은 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수의 온도 계수(㎒/K)를 나타낸다. 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주파수의 온도 계수 ΔνB(=Δn+1/2ΔE-1/2Δρ)는, 영률(Young率) E, 밀도 ρ의 온도 변화에 의존한다. 또, Δn은 10-5 정도이며, ΔE는 10-4 정도, Δρ는 10-5 정도이다. 예컨대, 광섬유의 코어 영역에서의 Ge의 첨가 농도를 적절히 조절함으로써, 순수 실리카에 대한 코어 영역의 비굴절률 차 Δn이 다른 광섬유를 준비함으로써, 광섬유 케이블 전체로서 브릴루앙 스펙트럼의 피크 주 파수의 온도 의존성을 얻을 수 있다. 즉, 온도 계수가 가장 작은 광섬유(순수 실리카에 대한 코어 영역의 비굴절률 차 Δn이 가장 큰 광섬유)가 루스 형상으로 케이블 내에 수납되는 것이 바람직하다.
도 19는 본 발명에 따른 센서의 센서부에 적용되는 광섬유 케이블의 한 구조를 나타내는 단면도로서, 센서부인 광섬유 케이블을 구성하는 2가닥의 광섬유 중 1가닥의 광섬유가 열전도 계수가 작은 단열 부재로 덮인 구조를 나타내는 단면도이다. 구체적으로는, 도 19에 표시된 광섬유 케이블(10K)은, 한쪽의 광섬유(12), 그 한쪽의 광섬유(12)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(92A), 이들 한쪽의 광섬유(12) 및 항장력선(92A)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(91A)로 구성되는 좌측 광섬유 케이블과, 다른 쪽의 광섬유(12), 그 다른 쪽의 광섬유(12)를 사이에 두도록 배치된 2가닥의 항장력선(92B), 이들 다른 쪽의 광섬유(12) 및 항장력선(92B)을 일체적으로 피복하는 케이블 외피(91B)로 구성되는 우측 광섬유 케이블을 구비한다. 이들 좌측 광섬유 케이블과 우측 광섬유 케이블은, 절단선(93)으로부터 좌우로 분리 가능한 상태로 일체화되어 있다. 이 광섬유 케이블(10K)에서는, 동종의 광섬유(12)가 2가닥 구비되고, 다른 쪽(도면 중, 우측)의 광섬유(12)가 열전도 계수가 작은 단열 부재(94)로 덮여 있다.
이 때문에, 포설된 광섬유 케이블(10K)에 당겨지는 장력이 가해졌다고 하면, 2가닥의 광섬유(12)에는 거의 같은 정도의 왜곡이 발생하지만, 2가닥의 광섬유(12) 중 어느 한쪽(도면 중, 우측)에는 열전도 계수가 크게 다른 단열 부재(94)에 의한 피복이 실시되어 있으므로, 온도 변동이 심한 환경하에서는 2가닥의 광섬유(12)의 온도는 달라, 온도의 분리가 가능해진다. 단열 부재(94)로서는, 예컨대, 발포 플라스틱 등이 바람직하다.
또, 이 도 19에 표시된 광섬유 케이블(10K)에서는, 양쪽의 광섬유(12)가 거의 일체화된 상태로 타이트하게 수납되어 있고, 도 17에 표시된 광섬유 케이블(10H∼10J) 각각의 루스 구조와는 다르다.
또한, 케이블에 수납된 광섬유 사이에서 열전도 계수를 크게 다르게 하는 수단으로서는, 단열 부재(94)로 피복된 광섬유(12)(도면 중, 우측)에, 예컨대, 알루미나나 카본의 피복을 실시하더라도 좋다. 이와 같이 구성된 광섬유 케이블(10K)은, 광섬유(12) 주위의 열전도 계수에 걸맞는 온도 변동을 하는 포설 환경하에서 효과적이다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 피측정물로부터 광섬유에 전해지는 외란이 광섬유 사이에서 다른 케이블 구조가 센서부에 채용됨으로써, 왜곡과 온도를 분리하여 측정할 수 있다. 또한, 케이블 구조를 다르게 함으로써, 범용적인 동종의 광섬유를 사용할 수 있음과 아울러, 범용적인 루스형 광섬유 케이블을 사용할 수 있다.
이상의 본 발명의 설명으로부터, 본 발명을 여러 가지로 변형할 수 있는 것은 분명하다. 그와 같은 변형은, 본 발명의 사상 및 범위로부터 일탈하는 것으로는 인정할 수는 없고, 모든 당업자에 있어서 자명한 개량은, 이하의 청구의 범위에 포함되는 것이다.
본 발명에 따른 센서는, 광섬유 케이블을 이용한 왜곡 센싱 기술에 이용할 수 있고, 브릴루앙 산란광을 이용한 왜곡 검지 시스템에 적용할 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 센서는, 각종 건조물 등의 변형이나 환경 온도의 측정/검지 시스템으로의 적용이 가능하다.

Claims (19)

  1. 소정 파장의 레이저 광을 출사하는 레이저 광원과,
    각각이 상기 레이저 광원으로부터의 레이저 광의 일부를 전송하는 적어도 제 1 및 제 2 도파로를 포함하는 센서부로서, 상기 제 1 및 제 2 도파로에 있어서 출력된 브릴루앙(Brillouin) 산란광의 스펙트럼이, 외란이 가해졌을 때에 각각 다른 변화를 나타내기 위한 구조를 갖는 센서부와,
    상기 레이저 광의 입력에 따라 상기 제 1 및 제 2 도파로로부터 각각 출력되는 브릴루앙 산란광의 스펙트럼을 검출하는 검출부와,
    상기 검출부에 의해 검출된 상기 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 산란광의 스펙트럼을 특징짓는 파라미터의 변동에 근거하여, 상기 센서부에서의 온도 및 외란을 받음으로써 상기 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나의 측정치를 결정하는 해석부
    를 구비한 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 제 1 및 제 2 도파로로서, 동일 외란에 대하여 다른 변화를 나타내는 브릴루앙 산란 특성을 갖는 적어도 2종류의 도파로를 포함하는 센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 제 1 도파로에 상당하는 코어 영역과, 그 코어 영역의 외주에 마련된 클래딩 영역을 갖는 제 1 광섬유와, 그리고, 상기 제 2 도파로에 상당하는 코어 영역과, 그 코어 영역의 외주에 마련된 클래딩 영역을 갖는 제 2 광섬유를 포함하는 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 제 1 도파로에 상당하는 제 1 코어 영역과, 상기 제 2 도파로에 상당하는 제 2 코어 영역과, 이들 제 1 및 제 2 코어 영역을 함께 피복하도록 마련된 공통의 클래딩 영역을 갖는 광섬유를 포함하는 센서.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서부에서의 상기 제 1 및 제 2 도파로는, 브릴루앙 산란광의 스펙트럼의 피크 주파수에 관한 온도 의존성이 각각 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 센서부에서의 상기 제 1 및 제 2 도파로는, 상기 피크 주파수에 관한 온도 의존성을 나타내는 그래프의 극치(極値) 온도가 각각 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는 센서.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서부에서의 상기 제 1 및 제 2 도파로는, 브릴루앙 산란광의 스펙트럼의 선폭에 관한 온도 의존성이 각각 다른 브릴루앙 산란 특성을 갖는 센서.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 레이저 광의 일부가 입사되는 상기 제 1 도파로의 일단과 대향하는 상기 제 1 도파로의 타단과, 상기 레이저 광의 일부가 입사되는 상기 제 2 도파로의 일단과 대향하는 상기 제 2 도파로의 타단을 광학적으로 접속하기 위한 루프 구조를 갖는 센서.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 제 1 및 제 2 도파로 각각을 보지(保持)하기 위한 구조로서, 외력이 가해졌을 때에 상기 제 1 및 제 2 도파로 각각에 실질적으로 같은 왜곡을 발생하게 하는 보지 구조를 갖는 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 센서부의 보지 구조는, 상기 제 1 및 제 2 도파로의 길이 방향을 따라 신장하는 항장력선과, 상기 제 1 및 제 2 도파로와 함께 상기 항장력선을 일체적으로 피복하는 외피층을 포함하는 센서.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 제 1 및 제 2 도파로 각각을 보지하기 위한 구조로서, 상기 센서부에서의 온도 및 상기 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나가 상기 제 1 및 제 2 도파로 각각에서 다르게 하는 보지 구조를 갖는 센서.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서부의 보지 구조는 상기 제 1 및 제 2 도파로의 한쪽에 있어서 루스 구조를 포함하는 센서.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 센서부의 보지 구조는, 상기 제 1 및 제 2 도파로의 한쪽을 수납하는, 튜브 및 내부에 수지가 충전된 튜브 중 하나를 포함하는 센서.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서부의 보지 구조는, 상기 제 1 및 제 2 도파로의 한쪽의 외주를 피복하는 단열 재료를 포함하는 센서.
  15. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서부는, 상기 제 1 광섬유와 상기 제 2 광섬유를 부분적으로 분리하는 것이 가능한 보지 구조를 구비하는 센서.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 해석부는, 상기 검출부에 의해 검출된 상기 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 산란광의 스펙트럼에 근거하여 상기 센서부에 가해진 외란에 기인한 스펙트럼의 피크 주파수 변화에 관한 주파수 정보를 추출하고, 그리고, 그 추출된 주파수 정보에 근거하여 상기 센서부에서의 온도 및 상기 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나에 상당하는 물리량을 구하는 센서.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 해석부는, 상기 검출부에 의해 검출된 상기 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 산란광의 스펙트럼에 근거하여 상기 센서부에 가해진 외란에 기인한 상기 스펙트럼의 선폭 변화를 추출하고, 그리고, 그 추출된 선폭 변화에 근거하여 상기 센서부에서의 온도 및 상기 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나에 상당하는 물리량을 구하는 센서.
  18. 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 기재된 센서를 이용한 외란 측정 방법으로서,
    상기 레이저 광원으로부터 출사된 소정 파장의 레이저 광을, 상기 센서부에 포함되는 제 1 및 제 2 도파로 각각에 유도하고,
    상기 레이저 광의 입력에 따라 상기 제 1 및 제 2 도파로로부터 각각 출력되는 브릴루앙 산란광의 스펙트럼을 상기 검출부에서 검출하고, 그리고,
    상기 검출부에 의해 검출된 상기 제 1 및 제 2 도파로 각각의 브릴루앙 산란광의 스펙트럼을 특징짓는 파라미터의 변동에 근거하여, 상기 센서부에서의 온도 및 상기 센서부에 발생하는 왜곡 중 적어도 하나의 측정치를, 상기 해석부에서 결정하는
    외란 측정 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 브릴루앙 산란광의 스펙트럼을 특징짓는 파라미터에는, 상기 스펙트럼에 있어서의 피크 주파수 및 선폭 중 적어도 하나가 포함되는 외란 측정 방법.
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