KR20100122753A - 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서 - Google Patents
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Abstract
이 발명의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서는, 케이스와; 반사물질로 구성된 반사면과, 반사면보다 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 비 반사물질로 구성된 비 반사면이 주기적으로 배열된 격자 형태로 구성되어, 케이스 내에 설치되는 1개의 반사 격자판과; 반사 격자판의 표면과 수직한 방향으로 그 단부가 위치하도록 케이스에 지지되며, 반사 격자판에 광을 조사하는 발광부와 반사 격자판에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 각각 하는 한 가닥의 광섬유로 구성된다. 이 발명은 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량을 수신하여 이를 이용하므로, 외력에 의해 가해진 변위, 압력, 진동 또는 가속도 등 다양한 측정이 가능한 센서 제작이 가능하다. 또한, 이 발명은 전자기파 간섭을 받지 않는 한 가닥의 광섬유와 1개의 반사 격자판을 이용함에 따라, 저렴한 비용으로 토목 구조물이나 건축 구조물, 전자기적 환경이 열악한 발전소나 철도 선로 등의 광범위한 분야에서 적용할 수 있는 센서 제작이 가능하다.
광섬유, 격자판, 격자, 반사, 가속도, 변위계, 압력계, 센서
Description
이 발명은 광섬유 센서에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량을 수신하여 이를 이용함으로써, 외력에 의해 가해진 변위, 압력, 진동 또는 가속도 등 다양한 측정이 가능한 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서에 관한 것이다.
교량, 대형 건축물 또는 발전설비와 같은 대형 구조물은, 매우 복잡한 만큼 다양한 원인에 의해 사고가 발생할 수 있다. 이러한 사고는 막대한 인명과 재산상의 손실을 발생시키고, 산업현장과 일상생활에 큰 불편을 초래할 수 있다. 따라서, 이러한 대형 구조물의 안전유지를 위해서는 재난이 발생하기 전에 정기적으로 점검하여 상황에 맞게 수리 또는 보수를 해야 한다.
그러나, 전자기적 환경이 열악한 발전소와 철도 선로의 경우에는, 설치되는 센서의 수가 많고 센서를 연결하는 전선의 길이도 상당히 길어 전자파를 차단하지 못할 경우 신호 잡음 문제가 심각하다. 따라서, 기존의 전자기반 센서를 사용하는 데 문제가 있다.
광섬유 센서는 지능형 구조물(smart structure)의 감지계이기도 하다. 이러한 광섬유 센서는 빛을 이용하여 측정하기 때문에 전자기파의 간섭을 받지 않는다. 따라서, 전자기파 환경이나 구조물의 운용 중에도 사용이 가능하다. 또한, 감도가 매우 뛰어나고, 결함의 실시간 측정이 가능하다. 또한, 크기가 작고 가벼워서 구조물에 적용할 경우 무게 집중 효과가 적으며, 직경이 매우 작고 유연하여 사용자가 원하는 크기로 제작할 수 있다. 이밖에도 센서 수명과 직결되는 부식과 같은 환경적 영향에 강하고, 온도특성이 우수하여 넓은 운용온도 범위에서 사용이 가능하며, 원거리에서도 정보를 취득할 수 있어 위험한 환경에서도 실험장비나 인명 손실의 걱정 없이 모니터링(monitoring)이 가능한 장점 등이 있다.
이러한 장점들로 인해 지금까지 광섬유 센서를 이용하여 물리량을 측정하는 다양한 연구가 진행되어 왔다. 또한, 구조물의 건전성을 모니터링하기 위한 감지센서로서 광섬유 센서에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다. 그러나, EFPI(extrinsic fabry-perot interferometric) 센서의 경우에는 간섭신호를 이용하므로 현미경을 이용하여 미소한 간극을 만들어 주어야 하고, 간섭신호가 정현파로 나오지 않기 때문에 신호처리가 복잡하다. 그리고, FBG(fiber Bragg grating) 센서의 경우에는 시스템을 구성하는 데 많은 비용이 소요되기 때문에 비경제적이다.
그리고, 종래에는 격자무늬 패턴을 이용하여 변위, 스트레인 또는 가속도 등을 측정하는 기술들이 있다. 이 기술은 2개의 격자무늬 패턴(Grating Pattern)이 서로 겹쳐져 있을 때 발생하는 무아레 프린지 현상을 이용한다. 따라서, 이 기술은 2개의 격자판이 필요하다. 또한, 이 기술은 투과신호를 이용해 변위, 스트레인 또는 가속도 등을 측정하기 때문에, 발광부와 수광부의 역할을 각각 수행하는 2개의 광섬유를 한 쌍으로 구성해야 한다. 그로 인해, 센서로 제작할 경우에는 양쪽으로 광섬유 라인이 뻗어 있게 되므로 그 구조가 복잡해지는 단점이 있다.
따라서, 토목 구조물이나 건축 구조물, 전자기적 환경이 열악한 발전소나 철도 선로 등의 광범위한 분야에서 적용할 수 있는 단순하고 경제적이면서 효율적인 센서에 대한 연구개발이 절실히 요구되고 있다.
따라서, 이 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량을 수신하여 이를 이용함으로써, 외력에 의해 가해진 변위, 압력, 진동 또는 가속도 등 다양한 측정이 가능한 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서를 제공하는 데 그 목적이 있다.
또한, 이 발명은 전자기파 간섭을 받지 않는 한 가닥의 광섬유와 1개의 반사 격자판을 이용함에 따라, 토목 구조물이나 건축 구조물, 전자기적 환경이 열악한 발전소나 철도 선로 등의 광범위한 분야에서 적용할 수 있는 저렴한 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
이 발명의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서는, 케이스와; 반사물질로 구성되어 반사영역을 형성하는 반사면과, 반사면보다 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 비 반사물질로 구성되어 비 반사영역을 형성하는 비 반사면이 주기적으로 배열된 격자 형태로 구성되어, 케이스 내에 설치되는 1개의 반사 격자판과; 반사 격자판의 표면과 수직한 방향으로 그 단부가 위치하도록 케이스에 지지되며, 반사 격자판에 광을 조사하는 발광부와 반사 격자판에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 각각 하는 한 가닥의 광섬유를 포함하며, 반사면의 폭과 비 반사면의 폭이 광섬유에서 조사되는 광빔의 직경과 동일하거나 작은 것을 특징으로 한다.
이 발명의 반사 격자판은 반사면과 비 반사면이 직사각형 형태로 각각 형성될 수 있다.
이 발명의 광섬유의 단부는 수직 절단면 형태를 갖는 것이 바람직하고, 광섬유의 수직 절단면의 단부에는 광섬유로 반사되는 반사광의 광량을 증가시키기 위해 평행광을 만들어주는 시광기(collimator)를 장착하는 것이 더 바람직하다.
이 발명의 변위 측정용 광섬유 센서는, 상기와 같이 구성된 광섬유 센서를 이용하되, 반사 격자판의 일측을 측정 대상물의 일측에 고정하되, 측정 대상물의 이동방향 쪽으로 반사 격자판의 반사면과 비 반사면이 주기적으로 배열되도록 고정해, 측정 대상물의 변위를 측정하는 것을 특징으로 한다.
이 발명의 진동 및 가속도 측정용 광섬유 센서는, 상기와 같이 구성된 광섬 유 센서를 이용하되, 케이스의 하부 내측면에 고정되는 단일 감쇠자와, 단일 감쇠자의 상부에 설치되는 단일 탄성자와, 단일 탄성자의 상부에 설치되는 단일 질량체를 더 포함하며, 케이스를 측정 대상물에 고정하고, 측정 대상물의 진동 및 가속도방향 쪽으로 반사 격자판의 반사면과 비 반사면이 주기적으로 배열되도록 반사 격자판의 일측을 단위 질량체의 일측에 결합해, 측정 대상물의 진동 및 가속도를 측정하는 것을 특징으로 한다.
이 발명의 압력 측정용 광섬유 센서는, 상기와 같이 구성된 광섬유 센서를 이용하되, 케이스의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되는 가이드바와, 케이스의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되되 가이드바의 일측에 설치되는 탄성자를 더 포함하며, 반사 격자판이 가이드바를 따라 슬라이드 이동 가능하도록 반사 격자판을 가이드바에 결합하고, 반사 격자판에 가해지는 압력방향 쪽으로 반사 격자판의 반사면과 비 반사면이 주기적으로 배열되도록 반사 격자판의 일측을 탄성자의 상부에 고정해, 압력을 측정하는 것을 특징으로 한다.
이 발명은 반사면과 비 반사면이 주기적으로 형성된 반사 격자판에 전자기파 간섭을 받지 않는 광섬유를 통해 광을 조사한 후 반사되는 광량을 수신하여 이를 이용하므로, 외력에 의해 가해진 변위, 압력, 진동 또는 가속도 등 다양한 측정이 가능한 센서 제작이 가능하다.
또한, 이 발명은 전자기파 간섭을 받지 않는 한 가닥의 광섬유와 1개의 반사 격자판을 이용함에 따라, 저렴한 비용으로 토목 구조물이나 건축 구조물, 전자기적 환경이 열악한 발전소나 철도 선로 등의 광범위한 분야에서 적용할 수 있는 센서 제작이 가능하다.
또한, 이 발명은 반사 격자판을 MEMS 공정으로부터 대량생산이 가능하고, 광원(laser source)과 광검출기(photodetector)로 광학시스템을 구성할 수 있으므로, 비용절감 효과를 기대할 수 있어 실 구조물의 적용 활용도를 높일 수 있다.
또한, 이 발명은 반사 격자판을 측정 대상물에 편리하게 결합하거나 고정할 수 있으므로, 측정 대상물의 수평방향 및/또는 수직방향에 대한 자유로운 측정이 가능하다.
먼저, 이 발명에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서의 기본 원리에 대해 설명한다.
도 1은 이 발명에 사용되는 반사 격자판의 구성도이고, 도 2는 이 발명에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서의 기본 원리를 나타낸 구성도이고, 도 3은 도 2에 도시된 광섬유 센서의 구성관계를 좀 더 구체적으로 나타낸 구성도이며, 도 4는 도 3에 도시된 광섬유 센서를 통해 취득한 신호형태를 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 이 발명의 반사 격자판(100)은 반사물질로 구성되어 반사영역을 형성하는 반사면(110)과, 비 반사물질로 구성되어 비 반사영역을 형성하는 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되어 격자 형태로 구성되어 있다. 여기서, 반사면(110)은 완전반사를 포함하되 완전반사가 아니더라도 비 반사면(120) 보다 반사율이 높은 것을 의미하고, 비 반사면(120)은 완전 무반사를 포함하되 완전 무반사가 아니더라도 반사면(110) 보다 반사율이 낮은 것을 의미하는 것으로, 넓은 의미로 각각 해석되어야 할 것이다.
반사 격자판(100)은 반사면(110)과 비 반사면(120)이 직사각형 형태로 각각 형성된다. 즉, 반사 격자판(100)은 반사면(110)과 비 반사면(120)이 일정 주기(d)(pitch)를 갖고 반복적으로 배열되는 구조를 갖는다. 여기서, 일정 주기(d)라 함은 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)에 대한 합을 의미한다. 그리고, 반사면(110)과 비 반사면(120)은 광의 입사영역이 달라짐에 따라 반사되는 광량이 정현파적인 형태로 달라질 수 있다면 반사면(110)과 비 반사면(120) 간의 경계라인이 직선 형태가 아닌 곡선 형태로 구성하여도 무방하다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 이 발명의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서는 광섬유(200)가 고정된 상태에서 직선운동을 하는 반사 격자판(100)에 광을 조사하고, 그 후 반사 격자판(100)에서 반사되는 반사광의 광량을 수신하여 이용하도록 구성된다. 이때, 반사 격자판(100)은 그 직선운동방향 쪽으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 배치된다. 그리고, 광섬유(200)는 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치된다. 따라서, 반사 격자판(100)은 광섬유(200) 끝단의 수직 절단면(210)과 수직한 방향으로 움직이고, 광섬유(200)의 수직 절단면(210)을 통해 조사되는 광은 반사 격자판(100)에서 반사되는 광량의 합으로 변조되어 일정 주기(d)마다 출력광으로 출력된다. 이때, 광섬 유(200)의 수직 절단면(210)의 단부에는 광섬유로 반사되는 반사광의 광량을 증가시키기 위해 평행광을 만들어주는 시광기(collimator)를 더 장착하는 것이 바람직하다.
여기서, 반사면(110)과 비 반사면(120) 간의 반사율의 차이가 클수록 간섭신호는 줄어들고 출력신호는 더 큰 진폭을 갖게 되어 해상도가 좋아진다. 이때, 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)이 광섬유(200)에서 조사되는 광빔의 직경과 동일하거나 작아야 주기적인 신호를 취득하여 신호처리가 가능하다. 다시 말해, 광빔의 직경과 같은 크기의 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)을 갖는 반사 격자판(100)을 사용할 때, 반사된 신호의 진폭이 가장 크다. 그리고, 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2) 간에 일정 비율을 갖거나 이들 폭(d1, d2)이 광빔의 직경보다 작아도 정현파의 신호가 나타나지만, 가우시안 분포를 갖는 광빔의 경우에는 광빔 직경의 40% 이상의 폭(d1, d2)을 갖는 반사면(110)과 비 반사면(120)을 구비한 반사 격자판(100)을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2) 간에 비율을 0.8~1.2로 구성하여도 정현파 신호를 얻을 수 있다.
이 발명은 광섬유(200)를 통해 전송되는 광원(220)으로 LD(laser diode) 또는 LED(light emitting diode) 등을 사용하여 광섬유(200) 끝단의 수직 절단면(210)을 통해 반사 격자판(100)에 광을 조사한다. 이때, 반사 격자판(100)의 반사영역인 반사면(110)에서 입사한 광은 반사되어 다시 광섬유(200)의 수직 절단면(210)을 통해 광섬유(200)로 전달된다. 그러면, 반사된 광은 셔큘레이터(230 ; circulator) 또는 커플러(coupler)에 의해 입사할 때와 그 경로를 달리하여 광검출기(240 ; photo detector)로 입력된다. 그로 인해, 출력광을 검출할 수 있게 된다.
이때, 동일한 변위 변화에 대해서도, 반사면(110)의 폭(d1), 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2) 간의 비율에 따라 도 4와 같이 서로 다른 민감도를 갖는 출력파형이 출력된다. 다시 말해, 도 4의 (b)와 같이 어느 구간에서나 해상도(resolution)가 일정한 삼각파가 만들어지기도 하고, 도 4의 (a)와 같이 정현파가 만들어지기도 하며, 비 선형적인 함수가 만들어지기도 한다. 이때, 비 선형적인 함수가 얻어지게 되면 수신한 신호로부터 변위의 예측이 어렵게 된다.
따라서, 반사 격자판(100)을 이용해 센서를 구성함에 있어서, 정현파를 출력할 수 있는 조건을 맞추는 것도 중요하지만, 센서의 민감도를 고려한 반사 격자판(100)의 패턴설계 또한 필요하다. 또한, 반사 격자판(100)을 사용하여 반사되는 광량의 변화를 통해 변위를 측정할 경우에는, 측정 대상의 변위 크기와 속도, 광량 측정 시스템의 응답속도 및 신호처리 속도 등을 고려하되, 다음의 두 가지 요소를 서로 절충해야 한다. 첫째는 반사 격자판(100)의 이동에 따라 나타나는 신호의 응답속도로 얼마나 빠르게 반응할 것인지 이고, 둘째는 반사 격자판(100)의 이동을 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는지 이다.
반사 격자판(100)의 이동에 따른 반응속도를 높이기 위해서는 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)을 줄여 이동구간 내에 많은 주기가 나타나게 하여, 특별한 신호처리 없이 주기를 보고 판단할 수 있게 하는 것이다. 그러나, 이 방법은 진폭이 줄어들게 되므로 이를 전압의 크기로 변환하여 측정할 때에 측정하는 광 검출기(240)의 사양(해상도)에 제약을 받게 된다. 한편, 느리게 바뀌는 변위를 정밀하게 측정할 경우에는 반사되는 광량의 변화 폭을 가능한 한 크게 해야 하므로 반사면(110)의 폭(d1)과 비 반사면(120)의 폭(d2)을 비교적 크게 설정해야 한다. 따라서, 반사 격자판(100)은 측정 대상의 상기와 같은 두 가지 측면을 모두 고려하여 설계해야 한다.
이 발명은 기존의 무아레 현상을 이용한 광섬유 센서에 비해 반사 격자판(100)을 1개만 사용하고, 광의 투과신호를 이용하지 않고 반사신호만을 이용하기 때문에 발광부와 수광부를 따로 두지 않고 한 가닥의 광섬유(200)에서 발광부와 수광부의 역할을 함께 하도록 구성된다. 따라서, 센서로 제작할 경우 그 구조를 단순화할 수 있다. 또한, 상기와 같은 기본 원리로 센서 헤드 모듈을 설계할 경우, 모든 전기/전자 장치로 인한 전자기파의 간섭을 배제할 수 있으므로, 이 발명의 광섬유 센서를 원자력, 기타 전력 생산에 필요한 기계설비 또는 건축/토목 구조물에 모두 적용가능하다. 또한, 이런 다양한 분야에 적용할 경우, 광섬유 센서의 특유의 장점으로 인해 환경적 잡음으로 인한 측정 결과의 신뢰성 저하를 최소화할 수 있다. 따라서, 상기와 같은 기본 원리를 바탕으로 센서 헤드부의 시스템을 측정하고자 하는 변수에 맞게 구성하면 광섬유 센서로의 활용이 가능하다.
아래에서, 이 발명에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서의 양호한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
<제1 실시예>
도 5a 및 도 5b는 이 발명의 제1 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서를 이용하여 측정 대상물의 1축, 2축 변위 측정 개념을 도시한 개념도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서는 상기의 기본 원리에서 설명한 바와 같이 광섬유(200)가 고정된 상태에서 직선운동을 하는 반사 격자판(100)에 광을 조사하고, 그 후 반사 격자판(100)에서 반사되는 반사광의 광량을 수신하도록 구성된다. 여기서, 반사 격자판(100)의 일측이 측정 대상물(500)의 일측에 고정된다. 이때, 반사 격자판(100)은 측정 대상물(500)의 직선운동방향 쪽으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 측정 대상물(500)에 고정된다. 또한, 광섬유(200)는 그 단면이 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다.
따라서, 측정 대상물(500)이 움직이면, 반사 격자판(100)이 광섬유(200)의 단면과 수직한 방향으로 움직이고, 광섬유(200)의 끝단을 통해 조사되는 광은 반사 격자판(100)에서 반사되는 광량의 합으로 변조되어 일정 주기(d)마다 출력광으로 출력되므로, 측정 대상물(500)의 1축에 대한 움직임 변위의 감지가 가능하다.
그리고, 도 5b와 같이 측정 대상물(500)의 2축에 대한 움직임 변위를 측정하고자 할 경우에는, 도 5a와 동일한 개념으로 반사 격자판(100a)과 광섬유(200a)를 1개씩 더 설치함으로써, 측정 대상물(500)의 2축에 대한 움직임 변위의 감지가 가능하다. 따라서, 이 실시예는 상기와 같은 개념으로 반사 격자판과 광섬유를 설치함으로써, 측정 대상물의 다축에 대한 움직임 변위의 감지가 가능하다.
<제2 실시예>
도 6은 이 발명의 제2 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서(600)는 원통형 케이스(610)와, 원통형 케이스(610)의 내부에 배치되는 원형 실린더(630)와, 일측이 원형 실린더(630)에 고정되고 타측이 원통형 케이스(610)의 하부를 관통하여 측정 대상물의 일측에 고정되는 연결바(640)와, 원형 실린더(630)의 상단에 고정되는 고정대(650)와, 고정대(650)에 그 일측이 고정되는 상기와 같이 구성되는 반사 격자판(100), 및 원통형 케이스(610)의 일측에서 관통하여 설치되되 반사 격자판(100)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 광섬유(200)로 구성된다.
여기서, 반사 격자판(100)은 측정 대상물의 직선운동방향 쪽으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 고정대(650)에 고정된다. 또한, 광섬유(200)는 그 단면이 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다. 그리고, 원통형 케이스(610)와 원형 실린더(630)가 접촉하는 부위에는 원형 실린더(630)가 상하로 이동할 때에 발생하는 마찰을 줄이기 위해 마찰계수가 낮은 폴리머 등의 재료로 코팅하는 것이 바람직하다. 그리고, 외력으로 인한 광섬유(200)의 진동이 발생하지 않도록 가능한 광섬유(200)의 길이를 짧게 하고, 광섬유(200)가 관통하는 원통형 케이스(610)의 구멍 둘레에 광섬유(200)를 가이드하는 가이드 부재(660)를 설치하는 것이 바람직하다. 이때, 가이드 부재(660)는 에폭시 등의 접착제로 원통형 케이스(610)의 구멍 둘레에 고정 된다.
따라서, 측정 대상물이 움직이면, 반사 격자판(100)이 광섬유(200)의 단면과 수직한 방향으로 움직이고, 광섬유(200)의 끝단을 통해 조사되는 광은 반사 격자판(100)에서 반사되는 광량의 합으로 변조되어 일정 주기를 갖는 정현파로 출력되므로, 측정 대상물의 1축에 대한 움직임 변위의 감지가 가능하다.
<제3 실시예>
도 7은 이 발명의 제3 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 진동 및 가속도 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서(700)는 케이스(710)와, 케이스(710)의 하부 내측면에 고정되는 단일 감쇠자(720)와, 단일 감쇠자(720)의 상부에 설치되는 단일 탄성자(730)와, 단일 탄성자(730)의 상부에 설치되는 단일 질량체(740)와, 단위 질량체(740)의 일측에 고정되는 상기와 같이 구성되는 반사 격자판(100), 및 케이스(710)의 일측에서 관통하여 설치되되 반사 격자판(100)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 광섬유(200)로 구성된다.
여기서, 반사 격자판(100)은 측정 대상물의 진동 및/또는 가속도 방향으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 단일 질량체(740)에 고정된다. 또한, 광섬유(200)는 그 단면이 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다. 그리고, 광섬유(200)가 관통하는 케이스(710)의 구멍 둘레에 광섬유(200)를 가이드하는 가이드 부재(750)를 설치하 는 것이 바람직하다. 이때, 가이드 부재(750)는 에폭시 등의 접착제로 케이스(710)의 구멍 둘레에 고정된다.
상기와 같이 구성된 이 실시예의 광섬유 센서(700)를 이용한 측정 대상물의 가속도를 측정함에 있어서는, 반사 격자판(200)에서 반사된 광량의 합으로부터 반사 격자판(200)과 케이스(710) 간의 상대변위를 구하고, 이 상대변위를 이용해 가속도를 측정할 수 있다. 이때, 반사 격자판(200)이 단일 질량체(740)에 결합되어 일체로 작용하므로 진동학적 관점에서 단일 질량체(740)의 상대변위와 외부에서 가해지는 가속도와의 선형관계를 이용해 최종적인 외부 가속도를 측정할 수 있다.
<제4 실시예>
도 8은 이 발명의 제4 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 압력 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 반사 격자판을 이용한 압력 측정용 광섬유 센서(800)는 케이스(810)와, 케이스(810)의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되는 가이드바(820)와, 케이스(810)의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되되 가이드바(820)의 일측에 설치되는 탄성자(830)와, 탄성자(830)의 상부에 고정되며 가이드바(820)를 따라 직선운동이 가능한 상기와 같이 구성되는 반사 격자판(100)과, 케이스(810)의 일측에서 관통하여 설치되되 반사 격자판(100)의 표면과 수직한 방향으로 그 단면이 설치되는 광섬유(200), 및 반사 격자판(100)의 설치되어 외부의 압력이 반사 격자판(100)에 부가되도록 하는 압력 부가판(840)으로 구성된다.
여기서, 반사 격자판(100)은 압력이 가해지는 방향으로 반사면(110)과 비 반사면(120)이 주기적으로 배열되도록 탄성자(830)에 고정된다. 또한, 광섬유(200)는 그 단면이 반사 격자판(100)의 표면에 대해 수직한 방향으로 배치되도록 임의의 고정물에 고정된다. 그리고, 가이드 바(820)에는 홈이 파여 있어 반사 격자판(100)의 일부분이 끼워진 상태에서 슬라이드 이동이 가능하고, 보다 원활한 슬라이드 이동이 가능하도록 홈의 내부에 마찰을 줄이는 볼 베어링이 설치될 수 있다.
그리고, 압력 부가판(840)은 그 둘레가 케이스(810)의 상단에 지지된 상태로 반사 격자판(100)에 연결되는 것으로서, 얇은 판으로 구성된다. 그리고, 광섬유(200)가 관통하는 케이스(810)의 구멍 둘레에 광섬유(200)를 가이드하는 가이드 부재(850)를 설치하는 것이 바람직하다. 이때, 가이드 부재(850)는 에폭시 등의 접착제로 케이스(810)의 구멍 둘레에 고정된다.
상기와 같이 구성된 이 실시예의 광섬유 센서(800)를 이용하여 압력을 측정함에 있어서는, 압력이 가해짐에 따라 반사 격자판(100)이 이동하고, 그로 인한 가이드 바(820)의 변위정보를 이용해 압력을 측정할 수 있다.
이상에서 이 발명의 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 이 발명에 사용되는 반사 격자판의 구성도이고,
도 2는 이 발명에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서의 기본 원리를 나타낸 구성도이고,
도 3은 도 2에 도시된 광섬유 센서의 구성관계를 좀 더 구체적으로 나타낸 구성도이고,
도 4는 도 3에 도시된 광섬유 센서를 통해 취득한 신호형태를 나타낸 그래프이고,
도 5a 및 도 5b는 이 발명의 제1 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서를 이용하여 측정 대상물의 1축, 2축 변위 측정 개념을 도시한 개념도이고,
도 6은 이 발명의 제2 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 7은 이 발명의 제3 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 진동 및 가속도 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이며,
도 8은 이 발명의 제4 실시예에 따른 반사 격자판을 이용한 압력 측정용 광섬유 센서의 구성관계를 도시한 개략도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
100 : 반사 격자판 110 : 반사면
120 : 비 반사면 200 : 광섬유
210 : 수직 절단면
Claims (7)
- 케이스와;반사물질로 구성되어 반사영역을 형성하는 반사면과, 상기 반사면보다 상대적으로 낮은 반사율을 갖는 비 반사물질로 구성되어 비 반사영역을 형성하는 비 반사면이 주기적으로 배열된 격자 형태로 구성되어, 상기 케이스 내에 설치되는 1개의 반사 격자판과;상기 반사 격자판의 표면과 수직한 방향으로 그 단부가 위치하도록 상기 케이스에 지지되며, 상기 반사 격자판에 광을 조사하는 발광부와 상기 반사 격자판에서 반사되는 반사광을 수신하는 수광부의 역할을 각각 하는 한 가닥의 광섬유를 포함하며,상기 반사면의 폭과 상기 비 반사면의 폭이 상기 광섬유에서 조사되는 광빔의 직경과 동일하거나 작은 것을 특징으로 하는 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서.
- 청구항 1에 있어서,상기 반사 격자판은 상기 반사면과 상기 비 반사면이 직사각형 형태로 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서.
- 청구항 2에 있어서,상기 광섬유의 단부는 수직 절단면 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서.
- 청구항 3에 있어서,상기 광섬유의 수직 절단면의 단부에는 상기 광섬유로 반사되는 반사광의 광량을 증가시키기 위해 평행광을 만들어주는 시광기(collimator)가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 반사 격자판을 이용한 광섬유 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 광섬유 센서를 이용하되,상기 반사 격자판의 일측을 측정 대상물의 일측에 고정하되, 상기 측정 대상물의 이동방향 쪽으로 상기 반사 격자판의 상기 반사면과 상기 비 반사면이 주기적으로 배열되도록 고정해, 상기 측정 대상물의 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 반사 격자판을 이용한 변위 측정용 광섬유 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 광섬유 센서를 이용하되,상기 케이스의 하부 내측면에 고정되는 단일 감쇠자와, 상기 단일 감쇠자의 상부에 설치되는 단일 탄성자와, 상기 단일 탄성자의 상부에 설치되는 단일 질량체를 더 포함하며,상기 케이스를 측정 대상물에 고정하고, 상기 측정 대상물의 진동 및 가속도방향 쪽으로 상기 반사 격자판의 상기 반사면과 상기 비 반사면이 주기적으로 배열 되도록 상기 반사 격자판의 일측을 상기 단위 질량체의 일측에 결합해, 상기 측정 대상물의 진동 및 가속도를 측정하는 것을 특징으로 하는 반사 격자판을 이용한 진동 및 가속도 측정용 광섬유 센서.
- 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 광섬유 센서를 이용하되,상기 케이스의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되는 가이드바와, 상기 케이스의 하부 내측면에 고정되어 수직방향으로 세워져 설치되되 상기 가이드바의 일측에 설치되는 탄성자를 더 포함하며,상기 반사 격자판이 상기 가이드바를 따라 슬라이드 이동 가능하도록 상기 반사 격자판을 상기 가이드바에 결합하고, 상기 반사 격자판에 가해지는 압력방향 쪽으로 상기 반사 격자판의 상기 반사면과 상기 비 반사면이 주기적으로 배열되도록 상기 반사 격자판의 일측을 상기 탄성자의 상부에 고정해, 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는 반사 격자판을 이용한 압력 측정용 광섬유 센서.
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