KR20120050866A - 광섬유격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템 - Google Patents

광섬유격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도와 스트레인을 모두 측정할 수 있도록 지원하는 광섬유격자센서에 관한 것으로서, 광섬유에 제1간격으로 격자가 새겨진 제1격자부와, 제1격자부와 이격되되 제1간격으로 격자가 새겨진 제2격자부를 갖는 제1군 격자부와, 제1간격과 다른 제2간격으로 격자가 광섬유에 새겨진 제3격자부를 갖는 제2군격자부를 구비한다. 이러한 광섬유 격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템에 의하면 제작이 용이하면서도 온도 및 스트레인의 측정 정밀도를 높일 수 있는 장점을 제공한다.

Description

광섬유격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템{Fiber bragg grating sensor and system of measuring temperature and strain using the same}
본 발명은 광섬유격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 광섬유격자센서와 반응한 이후의 광을 분석하여 광섬유 격자센서 주변의 온도 및 스트레인을 산출할 수 있는 광섬유격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템에 관한 것이다.
광섬유격자는 온도 또는 스트레인(Strain)의 크기가 변화되면 광섬유격자로부터 반사되는 광신호의 파장이 변화한다. 따라서, 광섬유격자로부터 반사된 광의 파장변화를 측정하여 그 파장의 변화량으로부터 어떤 크기의 외부 온도, 스트레인, 압력 등의 물리량이 가해졌는지를 측정하는 데 이용할 수 있다.
그런데, 광섬유격자는 온도 및 스트레인의 두가지 물리량이 동시에 가해지는 경우 광섬유격자가 두 물리량에 대해 동시에 반응함으로써 반사파장의 변화량만을 측정하여서는 온도 및 스트레인이 각각 얼마씩 변화되었는 지를 알 수없다.
이를 해결하기 위한 방안으로서 국내 공개 특허 제 1998-0082465호에는 외경이 다른 두개의 광섬유격자를 직렬상으로 접합한 광섬유격자쌍을 이용하여 온도 및 스트레인을 산출하는 방법이 개시되어 있다.
그런데, 개시된 온도/스트레인 측정방법은 동일한 모재에 대해 외경이 다르게 광섬유격자 쌍을 제작하여 이용하여야 하기 때문에 제작상의 어려움이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광섬유격자를 이용하여 온도 및 스트레인을 정밀하게 측정할 수 있으면서 구조가 단순하며 제작성이 좋은 광섬유격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유격자센서는 광섬유와; 상기 광섬유에 제1간격으로 격자가 새겨진 제1격자부와, 상기 제1격자부와 이격되되 상기 제1간격으로 격자가 새겨진 제2격자부를 갖는 제1군 격자부와; 상기 제1간격과 다른 제2간격으로 격자가 상기 광섬유에 새겨진 제3격자부를 갖는 제2군격자부;를 구비한다.
바람직하게는 상기 제1군 격자부는 측정대상체로부터 스트레인을 비인가받고 온도에만 반응하도록 상기 측정대상체에 설치되고, 상기 제2군 격자부는 측정대상체로부터 스트레인과 온도를 모두 인가받을 수 있도록 상기 측정대상체에 설치된다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템은 광섬유에 제1간격으로 격자가 새겨진 제1격자부와, 상기 제1격자부와 이격되되 상기 제1간격으로 격자가 새겨진 제2격자부를 갖는 제1군 격자부와, 상기 제1간격과 다른 제2간격으로 격자가 상기 광섬유에 새겨진 제3격자부를 갖는 제2군격자부로 된 광섬유 격자 센서와; 상기 제2군격자부는 측정대상체에 스트레인과 온도를 모두 인가받을 수 있도록 고정하고, 상기 제1군격자부는 상기 측정대상체로부터 스트레인을 비인가받고 온도에만 반응하도록 상기 광섬유 격자센서를 상기 측정대상체에 고정하는 고정부와; 상기 광섬유격자 센서에 광을 송출하고, 상기 광섬유 격자센서의 상기 제1군 격자부에 의한 브래그 파장변화로부터 온도를 산출하고, 상기 제1군격자부와 상기 제2군 격자부의 브래그 파장 변화의 차로부터 스트레인을 산출하는 온도/스트레인 산출기;를 구비한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 온도/스트레인 산출기는 광원과; 상기 광원에서 출사되는 광을 상기 광섬유 격자센서에 전송하고, 상기 광섬유격자센서에서 반사된 광을 상기 입력광과 분리되게 출력하는 광분배기와; 상기 광섬유격자센서로부터 반사되어 상기 광분배기를 통해 출력되는 반사광의 스펙트럼으로부터 측정대상체에 대한 온도 및 스트레인을 구하는 온도/스트레인 산출부;를 구비한다.
본 발명에 따른 광섬유 격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템에 의하면 제작이 용이하면서도 온도 및 스트레인의 측정 정밀도를 높일 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템을 개략적으로 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 광섬유 격자센서의 제1군격자부와 제2군 격자부의 브래그 파장 변화를 나타내 보인 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 격자센서 및 이를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광섬유격자센서를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템을 개략적으로 나타내 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 온도/스트레인 측정시스템(100)은 광섬유격자센서(40)와 온도/스트레인 산출기를 구비한다.
광섬유격자센서(40)는 광섬유(50)에 제1간격으로 격자가 새겨진 제1격자부(60)와, 제1격자부(60)와 이격되되 제1격자부(60)와 동일한 제1간격으로 격자가 새겨진 제2격자부(70)를 갖는 제1군 격자부와, 광섬유(50)에 제1간격과는 다른 제2간격으로 격자가 새겨진 제3격자부(80)를 갖는 제2군 격자부로 되어 있다.
여기서 격자는 광섬유(50)에 자외선을 조사하여 형성하는 방식 등 공지된 방식으로 형성하면 되고, 도면에서는 시각적으로 이해를 돕기위해 세로상으로 격자를 도식화하여 표기하였다.
또한, 제1간격은 수백나노미터(nm) 내지 수백 마이크로미터 범위 내에서 적절하게 선택하면 되고, 제2간격은 제1간격보다 크게 적용하면 된다.
또한, 제1격자부(60)와 제2격자부(70) 사이의 이격거리는 제1간격보다는 크게 적절한 거리 예를 들면 3mm정도로 이격되게 적용하면 된다.
여기서 동일한 제1간격으로 격자가 형성된 제1격자부(60)와 제2격자부(70)는 격자쌍을 이룸으로써, 입사된 광에 대한 간섭효과에 의해 작은 파장 폭을 갖는 피크들로 구성되는 스펙트럼트럼을 제공함으로써 노이즈에 강하고 높은 정확도의 파장 변화 측정을 가능하게 해준다.
온도/스트레인 산출기는 광원(10), 써큘레이터(20), 고정부 및 온도/스트레인 산출부(30)를 구비한다.
광원(10)은 일 예로서, 레이저 다이오드가 적용될 수 있다.
써큘레이터(20)는 광분배기로서 적용된 것으로 광원(10)에서 출사되는 입력광을 광섬유격자센서(40)로 전송하고, 광섬유격자센서(40)로부터 반사된 광의 경로를 광입사경로와 다른 경로로 출력할 수 있도록 적용된 것이다.
또한, 광분배기로서 써큘레이터(20) 대신 광섬유커플러(미도시)를 적용할 수 있음은 물론이다.
고정부는 제2군격자부로 적용된 제3격자부(80)를 측정대상체(150)에 스트레인과 온도를 모두 인가받을 수 있도록 고정하고, 제1군격자부로 적용된 제1 및 제2격자부(60)(70)는 측정대상체(150)로부터 스트레인을 비인가받고 온도에만 반응하도록 광섬유 격자센서(40)를 측정대상체(150)에 고정하는 것이 적용된다.
도시된 예에서 고정부는 제3격자부(80)의 양측을 측정대상체(150)에 에폭시와 같은 접착제로 고정하는 제 1 및 제 2 접착고정부(91)(92)가 적용되었다.
또한, 제1 및 제2격자부(60)(70)는 측정대상체(150)로부터 스트레인을 비인가받을 수 있도록 써큘레이터(20)와 제1접착고정부(91) 사이에서 긴장되지 않고 충분히 유동될 수 있게 측정대상체(150) 위에 단순히 얹혀 놓거나 별도의 지지부재(미도시)를 이용하여 측정대상체(150)로부터 온도는 인가받으면서 스트레인은 비인가받게 이격되게 설치하여 온도에만 반응하게 하는 방식 등 다양한 방식으로 설치하면 된다.
온도/스트레인 산출부(30)는 써큘레이터(20)를 통해 광섬유격자센서(40)로부터 반사된 광을 수신받아 광섬유격자센서(40)가 설치된 측정대상체(150)에 대한 온도 및 스트레인을 산출한다.
온도/스트레인 산출부(30)는 광원(10)으로부터 송출된 후 광섬유격자센서(40)로부터 반사된 광을 검출하고, 검출된 반사광의 스펙트럼으로부터 광섬유 격자센서(40)의 제1 및 제2 격자부(60)(70)에 의한 브래그 파장변화로부터 먼저, 온도를 산출하고, 제1군 격자부인 제1 및 제2 격자부(60)(70)와 제2군 격자부인 제3격자부(80)의 브래그 파장 변화의 차로부터 스트레인을 산출한다.
온도/스트레인 산출부(30)는 수광부(미도시) 및 수광부에서 출력되는 신호를 처리하는 제어부(미도시) 및 제어부에 사용자 입력신호를 출력하는 입력부(미도시), 제어부에 의해 이용되는 기억장치(미도시)를 구비하여 구축될 수 있다.
이하에서는 두개의 측정 대상 물리량인 온도(T)와 스트레인(ε)을 산출하는 방법을 더욱 상세하게 설명한다.
먼저, 광섬유 격자센서(40)에 광이 입사되면 입사된 광 중 브래그 조건을 만족하는 파장 성분은 광섬유 격자 부분에서 반사되며 나머지는 투과된다. 광섬유 격자에서 반사되는 브래그 파장(λB)은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수로서 격자부분 외부에서 변형과 온도가 가해지면 이들 값이 변하면서 브래그 파장이 달라진다.
따라서, 브래그 파장의 변화를 측정하면, 광섬유 격자에 인가된 스트레인의 변화치(Δε)와 온도 변화(ΔT)치를 구할 수 있고 이를 아래의 수학식 1로 표현할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Pe는 유효 광탄성계수(photo-elastic coefficient)이고, αA는 광섬유의 열팽창계수로 실리카의 경우 약 0.55×10-6이며, αN은 광섬유의 굴절율 변화를 나타내는 열광학계수로서 게르마늄(Ge)이 첨가된 광섬유의 경우 약 8.6×10-6이다
또한, Pe는 아래의 수학식 2로 표현된다.
Figure pat00002
여기서, neff는 광섬유의 유효굴절율이고, P11과 P12는 스트레인-광(strain-optic) 텐션의 성분이고, υ는 포아송비(Poisson' ratio)이다. 보통의 게르마늄(Ge)이 첨가된 광섬유의 경우 P11=0.121, P12=0.27, υ=0.17, neff=1.447이다.
이러한 관계에서
Figure pat00003
를 광섬유의 변형 즉, 스트레인 민감도 계수Kε으로 표현하고,
Figure pat00004
를 광섬유의 온도민감도 계수 KT로 표현하고, 제1군 격자부의 브래그파장은 λB1으로 제2군격자부의 브래그파장은 λB2로 표기하면, 제1군격자부와 제2군 격자부의 브래프 파장 변화와 온도 및 스트레인과의 관계를 수학식 1로부터 아래의 수학식 3과 같은 행렬로 표현할 수 있다.
Figure pat00005
여기서, λB1은 제1군 격자부인 제1 및 제2격자부(60)(70)의 브래그 파장이고, λB2는 제2군 격자부인 제3격자부(80)의 브래그 파장이이고, ΔT와 Δε은 온도와 스트레인의 변화치이고, Kε1은 제1군 격자부의 스트레인 민감도 계수이고, Kε2는 제2군 격자부의 스트레인 민감도 계수이고, KT1은 제1군 격자부의 온도 민감도 계수이고, KT2는 제2군 격자부의 온도 민감도 계수이다.
따라서, 제1군 격자부는 스트레인을 비인가 받도록 측정대상체(150)에 설치하여 온도의 영향만 받도록 하고, 제2군 격자부는 온도와 스트레인의 물리량의 영향을 모두 받도록 앞서 설명된 바와 같이 고정하면 Kε1= 0 이되고, 동일한 측정 환경에 놓인 제1군 격자부와 제2군 격자부의 온도 민감도 계수가 동일한 값이 되고 이를 KT1= KT2=KT로 표현하면 위 수학식 3으로부터 아래의 수학식 4와 같이 된다.
Figure pat00006
위 수학식 4로부터 아래의 수학식 5 및 6이 구해진다.
Figure pat00007
Figure pat00008
따라서, 위 수학식 5로부터 제1군격자부의 브래그 파장 변화와 알고 있는 온도 민감도 계수를 이용하여 온도변화를 산출하고, 위 수학식 6으로부터 제2군격자부의 브래그 파장 변화와 제1군격자부의 브래그파장 변화의 차와 알고 있는 스트레인 민감도 계수를 이용하여 스트레인을 측정할 수 있다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 온도 스트레인 산출부(30)는 광섬유격자센서(40)로부터 수시된 반사 스펙트럼에 대해 간섭효과에 의해 작은 파장폭을 갖는 다수의 피크들로 구성된 제1군격자부의 스펙트럼 영역과, 제2군 격자부의 스펙트럼 영역으로부터 브래그파장 변화치를 산출하고 앞서 설명된 방법에 의해 온도와 스트레인을 산출하면 된다.
10: 광원 20: 써큘레이터
30: 온도/스트레인 산출부 50: 광섬유격자 센서
60: 제1격자부 70: 제2격자부
80: 제3격자부

Claims (5)

  1. 광섬유와;
    상기 광섬유에 제1간격으로 격자가 새겨진 제1격자부와, 상기 제1격자부와 이격되되 상기 제1간격으로 격자가 새겨진 제2격자부를 갖는 제1군 격자부와;
    상기 제1간격과 다른 제2간격으로 격자가 상기 광섬유에 새겨진 제3격자부를 갖는 제2군격자부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1군 격자부는 측정대상체로부터 스트레인을 비인가받고 온도에만 반응하도록 상기 측정대상체에 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2군 격자부는 측정대상체로부터 스트레인과 온도를 모두 인가받을 수 있도록 상기 측정대상체에 설치된 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서.
  4. 광섬유에 제1간격으로 격자가 새겨진 제1격자부와, 상기 제1격자부와 이격되되 상기 제1간격으로 격자가 새겨진 제2격자부를 갖는 제1군 격자부와, 상기 제1간격과 다른 제2간격으로 격자가 상기 광섬유에 새겨진 제3격자부를 갖는 제2군격자부로 된 광섬유 격자 센서와;
    상기 제2군격자부는 측정대상체에 스트레인과 온도를 모두 인가받을 수 있도록 고정하고, 상기 제1군격자부는 상기 측정대상체로부터 스트레인을 비인가받고 온도에만 반응하도록 상기 광섬유 격자센서를 상기 측정대상체에 고정하는 고정부와;
    상기 광섬유격자 센서에 광을 송출하고, 상기 광섬유 격자센서의 상기 제1군 격자부에 의한 브래그 파장변화로부터 온도를 산출하고, 상기 제1군격자부와 상기 제2군 격자부의 브래그 파장 변화의 차로부터 스트레인을 산출하는 온도/스트레인 산출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 온도/스트레인 측정 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 온도/스트레인 산출기는
    광원과;
    상기 광원에서 출사되는 광을 상기 광섬유 격자센서에 전송하고, 상기 광섬유격자센서에서 반사된 광을 상기 입력광과 분리되게 출력하는 광분배기와;
    상기 광섬유격자센서로부터 반사되어 상기 광분배기를 통해 출력되는 반사광의 스펙트럼으로부터 측정대상체에 대한 온도 및 스트레인을 구하는 온도/스트레인 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자를 이용한 온도/스트레인 측정시스템.
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