KR20140088416A - 광섬유 압력변위센서 - Google Patents

Abstract

광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 오차가 크던 압력변위 측정기기에 대한 것을 보다 정밀하게 압력변위를 측정할 수 있도록 함과 동시에 현장에서 설치를 용이하게 하고, 주변 외기의 온도 변화나 굴절률에 대한 변화량을 보상해 줄 수 있도록 하여 보다 정밀하게 압력에 따른 변위량을 측정하도록 하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서에 관한 것이다. 더 나아가 본 발명은 변위조절부를 포함하여 설치된 압력변위센서에서 단부측 광섬유고정부를 선택적으로 압박 고정함으로써 설정된 변위를 조절할 수 있도록 한다.
이러한 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서는 내부로 압력이 인가되는 본체; 본체의 내부에 포함되고, 인가되는 압력에 따라 만곡 또는 함몰되는 격막; 인가된 압력에 따라 측정되는 변위를 전달하는 광섬유; 상기 격막 상에 고정되어 광섬유의 말단을 고정하는 단부측 광섬유고정부; 상기 광섬유 사이에 연결되어 인가된 압력에 따라 이완, 긴장됨으로써 변위를 측정하는 압력측정용 광섬유격자센서; 및 상기 광섬유의 입출력부가 고착제로 견고히 고정되는 입출력측 광섬유고정단;를 포함하여 압력에 따른 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 제공한다.

Description

광섬유 압력변위센서 {An Optical Fiber Sensor for measuring Pressure Displacement}

본 발명은 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 오차가 크던 압력변위 측정기기에 대한 것을 보다 정밀하게 압력변위를 측정할 수 있도록 함과 동시에 현장에서 설치를 용이하게 하고, 주변 외기의 온도 변화나 굴절률에 대한 변화량을 보상해 줄 수 있도록 하여 보다 정밀하게 압력에 따른 변위량을 측정하도록 하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서에 관한 것이다. 더 나아가 본 발명은 변위조절부를 포함하여 설치된 압력변위센서에서 단부측 광섬유고정부를 선택적으로 압박 고정함으로써 설정된 변위를 조절할 수 있도록 한다.

일반적으로 광섬유 격자센서(Fiber Bragg Grating)의 원리를 살펴보면, 광섬유 내에서 빛의 전파 원리는 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리에 있으며, 광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파되게 된다.

이러한 광섬유의 주성분은 실리카 유리로 이루어져 있으며, 그 구조는 굴절율이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 중심인 코어 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩 부분으로 구성되어 있다.

광섬유 브래그(Bragg) 격자 배열형 센서(FBG)는, 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 광섬유 브래그 격자를 일정한 길이에 따라 새긴 후, 온도나 강도 등의 외부의 조건 변화에 따라 각 격자에서 반사되는 빛의 파장이 달라지는 특성을 이용한 센서이다.

일반적으로 광섬유 코어에는 클래딩보다 굴절률을 높이기 위하여 보통 게르마늄(Ge) 물질이 첨가되는데, 이 물질이 실리카 유리에 안착하는 과정에서 구조 결함(defect)이 생길 수 있다. 이 경우 광섬유 코어에 강한 자외선을 조사하면, 게르마늄의 결합구조가 변형되면서 광섬유의 굴절률이 변화한다.

광섬유 브래그 격자는 이러한 현상을 이용하여 광섬유 코어의 굴절률을 주기적으로 변화시킨 것을 말한다. 이 격자는 브래그 조건을 만족하는 파장만을 반사하고, 그 외의 파장은 그대로 투과시키는 특징을 갖는다. 격자의 주변 온도가 바뀌거나 격자에 인장이 가해지면, 광섬유의 굴절률이나 길이가 변화되므로 반사되는 빛의 파장이 변화된다. 따라서 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 빛의 파장을 측정함으로써 온도나 인장, 또는 압력, 구부림 등을 감지할 수 있게 된다.

이러한 광섬유 브래그 격자 센서의 가장 큰 응용 중에 하는 구조물의 상태를 진단하는데 있다. 교량, 댐, 건축물 등의 제작 시에 콘크리트 내부에 광섬유 격자 센서를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도 등을 감지하여 구조물의 안전상태를 진단할 수 있다. 또한, 항공기나 헬리콥터 등의 날개 상태 진단 등에도 활용될 수 있다.

그러나, 압력변위센서 분야에 있어서는 광섬유 격자센서를 적용하는 분야는 발견되지 아니하였으며, 도 1에서 보는 바와 같이, 종래의 압력변위센서(F₀)는 압력에 따른 변위를 측정하기 위해서 광섬유(a), 격막(b), 본체(c) 및 텐션 와이어(w)를 포함하게 된다.

이에 종래기술에 따른 압력변위센서(F₀)는 압력을 내부에 받게 되는 본체(c)에서 압력이 인가되는 하측에 격막(b)을 설치하고, 당해 격막(b)의 상측에 텐션 와이어(Tension Wire, w)를 부착하여 연결하고, 상기 텐션 와이어(w)의 중간에 광섬유(a)를 부착하게 된다. 이렇게 상기 광섬유(a)는 텐션 와이어(w)를 끊고 중간에 연결되는 것이 아니라 단지 텐션 와이어(w)의 외부에 함께 부착하는 것에 불과하므로 그 긴장이나 이완이 당해 광섬유(a)에 충분히 전달되기가 어려웠다.

상기 텐션 와이어(w)는 철사나 강관으로 구성할 수도 있었는데, 당해 철사나 강관의 긴장 수축에 따른 오차가 너무 크게 나고, 더 나아가 격막(b)의 만곡 등에 따른 미세 변위가 텐션 와이어(w)에 충분히 전달되기 부족하여 정확한 압력변위에 의한 측정이 불가능한 실정이었다.

또한, 상기 텐션 와이어(w)와 격막(b)의 부착에 있어서도 매우 어렵고, 부착한 후에도 고정시키는 수단이 없어 여러우므로 고정 부착이 해체되거나, 당해 격막이 파손되는 등의 문제가 빈번히 발생되었다.

그리고, 상기 텐션 와이어(w)와 격막(b)의 부착에 있어서, 상기 텐션 와이어(w)를 격막(b)의 중앙에 정확히 맞추어 설치하여야만 압력이 인가되는 경우 압력의 변위에 따른 격막(b)의 만곡, 함몰 등에 따른 변위량이 정확히 측정될 수 있도록 할 수 있는데, 상기 텐션 와이어(w)를 격막(b)에 직접 부착 고정함으로써 격막(b)의 중앙부에 맞추어 설치하는 것이 매우 어려웠다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 종래기술에 따른 광섬유를 이용한 압력변위센서는 텐션 와이어(Tension Wire)를 이용함에 따라 시공이 현실적으로 거의 불가능하고, 고정시키는 것이 어려우므로 이를 대신할 광섬유(Optical Fiber)를 이용하고 단부측 광섬유고정부를 포함하여 고정 설치를 용이하게 하고, 시공의 어려움을 극복할 수 있도록 하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 종래의 광섬유를 이용한 압력변위센서는 철사나 강관을 이용한 텐션 와이어(Tension Wire)를 긴장, 수축될 수 있는 부재로 사용하고 이러한 텐션 와이어에 광섬유를 함께 부착함으로써 그 긴장, 수축에 따른 압력변위를 측정하였는데, 이러한 경우 긴장, 수축에 따른 오차가 크게 발생하므로, 텐션 와이어 대신 긴장, 수축의 압력변위를 전달하는 광섬유를 이용하고, 당해 광섬유 사이에 광섬유 격자센서(Optical Fiber Bragg Grating Sensor)를 연결하여 정밀하고 오차를 예방할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 종래기술에서는 텐션 와이어를 격막의 중앙부에 정확히 맞추어 설치하는 것이 매우 어려워 압력 인가시 격막의 만곡, 함몰에 따른 변위량을 정확히 측정할 수 없는 문제가 있었으나, 상기 텐션 와이어 대신 광섬유를 포함하도록 하고 상기 격막의 중앙부에는 단부측 광섬유고정부를 포함하도록 하여 광섬유가 격막의 중앙부에 정확히 연결될 수 있도록 하여 압력 인가시 변위량을 보다 정확히 측정할 수 있도록 하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 측정된 압력변위 정보가 전달되는 광섬유의 말단 끝 가닥만을 단부측 광섬유고정부에 고착시키는데, 이러한 작업은 매우 어렵고 설치 후에도 인장력이 작용되는 경우 그 고착이 해체될 수 있으므로, 광섬유를 보다 안정적으로 세팅할 수 있도록 단부측 광섬유고정부의 외주에 상기 광섬유가 루프를 형성하며 감겨져 고착제에 의해 고정되도록 하고, 상기 단부측 광섬유고정부가 지지되는 단부측 지지체를 포함하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 통상적으로 철 재질의 지지대가 온도의 변화에 따라 수축, 팽창을 함으로써 실제적으로 측정되는 압력변위에 오차를 발생시키게 되므로, 단부측 지지체의 재질을 열팽창률이 더 큰 알루미늄으로 형성하여 상기 지지대의 수축, 팽창에 따른 변위를 보상해 줌으로써 보다 정확하고 정밀한 압력변위량을 측정할 수 있도록 하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 외부의 온도변화가 압력측정용 광섬유격자센서 내부에 영향을 끼쳐 굴절률의 변화량에 따른 파장 변화로 인하여 측정되는 압력변위에 오차가 발생되므로, 이에 별도의 온도보상용 광섬유격자센서를 설치하여 상기 온도변화에 따른 압력측정용 광섬유격자센서의 굴절률 및 파장 변화를 보상해 주어 오차를 줄여 보다 정밀한 압력변위를 측정할 수 있도록 하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 제공하는 것이다.

본 발명은 앞서 상술한 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의하여 구현될 것이며, 하기와 같은 구성을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부로 압력이 인가되는 본체; 본체의 내부에 포함되고, 인가되는 압력에 따라 만곡 또는 함몰되는 격막; 인가된 압력에 따라 측정되는 변위를 전달하는 광섬유; 상기 격막 상에 고정되어 광섬유의 말단을 고정하는 단부측 광섬유고정부; 상기 광섬유 사이에 연결되어 인가된 압력에 따라 이완, 긴장됨으로써 변위를 측정하는 압력측정용 광섬유격자센서; 및 상기 광섬유의 입출력부가 고착제로 견고히 고정되는 입출력측 광섬유고정단;를 포함하고, 상기 본체와 상기 입출력측 광섬유고정부를 구속시켜 광섬유 및 광섬유 격자센서를 고정 지지하는 지지대;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 단부측 광섬유고정부는 외주에 상기 광섬유가 루프를 형성하며 감겨져 고착제에 의해 고정되고, 상기 광섬유는, 입력단과 출력단이 상기 입출력측 광섬유고정부에 고착제에 의해 고정되고, 상기 단부측 광섬유고정부가 포함되어 지지되는 단부측 지지체;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 단부측 지지체는 상기 단부측 광섬유고정부가 지지되어 고정되는 길이방향의 고정홈을 포함하고, 상기 단부측 광섬유고정부는, 상기 고정홈에 내입되어 지지되는 고정핀을 포함하고, 외주에는 광섬유가 루프를 형성하며 감겨져 고착되는 취부홈을 포함하고, 상기 단부측 지지체는, 상기 단부측 광섬유고정부를 상기 고정홈의 길이방향으로 선택적으로 압박 고정하여 변위를 조절할 수 있도록 하는 변위조절부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 지지대는 재질이 철로 형성되고, 상기 단부측 지지체는 재질이 알루미늄으로 형성되어 온도에 따른 열팽창을 상호 보상해주는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 압력변위센서는, 온도변화에 따라 압력측정용 광섬유 격자센서에서 측정되는 파장을 보상해 주는 온도보상용 광섬유 격자센서;를 추가로 포함하고, 상기 온도보상용 광섬유 격자센서는, 상기 압력측정용 광섬유 격자센서와 상호 다른 단 측의 광섬유 사이에 연결되는데, 특히 상기 압력측정용 광섬유 격자센서는, 입력단 측의 광섬유 사이에 연결되고, 상기 온도보상용 광섬유 격자센서는, 출력단 측의 광섬유 사이에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전술한 과제 해결 수단 및 후술할 구성과 결합, 작동관계에 의해서 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은 광섬유(Optical Fiber)를 이용하고 단부측 광섬유고정부를 포함하여 본 발명의 압력변위센서의 고정 설치를 용이하게 하고, 시공의 어려움을 극복할 수 있도록 한다.

본 발명은 광섬유를 부착하여 사용함으로써 오차가 발생되는 텐션 와이어 대신 광섬유를 이용하고, 당해 광섬유를 절단하여 그 사이에 광섬유 격자센서(Optical Fiber Bragg Grating Sensor)를 연결하여 정밀하고 오차를 예방할 수 있는 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은 텐션 와이어 대신 광섬유를 포함하도록 하고 상기 격막의 중앙부에는 단부측 광섬유고정부를 포함하도록 하여 광섬유가 격막의 중앙부에 정확히 연결될 수 있도록 함으로써 압력 인가시 변위량을 보다 정확히 측정할 수 있도록 하는 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은 광섬유를 보다 안정적으로 세팅할 수 있도록 단부측 광섬유고정부의 외주에 상기 광섬유가 루프를 형성하며 감겨져 고착제에 의해 고정되도록 하고, 상기 단부측 광섬유고정부가 지지되는 단부측 지지체를 포함하여 광섬유의 안정적인 세팅을 도모할 수 있다.

본 발명은 단부측 지지체의 재질을 열팽창률이 더 큰 알루미늄으로 형성하여 상기 지지대의 수축, 팽창에 따른 변위를 보상해 줌으로써 보다 정확하고 정밀한 압력변위량을 측정할 수 있도록 한다.

본 발명은 별도의 온도보상용 광섬유격자센서를 설치하여 온도변화에 따른 압력측정용 광섬유격자센서의 굴절률 및 파장 변화를 보상해 주어 오차를 줄여 보다 정밀한 압력변위를 측정할 수 있도록 하는 효과를 도모할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 압력변위센서를 도시한 단면도.
도 2는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서의 작동 관계도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서를 도시한 사시도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서의 완제품을 도시한 결합 사시도.

이하에서는 본 발명에 따른 압력변위센서에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명의 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서(F,F₁,F₂,F₃)에 대한 설명에 앞서 먼저 본 발명에서 광섬유 격자센서를 이용하여 압력에 따른 변위량이 측정되는 작동관계에 대해 먼저 설명하고자 한다.

도 2는 본 발명에 따른 압력변위센서의 작동관계를 도시한 단면도로써 압력 인가 전과 압력 인가 후 변위가 발생되는 것에 대해 도시한 것이다. 먼저 본 발명의 작동관계의 개략적인 도시에 지나지 아니하므로 본 발명의 구성 및 결합에 대한 것은 생략된 부분이 있음을 인지하여야 할 것이다.

압력 인가 전에는 좌측 그럼에서 보는 바와 같이 본 발명의 압력변위센서의 본체(5) 내부에 형성된 격막(4)은 수평상태로 유지된다. 이에 중앙부에 연결되는 광섬유(1)에는 어떠한 외력도 작용하지 아니한다. 이에 따라, 상기 광섬유(1) 사이에 연결된 광섬유 격자센서(2)도 긴장, 수축 등의 영향을 받지 아니하므로 내부에서 파장의 변화가 발생되지 아니한다.

그러나, 압력 인가 후에는 우측 그림에서 보는 바와 같이, 본체(5) 내부의 격막(4)은 하부에서 인가되는 압력(P)에 의하여 상향으로 만곡되게 된다. 이러한 만곡에 따라 격막(4)의 중앙부는 압력에 따른 수직 변위(δ)를 갖게 된다. 이에 따라 만곡된 격막(4)의 중앙부에 연결된 광섬유(1) 및 광섬유 격자센서(2)는 수축되는 축방향으로의 외력을 받게 된다. 이로써 상기 광섬유 격자센서(2)는 파장의 변화를 일으키고, 상기 압력에 따른 변위(δ)량을 측정할 수 있게 되는 것이다.

(이와는 반대로 상기 격막(4) 하부에 압력(P)이 하향으로 발생될 수 있는데, 이 경우 변위(δ)가 하향으로 함몰되도록 형성되므로, 상기 광섬유(1) 및 광섬유 격자센서(2)는 긴장되어 전혀 다른 파장을 형성하게 된다.)

이하에서는 첨부한 도면에 의거하여 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서(F,F₁,F₂,F₃)의 바람직한 실시예 및 그에 따른 구성에 대하여 상세히 설명하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 입출력단을 가지는 광섬유(1)로 형성되어 압력변위를 측정할 수 있도록 할 수 있는데, 특히 상기 광섬유(1)의 말단이 압력에 따른 변위가 형성되는 격막(4)의 중앙부에 고정된 단부측 광섬유고정부(8)에 직접 고착 고정될 수 있다.

도 3의 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 압력변위센서(F₁)는 내부로 압력이 인가되는 본체(5); 본체의 내부에 포함되고, 인가되는 압력에 따라 만곡 또는 함몰되는 격막(4); 인가된 압력에 따라 측정되는 변위를 전달하는 광섬유(1); 상기 격막 상에 고정되어 광섬유의 말단을 고정하는 단부측 광섬유고정부(8); 상기 광섬유 사이에 연결되어 인가된 압력에 따라 이완, 긴장됨으로써 변위를 측정하는 압력측정용 광섬유격자센서(2); 상기 광섬유의 입출력부가 고착제(14)로 견고히 고정되는 입출력측 광섬유고정단(12); 및 상기 본체와 상기 입출력측 광섬유고정부를 구속시켜 광섬유 및 광섬유 격자센서를 고정 지지하는 지지대(6);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 광섬유(1)는, 도 1에서 보는 바와 같이, 압력측정용 광섬유격자센서(2)에서 측정되는 압력변위에 따른 파장을 측정하여 전달하는 기능을 하게 된다. 이러한 광섬유(1)의 사용은 종래기술에서 텐션 와이어(Tension Wire)로 사용되는 것에 대하여 광섬유(1)로 사용되도록 함으로써 중간에 절단하여 광섬유 격자센서(2)를 직접 연결하여 적용할 수도 있게 된다.

또한, 기존의 철사, 강관 등으로 사용되었던 텐션 와이어 자체의 팽창, 수축 등에 의해 압력변위 측정에 오차가 발생하던 것에 대하여 상기 광섬유(1)는 팽창, 수축이 거의 발생되지 아니하므로 측정되는 압력변위에 오차를 발생시키는 문제를 해결할 수 있게 되었다.

광섬유(1) 및 광섬유 격자센서(2)는 외력에 의해 팽창, 수축되는 것이 아니라, 축방향의 힘에 의해 긴장, 이완됨에 따라 광섬유 격자센서(2)의 파장에 변화가 발생되기 때문에 압력변위에 따른 미세 변위량을 보다 정확하게 측정할 수 있는 것이다.

상기 압력측정용 광섬유격자센서(2)는, 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 광섬유(1)가 절단된 중간에 일체로 연결되어 하측의 압력에 따른 격막(4)의 변위가 발생되는 경우 긴장, 이완에 따라 내부의 파장이 변화하여 압력에 따른 미세 변위량을 정확히 측정할 수 있도록 한다.

통상적으로 상기 광섬유격자센서(2)는 이와 함께 연결된 광섬유(1)와 같이 유리 재질로 이루어져 있으므로 종래기술에서 처럼 텐션 와이어와 함께 형성되는 경우라면 전혀 다른 재질의 텐션 와이어를 절단하여 중간에 일체로 연결 설치하는 것이 불가능하였다. 그러나, 본 발명은 텐션 와이어 대신에 광섬유(1)를 이용함으로써 중간에 절단하여 광섬유격자센서(2)를 일체로 연결할 수 있도록 함으로써 광섬유격자센서(2)로 파장에 따른 압력변위 측정 후 당해 파장을 광섬유(1)를 통해 전달할 수 있도록 한다.

이와 같이 본 발명은 광섬유(1)와 광섬유 격자센서(2)를 일체로 형성함으로써 시공의 어려움을 극복하고, 기존의 텐션 와이어 설치로 인한 팽창, 수축에 따른 오차 발생의 문제를 극복하였으며, 광섬유 격자센서(2)를 텐션 와이어의 외주에 부착하는 형식에서 벗어나 광섬유(1)를 절단하고 그 중간에 일체로 연결하여 형성할 수 있도록 함으로써 보다 정밀하고 정확한 압력변위량 측정할 수 있도록 하였다.

이러한 광섬유격자센서의 기술에 대해서는 앞서 배경기술에서 충분히 설명하였으므로 이하 생략하기로 한다.

상기 격막(4)은, 도 3에서 보는 바와 같이, 본체(5)에 내입되어 수평으로 막힌 부재로 형성되는데, 통상적으로 하부의 압력에 따라 만곡 또는 함몰될 수 있는 스테인리스 재질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 격막(4)은 복원력을 가지고 있어, 하부의 압력에 따라 만곡 또는 함몰된 후, 당해 압력이 제거된 경우 다시 원상태로 돌아갈 수 있는 재질인 스테인리스 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 상기 격막(4)은 하부의 인가되는 압력에 따라 만곡, 함몰되면서 수직 변위(δ)량을 형성함으로써 중앙부에 고정되는 광섬유(1) 및 광섬유격자센서(2)를 긴장시키거나 이완시키게 된다. 이에 대한 작동 및 기능은 도 2를 통해 앞서 상세히 설명한 바 이하 생략하기로 한다.

상기 본체(5)는, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 격막(4)을 내부에 포함하고 통상적으로 강성이 큰 철 부재로 형성된다. 상기 본체(5)는 상기 격막(4)이 내부에 막힌 형태로 포함되어 하부에 인가되는 압력에 의해 만곡, 함몰이 용이하도록 하기위해 원통형으로 형성되는 것이 바람직하다.

이에 상기 본체(5)는 하부에 압력인가부를 포함하는데, 도 3에는 도시되어 있지 아니하지만, 도 6에 도시된다. 이러한 압력인가부를 통해 외부의 압력이 인가되어 상기 격막(4)의 중앙부에 변위(δ)를 발생시키게 된다.

상기 지지대(6)는, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 본체(5)에 입출력측 광섬유고정부(12)를 지지 고정시키는 부재로써 통상적으로 상기 광섬유(1)와 길이방향으로 평행하게 형성된다. 상기 지지대(6)는 일측은 본체(5)의 양쪽에 고정되고, 타측은 입출력측 광섬유고정부(12)의 양 단부에 견고히 고정된다.

이와 같이 상기 지지대(6)는 상기 입출력측 광섬유고정부(12) 및 본체(5)를 구속하여 고정함으로써 그 사이에 길이방향으로 형성되는 광섬유(1) 및 광섬유 격자센서(2)가 구속되어 고정되는 것이다. (이러한 광섬유(1)의 구속 고정은 단부측 광섬유고정부(8)에의 고착 고정 및 입출력측 광섬유고정부(12)에의 고착제(14)를 이용한 고착 고정으로 구속되는 것이다.)

상기 지지대(6)는 통상적으로 철 재질로 형성되는데, 반드시 이에 한정하지는 않고 강성이 크고 견고히 고정시킬 수 있도록 하기 위한 재질이라면 어떠한 재질이라도 무방할 것이다. 이에 상기 지지대(6)가 철 재질로 형성되는 경우, 외부의 온도변화로 인한 열팽창에 따라 변위에 오차가 발생될 수 있게 된다. 이러한 상기 지지대(6)의 열팽창에 따른 오차는 하기에서 설명하게 될 단부측 지지체에 의해 보상될 수 있을 것이다.

상기 단부측 광섬유고정부(8)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 일단은 격막(4)의 중앙부에 부착 고정되고, 타단에는 광섬유(1)의 말단이 고착되어 고정된다. 이렇게 본 발명은 단부측 광섬유고정부(8)를 포함함으로써 종래기술에서 텐션 와이어를 직접 곧바로 격막(4)에 고정 설치하는 것이 어려워 시공이 곤란했고, 또한 상기 텐션 와이어를 격막(4)의 중앙부에 고정 설치해야 하는 중앙을 맞추어 설치하는 것이 거의 불가능하였는바, 이를 해결할 수 있게 되었다.

즉, 상기 단부측 광섬유고정부(8)는 먼저 격막(4)의 중앙부에 정확히 맞추어 견고히 고정 설치되고, 다음 상기 광섬유(1)의 말단이 단부측 광섬유고정부(8)에 결속되어 고착 설치됨으로써, 보다 용이하게 시공하고 정확하게 격막 중앙부에 설치할 수 있게 되었다. 이를 통해 본 발명의 압력변위센서는 보다 정밀한 압력변위량의 측정을 도모할 수 있게 되었다.

상기 입출력측 광섬유고정부(12)는, 도 3에서 보는 바와 같이, 상기 지지대(6)의 일측에 견고히 구속 고정되고 그 중앙부에는 광섬유(1)의 입출력부가 길이방향으로 가로지르도록 형성된다. 이에 상기 광섬유(1)는 고착제(14)에 의해 견고하게 상기 입출력측 광섬유고정부(12)에 고착된다.

이와 같이, 도 3에서처럼 상기 광섬유(1)의 입출력측은 입출력측 광섬유고정부(12)에 고착되고, 그 말단은 단부측 광섬유고정부(8)에 고정됨으로써 압력측정용 광섬유센서(2)를 포함하는 광섬유(1)는 본 발명의 압력변위센서(F₁) 내부에서 철저히 고정된다. 이에 따라 외부의 영향을 전혀 받지 않고, 오직 하부의 격막(4)에 의한 압력변위(δ)에 의해 긴장, 이완을 하게 됨으로써 정확한 압력변위를 측정할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이 입력단과 출력단의 광섬유를 가지는데, 이러한 광섬유(1)가 본 발명의 압력변위센서(F₂) 내부에서 두가닥을 형성하는 것을 특징으로 한다.

이렇게 두 가닥으로 형성된 광섬유(1)는 보다 안정적인 광섬유(1)의 세팅을 도모할 수 있게 된다. 즉, 앞서 언급한 일 실시예에서 광섬유(1) 말단을 단부측 광섬유고정부(8)에 고착하여 고정하는 것이 시공상 매우 어렵고, 또한 설치한 후에도 말단 만이 접촉하여 고착되었으므로 쉽게 이탈될 수 있으므로, 이러한 시공상의 어려움을 극복하고 보다 안정적이고 견고한 세팅을 도모할 수 있게 되는 것이다.

도 4의 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 압력변위센서(F₂)는 상기 단부측 광섬유고정부(8)의 외주에 상기 광섬유가 루프를 형성하며 감겨져 고착제에 의해 고정되고, 상기 광섬유(1)의 입력단과 출력단이 상기 입출력측 광섬유고정부(12)에 고착제에 의해 고정될 수 있다.

또한, 상기 단부측 광섬유고정부(8)가 포함되어 지지되는 단부측 지지체(7);를 추가로 포함할 수 있으며, 상기 단부측 지지체(7)에는 상기 단부측 광섬유고정부가 지지되어 고정되는 길이방향의 고정홈(16)이 포함되고, 상기 단부측 광섬유고정부(8)에는 상기 고정홈에 내입되어 지지되는 고정핀(9)을 포함하고, 외주에는 광섬유가 루프를 형성하며 감겨져 고착되는 취부홈(11)을 포함할 수 있다.

상기 단부측 지지체(7)는, 상기 단부측 광섬유고정부를 상기 고정홈의 길이방향으로 선택적으로 압박 고정하여 변위를 조절할 수 있도록 하는 변위조절부(10);를 포함할 수 있으며, 상기 지지대(6)는 재질이 철로 형성되고, 상기 단부측 지지체(7)는 재질이 알루미늄으로 형성되어 온도에 따른 열팽창을 상호 보상해주는 것을 특징으로 한다.

상기 광섬유(1), 압력측정용 광섬유격자센서(2), 격막(4), 본체(5), 지지대(6), 단부측 광섬유고정부(8), 입출력측 광섬유고정부(12), 고착제(14) 등은 앞서 도 3을 참조한 본 발명의 일 실시예에서 충분히 설명한 바, 이하에서는 기타 구성에 대해 상세히 살펴보면서, 작동관계를 설명하도록 한다.

상기 광섬유의 입력단(1a) 및 출력단(1b)은, 도 4에서 보는 바와 같이, 광섬유(1)가 본 발명의 압력변위센서(F₂) 내부에 내입되어 루프로 감겨진 후 다시 유출되는데, 이렇게 두 가닥의 광섬유(1)를 형성함에 따라 일측은 입력단(1a)이 되고, 타측은 출력단(1b)이 되도록 한다.

이 경우 상기 광섬유(1)는 먼저 본 발명의 압력변위센서에 내입된 후 단부측 광섬유고정부(8)의 외주에 루프를 형성하며 감겨지면서 다시 밖으로 인출되면서 두 가닥(1a,1b)으로 형성되게 되는 것이다.

이렇게 형성된 두 가닥의 광섬유(1a,1b)는 앞서 도 3를 통해 설명된 본 발명의 일 실시예에서 광섬유(1)의 일단부의 말단이 단부측 광섬유고정부(8)에 고착 고정되는 것이 설치 시공상 어렵고, 또한 설치된 후에도 그 결속력이 약하여 쉽게 이탈될 수 있으므로, 시공을 간편하게 함과 동시에 결속력을 향상시킴으로써 보다 안정된 세팅을 이루고자 함이다.

도 4에 따른 본 발명의 실시예에서는, 단부측 광섬유고정부(8) 및 입출력측 광섬유고정부(12)의 구성에 대해서 상기 두 가닥의 광섬유(1a,1b)의 루프 형성 감김에 따라 다른 형상 및 기능을 하게 된다.

먼저 단부측 광섬유고정부(8)는, 상기 광섬유(1)가 루프 형상으로 감겨질 수 있도록 형상화되는데, 바람직하게는 도 4에 도시된 것처럼 원통형의 외주면을 갖는 도르레 형상으로 이루어질 수 있을 것이다.

특히 상기 단부측 광섬유고정부(8)의 외주면에는 상기 광섬유(1)가 루프 형상으로 감겨져 올라갈 수 있도록 광섬유 취부홈(11)이 형성될 수 있을 것이다.

이러한 상기 광섬유 취부홈(11)은 통상적으로 광섬유(1)가 홈에 내입되어 걸려 구속될 수 있도록 하여야 할 것이므로 광섬유(1)의 외주 형상과 동일하게 둥글게 파인 연장된 홈으로 형성될 수 있을 것이다.

상기 광섬유(1)는 광섬유 취부홈(11)에 내입되어 상기 단부측 광섬유고정부(8)의 외주면에 루프형상으로 감겨진 후 그 움직임이 구속되어야 하므로 상기 광섬유 취부홈(11)에 고착제(14)에 의해 견고히 결속되어 고착된다. 그 이유는 이렇게 고착됨으로써 격막(4)에 의한 미세한 압력변위를 압력측정용 광섬유격자센서(2)를 통해 측정될 수 있기 때문이다.

다음 입출력측 광섬유고정부(12)를 살펴보면, 도 3의 실시예에서와 같이 지지대(6)에 의해 지지 고정된 상태에서 상기 두 가닥의 광섬유의 입력단(1a) 및 출력단(1b)이 이에 고착 결합되어야 하므로, 고착제(14)를 두 가닥에 각각 형성하여 견고히 고정하는 것을 특징으로 한다.

이에 도 4에서 볼 수 있듯이, 상기 입출력측 광섬유고정부(12)는 십자 형태로 연장된 부재로써 가로부재에는 광섬유(1a,1b)가 각각 부착되고, 세로부재는 지지대(6)에 견고히 고정되는 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 단부측 지지체(7)는, 도 4에서 볼 수 있듯이 상기 단부측 광섬유고정부(8)를 지지하여 고정하는데, 통상적으로 상기 지지대(6)와 길이방향으로 평행하게 형성되며 양족의 지지대(6) 사이에 형성될 수 있다. 그 재질에 있어서는 알루미늄 금속으로 형성될 수 있다.

상기 단부측 지지체(7)가 알루미늄 재질로 형성되는 이유는, 상기 지지대(6)는 재질이 철로 형성되므로 온도에 따른 열팽창시 이를 상호 보상해주기 위해서이다. 단부측 지지체(7)의 재질인 알루미늄의 열팽창 계수는 지지대(6)의 재질인 철의 열팽창 계수보다 2.5배 가량 크다. 즉, 도 4에서 보는 바와 같이 지지대(6)는 단부측 지지체(7)에 비해 그 길이가 훨씬 길게 형성되므로 온도 변화에 따른 열팽창시 그 늘어나는 길이는 상대적으로 길 것이다. 따라서, 상기 지지대(6)의 재질인 철의 열팽창 계수보다 더 큰 열팽창 계수를 가지는 알루미늄 재질의 단부측 지지체(7)를 통하여 온도변화시 상기 지지대(6)의 팽창을 효과적으로 보상해 줄 수 있게 되는 것이다.

상기 고정핀(9)은, 도 4에서 볼 수 있듯이, 단부측 지지체(7)의 고정홈(15)에 내입되어 상기 단부측 광섬유고정부(8)가 지지되도록 하는 기능을 하는데, 상기 단부측 광섬유고정부(8)의 측면 중앙에 돌출된 돌기로 형성될 수 있다. 이렇게 상기 고정핀(9)에 고정홈(15)에 내입되어 걸리게 됨으로써 통상적으로 상기 단부측 광섬유고정부(8)가 도르레와 같은 형상을 유지하게 된다.

상기 고정홈(16)은, 상기 단부측 지지체(7)의 측면에 형성된 관통공으로써 특히 세로방향으로 연장된 형상으로 마련된다. 이에 상기 길이방향의 고정홈(16)에는 상기 단부측 광섬유고정부(8)의 고정핀(9)이 내입되어 지지된다.

상기 변위조절부(10)는, 도 4에서 보는 바와 같이, 상기 단부측 지지체(7)의 상부에서 상기 고정홈(16)의 상부에까지 관통된 형태로 이루어지는데, 통상적으로 관통된 형태의 나사홀과 고정압박볼트로 이루어진다. 이에 상기 변위조절부(10)는 상기 단부측 광섬유고정부의 고정핀(9)을 상기 고정홈의 길이방향으로 선택적으로 압박 고정함으로써 변위를 조절할 수 있도록 하는 기능을 한다.

즉, 본 발명의 도 4에서의 실시예와 같은 압력변위센서가 설치된 후 상기 변위조절부(10)를 조이게 되면 단부측 광섬유고정부(8)를 압박하게 되어 인장력이 가해지므로, 하측의 격막(4)의 중앙부가 상향으로 올라가 변위를 조절할 수 있게 되는 것이다. 이와 반대의 경우에는 상기 변위조절부(10)의 볼트를 풀면 이완되어 상기 격막(4)의 중앙부는 하향으로 내려가 변위를 조절할 수도 있게 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이 입력단과 출력단의 광섬유를 가지는데, 이러한 광섬유(1) 사이에 상기 압력측정용 광섬유격자센서(2) 외에 별도의 온도보상용 광섬유격자센서(3)를 포함하여 본 발명의 압력변위센서(F₃) 내부에서 온도변화에 따른 상기 압력측정용 광섬유격자센서(2) 내부의 굴절률 변화에 따른 파장의 변화량을 보상해 줄 수 있도록 한다.

이렇게 온도보상용 광섬유격자센(3)를 포함함으로써 광섬유격자센서 내부에서 온도변화에 따른 굴절률의 변화에 따라 다른 파장을 나타내게 되는데, 이러한 굴절률의 변화에 대해 상기 온도보상용 광섬유격자센서(3)에서 보상해 줌으로써 파장의 오차를 줄여 보다 정밀한 압력변위를 측정할 수 있도록 한다.

도 5의 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 압력변위센서(F₃)는 통상적으로 상기 도 4의 실시예와 기타 모든 것이 동일하지만, 단부측 광섬유고정부(8)의 외주를 루프형상으로 감겨진 광섬유(1)가 상기 입출력측 광섬유고정부(12)를 매개로 그 주위를 루프형상으로 다시 감겨진 후 외부로 인출되도록 설치한다.

상기 온도보상용 광섬유격자센서(3)는, 도 5에서 보는 바와 같이, 상기 입출력측 광섬유고정부(12)를 매개로 그 주위를 루프형상으로 다시 감겨진 부분에서 형성되는 것이 바람직하다. 특히 상기 온도보상용 광섬유 격자센서(3)는, 상기 압력측정용 광섬유 격자센서(2)와 상호 다른 단 측의 광섬유 사이에 연결되는 것이 바람직하다. 예를 들어 상기 압력측정용 광섬유격자센서(2)는 입력단 측의 광섬유(1a) 사이에 연결되고, 상기 온도보상용 광섬유 격자센서(3)는 출력단 측의 광섬유(1b) 사이에 연결될 수 있다.

그 이유는 먼저 압력측정용 광섬유센서(2)에서 측정된 압력변위에 따른 파장이 온도 변화에 따라 변형된 굴절률로 측정이 된 상태에서 당해 오차가 발생된 파장이 광섬유의 출력단(1b)을 통해 전달된 후, 온도보상용 광섬유센서(3)에서 다시 오차를 줄이기 위해서 변형된 굴절률이 다시 가해지도록 하기 위함이다.

도 6은 상기 도 5의 실시예에 따른 광섬유격자센서를 이용한 압력변위센서(F)를 제품으로 완성하여 설치되는 상태를 도시한 도면이다. 이에 도 6의 실시예는 본 발명의 압력변위센서(F) 내부에 포함된 광섬유(1) 및 광섬유격자센서(2,3) 등을 보호하고 외부로부터 영향을 받게 하지 않도록 하는 케이스(13)를 전체적으로 덮어서 완성한다.

또한, 도 6의 실시예에 따른 본 발명은 상기 케이스(13)에 의해 덮혀지면서 본체(5)의 하부에 압력이 인가되어 내부의 격막(4)이 작동하도록 하는 압력인가부(15)를 포함할 수 있다.

앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명에 따른 압력변위센서를 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시예일 뿐, 전술한 실시예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

* 도면의 주요부분에 대한 주요 설명 *
F, F₀, F₁, F₂, F₃ : 본 발명의 압력변위센서
a : 광섬유 b : 격막 c : 본체 w : 텐션 와이어
1 : 광섬유 ` 1a : 광섬유 입력단
1b ; 광섬유 출력단 2 : 압력측정용 광섬유 격자센서
3 : 온도보상용 광섬유 격자센서 4 : 격막 (스테인리스)
5 : 본체 6 : 지지대 (철)
7 : 단부측 지지체 (알루미늄) 8 : 입출력측 광섬유고정부
9 : 고정핀 10 : 변위조절부
11 : 광섬유 취부홈 12 : 단부측 광섬유고정부
13 : 케이스 14 : 고착제
15 : 압력인가부 16 : 고정홈
P : 인가되는 압력 δ : 압력에 따른 변위량

Claims (3)

1. 내부로 압력이 인가되는 본체;
   본체의 내부에 포함되고, 인가되는 압력에 따라 만곡 또는 함몰되는 격막;
   인가된 압력에 따라 측정되는 변위를 전달하는 광섬유;
   상기 격막 상에 고정되어 광섬유의 말단을 고정하는 단부측 광섬유고정부;
   상기 광섬유 사이에 연결되어 인가된 압력에 따라 이완, 긴장됨으로써 변위를 측정하는 압력측정용 광섬유격자센서; 및
   상기 광섬유가 고착제로 견고히 고정되는 입출력측 광섬유고정단;를 포함하여 압력에 따른 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 압력변위센서는 상기 본체와 상기 입출력측 광섬유고정부를 구속시켜 광섬유 및 광섬유 격자센서를 고정 지지하는 지지대;를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 단부측 광섬유고정부는 외주에 상기 광섬유가 루프를 형성하며 감겨져 고착제에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 압력변위센서.

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