KR20110122348A - 구조물 물리량 측정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자기파의 영향을 받지 않는 빛을 이용하여 거대 구조물(터널, 교량, 건축물 등)의 온도, 스트레인 등과 같은 물리적 변화량를 위치와 함께 실시간으로 모니터링 하기 위한 측정 시스템으로서 광원, 광섬유 브래그 격자 센서, 광수신부, 광원의 광주파수 변조와　광펄스　생성을 위한 광원 제어부, 광주파수의 측정과 보정을 위한 광필터를 포함한 시스템으로 구성되어 있다. 이러한 구성에 의한 측정 시스템은, 외부 환경의 온도 변화에서도 측정치의 정확도 유지가 가능하기 때문에 물리량 변화에 대한 상시 모니터링이 가능하며, 센서는 브래그 격자 센서의 중심 파장이 1nm 이내를 유지하고 복수개가 직렬로 연결된 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하기 때문에 센서 제작과　설치가 용이하며 비용이 저렴한 효과를 가진다.

Description

구조물 물리량 측정 시스템 {Detecting System for Physical Quantity of Structure}

본 발명은 전자기파의 영향을 받지 않는 빛을 이용하여 거대 구조물(터널, 교량, 건축물 등)의 온도, 스트레인 등과 같은 물리적 변화량를 위치와 함께 실시간 적으로 모니터링 하기 위한 측정 시스템에 관련된 것이다. 일반적으로 이는 광 통신망의 손상 등 이상 유무를 측정할수 있는 OTDR(OPTICAL TIME DOMAIN REFLECTOMETER)에서　사용되는　신호처리　방식을 적용한　시스템이다．

종래 기술에는 미국의 ‘DISTRIBUTED MULTIPLEEXED OPTICAL FIBER BRAGG GRATING SENSOR ARRANGEEMENT’(A)와 한국의 ‘광섬유 브레그 격자 센서를 이용한 화재감지 시스템’(B, 출원번호 : KR 10-2003-0002842)이 있다.

A 기술은 파장 가변형 펄스 광원을 구현하기 위해 레이저 다이오드와 가변형 브래그 격자로 구성된 외부 공진기형 레이저를 예시하고 있다. 그러나, 이러한 광원은 발진 파장의 정확도가 양호하지 못하며, 심지어는 모드 홉핑에 의한 출력 파장의 불안정을 내포하는 단점이 있었다. 따라서 구체적인 발진 파장을 신뢰하지 못하며, 가변형 FBG에 인가하는 스트레스의 크기 변화에 의존하여 FBG 센서의 중심파장 변화량의 유무 판단을 제한으로 하는 단점이 있었다.

한편, B기술은 레이저 다이오드를 광원으로 사용하며 특정 파장의 FBG에서 반사되는 빛의 파장 변화량의 유 무 판단에 근거한 화재감지 시스템에 적용하고자 하였다. 하지만, 이 경우에도 파장 가변형 펄스 광원의 정확한 파장을 측정하기 위한 수단의 미비함으로 센서 감도에 제한이 있었다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 반도체 레이저 다이오드를 광원으로 활용하고, 레이저 다이오드의 온도를 연속적, 반복적으로 제어하여 광원의 발진 파장을 연속적으로 변화시켜 안정된 광주파수 변조가 가능한 측정 시스템을 제공하는 데 있다.

또한 연속적으로 변화하는 광원의 파장을 정밀하게 식별하기 위한 수단으로 광필터를 구비함으로써 파장 가변형 펄스 광원의 파장 정확도를 향상시켜 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 물리량 측정에 대한 감도 및 정확도를 개선시킬 수 있는 측정 시스템을 제공하는 데 있다.

상기한 종래 문제점을 해결하고 본 발명에 따른 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 측정 시스템은, 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하여 구조물의 물리량을 측정하는 측정 시스템에 있어서, 레이저 다이오드를 광원으로 하고, 상기 광원의 광주파수를 온도 제어를 통하여 변조하는 온도 제어식 파장변조장치 및 상기 광원의 출력을 펄스 형태로 발생시키는 펄스발생기를 포함하여 구성하는 광원 제어부; 상기 온도 제어를　통해　광주파수　변조된　광원의　온도를 특정 조건 이내로 유지하기 위한 온도 조절부; 광신호 검출을 위하여 내부로 광검출기를 포함하는 광 수신부; 및 광주파수 변조된 광펄스를 상기 브래그 격자 센서에 입사시켜 되돌아오는 광 신호의 분석을 통해 측정 지점의 물리적 변화량을 측정하기 위한 광 신호 제어 및 검출부;를 포함하여 구성하며, 상기 광 신호 제어 및 검출부에서는 상기 센서에서 반사되어 상기 광 수신부에 도달한 복수개인 펄스 형태의 광 신호를 상기 광원으로부터 출력되는 광펄스의 파장과 도달시간을 기준으로 분석하여 상기 센서의 중심파장 변화를 산출하고 광원에서 출력되는 광펄스의 파장 값을 측정 및 보정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 다중 경로의 광섬유 센서를 이용하기 위한 광 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하여 물리량을 측정하는 측정 시스템에 있어서, 레이저 다이오드를 광원으로 하고, 상기 광원의 광주파수를 온도 제어를 통하여 변조하는 온도 제어식 파장변조장치 및 상기 광원의 출력을 펄스 형태로 발생시키는 펄스발생기를 포함하여 구성하는 광원 제어부; 상기 온도 제어를　통해　광주파수　변조된　광원의　온도를 특정 조건 이내로 유지하기 위한 온도 조절부; 광신호 검출을 위하여 내부로 광검출기를 포함하는 광 수신부; 및 광주파수 변조된 광펄스를 상기 브래그 격자 센서에 입사시켜 되돌아오는 광 신호의 분석을 통해 측정 지점의 물리적 변화량을 측정하기 위한 광 신호 제어 및 검출부;를 포함하여 구성하며, 광원에서 출력되는 광펄스의 파장 값을 측정 및 보정하기 위한 장치 및 상기 온도 제어식 파장 변조장치의 온도를 특정 조건 이내로 유지하기 위한 온도 유지장치를 더 포함하고, 상기 시스템에 연결되는 센서는 중심 파장이 1 nm 이내 범위에 있는 직렬 형태로 연결되어 있는 복수 개의 브래그 격자 센서인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 브래그 격자 센서의 반사율은 1% 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원과 브래그 격자 센서는 측정 시스템의 공간 분해능 향상과 측정 지점의 증가를 위해 복수개로 구성하며, 상기 복수 종류 파장의 광은 다중파장 결합을 이용하여 다중 파장으로 구성된 복수개의 브래그 격자센서에 입사 되도록 하고, 상기 브래그 격자 센서는 중심파장이 서로 다른 복수 종류의 중심파장을 지니며 각 파장 종류의 중심파장 범위가 1nm 이내이며 동일 파장 종류를 가지는 브래그 격자 센서 사이에 다른 파장 종류를 가지는 브래그 격자 센서를 공간상에 삽입시킨 구조를 가지며, 상기 광수신부는 각각의 상기 브래그 격자 센서로부터 반사되어 오는 광신호를 각 파장종류 별로 검출할 수 있도록 구성하여 공간 분해능　및　측정　지점을 향상시킨 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광 신호 제어 및 검출부에서는 상기 센서에서 반사되어 상기 광 수신부에 도달한 복수개인 펄스 형태의 광 신호를 상기 광원으로부터 출력되는 광펄스의 파장과 도달시간을 기준으로 분석하여 상기 센서의 중심파장 변화를 산출하고 광원에서 출력되는 광펄스의 파장 값을 측정 및 보정하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 측정 시스템의　경우, 전자기파의 영향을 받지 않는 빛을 이용하여 거대 구조물(터널, 교량, 건축물 등)의 광범위한 분포에 대해 물리량(온도, 스트레인)을 측정할 수 있으며 외부 환경의 온도 변화에서도 측정치의 정확도 유지가 가능하기 때문에 물리량 변화에 대한 상시 모니터링이 가능하다.

또한 센서는 브래그 격자 센서의 중심 파장이 1nm 이내를 유지하며 복수개가 직렬로 연결된 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하기 때문에 센서의 제작과　설치가 용이하며 비용이 저렴하다는 효과를 가진다.

도면 1은 반사율이 낮고 중심 파장의 범위가 1nm이하인 직렬로 연결된 복수개의 브래그 격자 센서를 이용하여 시간영역 광반사 측정기에서 사용되는 측정 방식과 유사한 방법으로 광신호를 분석하여 물리량을 측정하는 시스템의 구성도.
도면 2는 본 발명에서 다중 경로의 브래그 격자 센서 연결을 위한 시스템 구성도.
도면 3은 본 발명에서 공간 분해능 및 측정 지점의 향상을 위해 복수 종류의 파장으로 구성된 광원과 브래그 격자 센서를 적용한 시스템 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도면 1은 반사율이 낮고 중심 파장의 범위가 1nm 이하인 직렬로 연결된 복수개의 브래그 격자 센서를 이용하여 시간영역 광반사 측정기에서 사용되는 측정 방식과 유사한 방법으로 광신호를 분석하여 물리량을 측정하는 시스템의 구성도, 도면 2는 본 발명에서 다중 경로의 브래그 격자 센서 연결을 위한 시스템 구성도, 도면 3은 본 발명에서 공간 분해능 및 측정 지점의 향상을 위해 복수 종류의 파장으로 구성된 광원과 브래그 격자 센서를 적용한 시스템 구성도이다.

도면 1은 직렬로 연결된 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하여 물리량(온도, 스트레인)을 측정하기 위한 시스템을 나타낸다.

여기에서 광섬유 브래그 격자 센서(180)는 특정 파장의 빛을 반사시키는 역할을 하며 센서(180)에 가해지는 물리적 변화에 따라 센서(180)에서 반사되는 빛의 파장, 즉 브래그 격자 센서(180)의 중심 파장이 변화하게 되는데 이런 특징을 이용하여 물리량을 측정한다.

측정 시스템의 구성은 반사율이 1% 이하이고 중심파장이 1nm 범위 이내에 있는 복수개의 센서가 직렬로 연결된 광섬유 브래그 격자 센서(180), 광원(140)으로 사용되는 레이저 다이오드, 광원(140)의 온도 변조와 펄스 발생을 위한 광원 제어부(110), 광수신부(150) 그리고 신호처리를 담당하는 시스템(100)으로 구성되어 있다.

또한, 광원　제어부(110)는　광주파수 변조된 광펄스의 발생을 위해 상기 광원의 광주파수를 온도제어를 통하여 변조하는 온도 제어식 파장변조장치(120)와 상기 광원(140)의 출력을 펄스 형태로 발생시키는 펄스발생기(125)의　두 부분으로 나뉘어져 있다.

또한, 외부 환경의 온도 변화에도 광주파수 변조의 안정성 확보를 위한 온도 조절 부(130)를 추가로 구성하는 것이 바람직하며, 상기 센서(180)의 감도와 측정된 물리량의 정확도를 개선을 위해 광필터(170)를 사용하여 광원(140)으로부터 출력되는 광펄스의 광주파수를 제어 및 신호검출 시스템(100)을 이용하여 측정하고 보정할 수 있도록 구성한다.

즉, 광신호 검출을 위하여 내부로 광검출기(155)를 포함하는 광 수신부(150), 상기 센서(180)에서 반사되어 상기 광 수신부(150)에 도달한 복수 개인 펄스 형태의 광 신호를 상기 광원(140)으로부터 출력되는 광펄스의 파장과 도달시간을 기준으로 분석하여 상기 센서(180)의 중심파장 변화를 제어 및 신호검출 시스템(100)에서 산출하며 광필터를　이용하여　광원(140)에서 출력되는 광펄스의 파장측정 및 보정이　이루어지며　광주파수 변조된 광펄스를 상기 브래그 격자 센서(180)에 입사시켜 되돌아 오는 광펄스의　신호 분석을 통해 특정 위치의 물리적 변화량을 측정하도록 하는 것이다.

측정 원리는 광주파수 변조된 광펄스를 브래그 격자 센서(180)에 입사시키고 광원(140)에서 출력되는 광펄스의 파장 변화와 센서(180)에서 반사되어 되돌아오는 광펄스의 시간적 도달과 세기 변화를 측정하고 이를 분석하여 센서가 위치하고 있는 지점의 물리량을 측정하는 것이다.

즉, 광주파수 변조된 광펄스를 브래그 격자 센서(180)에 입사시켜 되돌아 오는 광신호의 분석을 통해 측정 지점의 물리적 변화량을 측정하며 외부 환경의 온도 변화에 따른 광주파수 변조의 안정성을 위한 온도 조절 부분을 추가하고 광원(140)으로부터 출력되는 광펄스의 광주파수 정확성 확보를 통한 측정치의 신뢰성과 측정 감도의 개선을 위해 광필터(170)를 추가하고 있는 것이다.

도면 2는 다중 광경로로 구성된 브래그 격자 센서(180)를 사용하여 물리량 측정을 위한 구조이다.

여기에서는, 광스위치(190)를 추가하여 브래그 격자 센서(180)와의 연결을 다채널로 구성하고 있다.

도면 3은 2 종류의 파장을 지니는 광원(140)과 브래그 격자 센서(180)로 이루어진 측정 시스템을 나타낸다．

측정 지점의 증가를 위해 복수 종류의 파장으로 광원(140)과 브래그 격자 센서(180)로 구성되어 있다. 이 경우, 상기 브래그 격자 센서(180)는 동일 파장 종류를 가지는 브래그 격자 센서(180) 사이에 다른 파장 종류의 브래그 격자 센서(180)를 공간상에 삽입시키는 구조를 가진다.

이 때, 광섬유 브래그 격자 센서(180)는 FBG 1과 FBG 2가 서로 교대로 공간상에 위치하고 있으며, FBG 1 센서간 거리와 FBG 2 센서간 사이의 거리는 측정 시스템 분해능의 최소 단위 이상이 되어야 한다.

따라서 FBG 1 센서간의 거리를 시스템 분해능의 최소단위 이상으로 하여야 하며 FBG 1센서 사이에 FBG 2를 위치하고 FBG 2 센서간 사이의 거리를 최소 분해능 이상의 거리로 설치하게 되면 시스템의 분해능과 측정 지점은 2배 증가하게 된다. 즉, FBG 1과 FBG 2는 측정 시스템의 최소 분해능 거리의 1/2 거리의 간격으로 위치시킨다.

그리고, 광수신부(150)는 각각의 브래그 격자 센서(180)로부터 반사되어 오는 광신호를 각 파장 종류별로 검출할 수 있도록 구성하여 각 센서(180)로부터 되돌아오는 광펄스의 신호를 분석하여 파장별로 측정된 결과를 합산하면 단일 파장의 광원과 브래그 격자 센서(180)를 사용할 경우에 비해 공간 분해능 및 측정 지점을 증가시킨다.

즉, 복수 종류 파장의 광원(140)으로부터 발생된 광펄스는 다중 파장 결합 부품을 통해 하나의 광선로로 합쳐지며 다중 파장으로 구성된 복수개의 브래그 격자 센서(180)에 입사 된다.

그리고, 본 발명에 따른 시스템에서는 광원 1에서 출력된 광펄스는 FBG 1에 의해서만 반사되어 광검출기 1에 도달하며 광원 2에서 출력된 광펄스는 FBG 2에서만 반사되어 광검출기 2에 도달한다. 이 때, 각각의 광원에서 발생되는 광펄스의 파장 변화와 FBG 1과 FBG 2에서 반사되어 각각의 광 수신부에 되돌아오는 광펄스의 시간적 도달과 세기 변화를 측정하고 그 결과를 병합한다.

이상에서와 같이, 본 발명에서는 반도체 레이저 다이오드를 광원으로 활용하고, 레이저 다이오드의 온도를 연속적, 반복적으로 제어하여 광원의 발진 파장을 연속적으로 변화시켜 안정된 광주파수 변조를 위해 광원의 온도조절 부분을 추가하였다. 또한 연속적으로 변화하는 광원의 파장을 정밀하게 식별하기 위한 수단으로 광필터를 구비함으로써 파장 가변형 펄스광원의 파장 정확도를 향상시켜 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 물리량 측정에 대한 감도 및 정확도를 개선시키는 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.

100: 광신호 제어 및 검출부 110: 광원 제어부
120: 온도 제어식 파장 변조장치 12５: 펄스　발생기
130: 온도조절부
140: 광원 150: 광수신부
155: 광검출기
170: 광필터 180: 브래그 격자 센서
190: 광스위치 300: DeMUX

Claims (6)

1. 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하여 구조물의 물리량을 측정하는 측정 시스템에 있어서,
   레이저 다이오드를 광원으로 하고, 상기 광원의 광주파수를 온도 제어를 통하여 변조하는 온도 제어식 파장변조장치 및 상기 광원의 출력을 펄스 형태로 발생시키는 펄스발생기를 포함하여 구성하는 광원 제어부;
   상기 온도 제어를　통해　광주파수　변조된　광원의　온도를 특정 조건 이내로 유지하기 위한 온도 조절부;
   광신호 검출을 위하여 내부로 광검출기를 포함하는 광 수신부; 및
   광주파수 변조된 광펄스를 상기 브래그 격자 센서에 입사시켜 되돌아오는 광 신호의 분석을 통해 측정 지점의 물리적 변화량을 측정하기 위한 광 신호 제어 및 검출부;를 포함하여 구성하며,
   상기 광 신호 제어 및 검출부에서는 상기 센서에서 반사되어 상기 광 수신부에 도달한 복수개인 펄스 형태의 광 신호를 상기 광원으로부터 출력되는 광펄스의 파장과 도달시간을 기준으로 분석하여 상기 센서의 중심파장 변화를 산출하고 광원에서 출력되는 광펄스의 파장 값을 측정 및 보정하는 것을 특징으로 하는 구조물 물리량 측정 시스템
2. 제 1항에 있어서,
   다중 경로의 광섬유 센서를 이용하기 위한 광 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물 물리량 측정 시스템
3. 복수개의 광섬유 브래그 격자 센서를 사용하여 물리량을 측정하는 측정 시스템에 있어서,
   레이저 다이오드를 광원으로 하고, 상기 광원의 광주파수를 온도 제어를 통하여 변조하는 온도 제어식 파장변조장치 및 상기 광원의 출력을 펄스 형태로 발생시키는 펄스발생기를 포함하여 구성하는 광원 제어부;
   상기 온도 제어를　통해　광주파수　변조된　광원의　온도를 특정 조건 이내로 유지하기 위한 온도 조절부;
   광신호 검출을 위하여 내부로 광검출기를 포함하는 광 수신부; 및
   광주파수 변조된 광펄스를 상기 브래그 격자 센서에 입사시켜 되돌아오는 광 신호의 분석을 통해 측정 지점의 물리적 변화량을 측정하기 위한 광 신호 제어 및 검출부;를 포함하여 구성하며,
   광원에서 출력되는 광펄스의 파장 값을 측정 및 보정하기 위한 장치 및 상기 온도 제어식 파장 변조장치의 온도를 특정 조건 이내로 유지하기 위한 온도 유지장치를 더 포함하고,
   상기 시스템에 연결되는 센서는 중심 파장이 1 nm 이내 범위에 있는 직렬 형태로 연결되어 있는 복수 개의 브래그 격자 센서인 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 브래그 격자 센서의 반사율은 1% 이하인 것을 특징으로 하는 구조물 물리량 측정 시스템.
5. 제 3항에 있어서,
   상기 광원과 브래그 격자 센서는 측정 시스템의 공간 분해능 향상과 측정 지점의 증가를 위해 복수개로 구성하며,
   상기 복수 종류 파장의 광은 다중파장 결합을 이용하여 다중 파장으로 구성된 복수개의 브래그 격자센서에 입사 되도록 하고,
   상기 브래그 격자 센서는 중심파장이 서로 다른 복수 종류의 중심파장을 지니며 각 파장 종류의 중심파장 범위가 1nm 이내이며 동일 파장 종류를 가지는 브래그 격자 센서 사이에 다른 파장 종류를 가지는 브래그 격자 센서를 공간상에 삽입시킨 구조를 가지며,
   상기 광수신부는 각각의 상기 브래그 격자 센서로부터 반사되어 오는 광신호를 각 파장종류 별로 검출할 수 있도록 구성하여 공간 분해능을 향상시킨 것을 특징으로 하는 구조물 물리량 측정 시스템.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광 신호 제어 및 검출부에서는 상기 센서에서 반사되어 상기 광 수신부에 도달한 복수개인 펄스 형태의 광 신호를 상기 광원으로부터 출력되는 광펄스의 파장과 도달시간을 기준으로 분석하여 상기 센서의 중심파장 변화를 산출하고 광원에서 출력되는 광펄스의 파장 값을 측정 및 보정하는 것을 특징으로 하는 구조물 물리량 측정 시스템
   

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