KR20180045931A - Fbg hydrogen sensor - Google Patents

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KR20180045931A
KR20180045931A KR1020160139468A KR20160139468A KR20180045931A KR 20180045931 A KR20180045931 A KR 20180045931A KR 1020160139468 A KR1020160139468 A KR 1020160139468A KR 20160139468 A KR20160139468 A KR 20160139468A KR 20180045931 A KR20180045931 A KR 20180045931A
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hydrogen
fbg
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KR1020160139468A
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김종열
이남호
정현규
이금석
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한국원자력연구원
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Abstract

The present invention relates to an FBG hydrogen sensor (200) which has a simple structure, and provides a high measuring degree of accuracy. The FBG hydrogen sensor comprises: hydrogen detection metal (210) provided at one side in a longitudinal direction of optical fiber (100); and a sensor module (220) provided side by side in a horizontal direction on an upper surface of the hydrogen detection metal (210).

Description

FBG 수소 센서{FBG HYDROGEN SENSOR}FBG hydrogen sensor {FBG HYDROGEN SENSOR}

본 발명은 수소 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 흡장에 따라 팽창특성을 가지는 물질을 이용한 수소 센서에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hydrogen sensor, and more particularly, to a hydrogen sensor using a material having an expansion characteristic according to hydrogen occlusion.

환경오염과 화석에너지 고갈에 대한 우려로, 최근 들어 저공해 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 수소도 이러한 대체에너지 중 하나로, 미래 청정연료이면서 주요 공업원료로 각광받고 있는 추세이다.Concerns about environmental pollution and depletion of fossil energy have raised interest in low-emission alternative energy in recent years. Hydrogen is one of these alternative energies, and is a future clean fuel and a trend of becoming a major industrial raw material.

다만 수소는 화염속도가 빨라 공기 중에서 4% 이상의 농도로 누출 시 조그만 착화열에도 쉽게 폭발하여, 수소의 생산 및 보관, 사용 과정에서 안정성 확보가 필수적이다. 수소 유출 방지는 물론 수소가 유출되었을 때 이를 감지할 수 있어야만 수소 연료의 광범위한 사용도 가능하다. 누출되는 수소를 정확하게 감지하기 위한 센서는 꾸준히 연구 개발되고 있다.However, since hydrogen has a high flame rate, it leaks at a concentration of 4% or more in the air and easily exploits small ignition heat. Therefore, it is essential to secure stability in production, storage and use of hydrogen. It is also possible to use a wide range of hydrogen fuels, as well as to prevent hydrogen spills, as well as to be able to detect when hydrogen is released. Sensors for accurate detection of leaking hydrogen are under constant research and development.

FBG 수소 센서와 관련된 종래기술로써, 일본 등록특허공보 제5,864,272호(공고일자 : 2016.01.17)는, 광원 입사 시 특정 브래그(Bragg) 파장에서 반사되는 파장 변화를 이용한 FBG 센서 원리 및 다른 광원 입사 시 발생되는 브릴루앙 산란을 이용하고 있는데, 광섬유 외면에 설치되는 팔라듐은 전착 내지 증착 등에 의해 설치되는데 이러한 전착 내지 증착 공정은 매우 어려워 실현가능성이 낮으며, 극히 일부 외면에 형성시킬 수밖에 없다. 나아가 팔라듐은 수소 흡장 작용에 의해 체적 변화가 반복적으로 일어나, 광섬유 클래드의 외면에서 쉽게 박리되어 수소 센서기능을 손상시킬 수 있는 문제점이 있다.Japanese Patent Registration No. 5,864,272 (Publication date: 2016.01.17) discloses an FBG sensor principle using a wavelength change reflected at a specific Bragg wavelength at the time of incidence of a light source, However, the palladium provided on the outer surface of the optical fiber is installed by electrodeposition or vapor deposition. Such an electrodeposition or deposition process is very difficult to realize, and it is inevitable to form it on the outer surface of an extremely small part. Furthermore, the palladium has a problem in that the volume change repeatedly occurs due to the hydrogen occlusion function, so that the palladium can be easily peeled from the outer surface of the optical fiber clad, thereby deteriorating the function of the hydrogen sensor.

일본 등록특허공보 제5,864,272호(공고일자 : 2016.01.17)Japanese Patent Publication No. 5,864,272 (Publication date: 2016.01.17)

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 구조가 간단하면서도 높은 측정 정밀도를 가지는 FBG 수소 센서를 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an FBG hydrogen sensor having a simple structure and high measurement accuracy.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 FBG 수소 센서는, 광섬유의 길이방향을 따라 일 측에 구비된 수소검출 금속; 및 상기 수소검출 금속의 상면에 수평 방향으로 나란하게 구비된 센서 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an FBG hydrogen sensor comprising: a hydrogen detecting metal disposed along a longitudinal direction of an optical fiber; And a sensor module disposed on the upper surface of the hydrogen detecting metal in a horizontal direction.

바람직하게, 본 발명에 따른 수소검출 금속은 판 형상일 수 있다.Preferably, the hydrogen detecting metal according to the present invention may be in the form of a plate.

바람직하게, 본 발명에 따른 수소검출 금속은 팔라듐 또는 팔라듐에 니켈, 은 및 크롬 중 어느 하나가 포함된 합금일 수 있다.Preferably, the hydrogen detecting metal according to the present invention may be an alloy containing any one of nickel, silver and chromium in palladium or palladium.

바람직하게, 본 발명에 따른 센서 모듈은, 광섬유 변형률 센서; 및 상기 광섬유 변형률 센서의 일 측에 나란하게 구비된 온도보상 센서;일 수 있다.Preferably, the sensor module according to the present invention further comprises: a fiber strain sensor; And a temperature compensation sensor provided in parallel with one side of the optical fiber strain sensor.

바람직하게, 본 발명에 따른 센서 모듈의 양단을 물림 지지하는 FBG 센서 지지부재;를 더 포함하며, 상기 FBG 센서 지지부재는, 상기 센서 모듈의 일 측이 내삽되도록 일단에 삽입요홈이 형성되고, 타단은 고정 브래킷에 의해 상기 수소검출 금속에 고정되는 고정용 돌기가 구비를 더 포함할 수 있다.Preferably, the FBG sensor support member includes an FBG sensor support member for supporting both ends of the sensor module according to the present invention, wherein the FBG sensor support member has an insertion groove formed at one end thereof so that one side of the sensor module is inserted, And a fixing protrusion fixed to the hydrogen detecting metal by a fixing bracket.

바람직하게, 본 발명에 따른 고정 브래킷은, 하단이 상기 수소검출 금속에 고정되며, 상기 센서 모듈의 길이만큼 이격되어 상기 센서 모듈의 양단을 지지 고정할 수 있다.Preferably, the fixing bracket according to the present invention has a lower end fixed to the hydrogen detecting metal, and is spaced apart from the sensor module by a length of the sensor module, thereby supporting and fixing both ends of the sensor module.

본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서는 수소 저장에 의해 팽창 특성을 가지는 팔라듐과 같은 수소검출 금속을 이용한 FBG 수소 센서의 브래그(Bragg) 파장 변화로 변환함으로써 수소검출의 정확성을 향상시킨 이점이 있다.The FBG hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention has an advantage of improving the accuracy of the hydrogen detection by converting into a Bragg wavelength change of an FBG hydrogen sensor using hydrogen detecting metal such as palladium having expansion characteristics by storing hydrogen have.

또한 본 발명에 따르면, 광섬유 변형률 센서와 아울러 온도보상 센서를 동시에 구비함으로써 온도 변화에 따른 파장 변경을 미연에 방지함으로써 정확하게 수소 검출할 수 있는 이점이 있다. According to the present invention, since the optical fiber strain sensor and the temperature compensation sensor are provided at the same time, it is possible to precisely detect the hydrogen by preventing the wavelength change according to the temperature change in advance.

또한 본 발명에 따르면, FBG 센서 지지부재를 구비함으로써 광섬유 외면에 수소검출 금속의 부착이 용이한 이점이 있다.Further, according to the present invention, since the FBG sensor supporting member is provided, it is easy to attach the hydrogen detecting metal to the outer surface of the optical fiber.

또한 본 발명에 따르면, 수소 흡장에 따라 팽창특성을 가지는 물질을 사용함으로써, 직접 전기가 흐를 필요가 없기 때문에 전기방전에 의한 수소폭발 위험을 줄일 수 있는 이점이 있다.Further, according to the present invention, there is an advantage that the use of a material having an expansion characteristic in accordance with the hydrogen occlusion does not require direct electricity flow, thereby reducing the risk of hydrogen explosion by electric discharge.

또한 본 발명에 따르면, 고정 브래킷을 이용해 수소검출 금속을 고정시키되 수소검출 금속의 표면에 광섬유 변형률 센서와 온도보상 센서를 부착하여 정밀 측정이 가능한 이점이 있다.According to the present invention, the hydrogen detecting metal is fixed using the fixing bracket, and the optical fiber strain sensor and the temperature compensating sensor are attached to the surface of the hydrogen detecting metal, thereby enabling accurate measurement.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서를 포함한 FBG 수소 탐지장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서의 사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서의 정단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서의 동작 흐름도.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic block diagram of an FBG hydrogen detection device including an FBG hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention;
2 is a perspective view of an FBG hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention,
3 is a front sectional view of an FBG hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention,
4 is an operational flow diagram of an FBG hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에서 제시된 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들로 한정 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The specific structure or functional description presented in the embodiment of the present invention is merely illustrative for the purpose of describing an embodiment according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention can be implemented in various forms. It is to be understood that the invention is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference numerals in the drawings denote members performing substantially the same function.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서를 포함한 FBG 수소 탐지장치의 개략적인 구성도, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서의 사시도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서의 정단면도이다.2 is a perspective view of an FBG hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view of an FBG hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention. 1 is a front cross-sectional view of an FBG hydrogen sensor according to an embodiment.

도 1 내지 도 3에 예시된 것과 같이 FBG 수소 센서(200)는, 광섬유(100)를 이용하여 광학적 방법으로 수소를 검출할 수 있다. FBG 수소 센서(200)는, 코어 주위를 감싼 클래드층으로 이루어진 광섬유(100)의 외면에 길이방향에 일정 간격마다 구비될 수 있다.As illustrated in FIGS. 1 to 3, the FBG hydrogen sensor 200 can detect hydrogen in an optical manner using the optical fiber 100. The FBG hydrogen sensor 200 may be provided on the outer surface of the optical fiber 100 composed of the clad layer wrapped around the core at regular intervals in the longitudinal direction.

도 2 내지 도 3에 예시된 것과 같이 FBG 수소 센서(200)는, FBG 수소 탐지 장치(10)의 일 구성으로써, 수소검출 금속(210), 센서 모듈(220)을 포함하여 구성될 수 있다. 더 나아가 FBG 센서 지지부재(231)(232)와 고정 브래킷(240)을 포함하여 구성될 수 있다.2 to 3, the FBG hydrogen sensor 200 may be configured to include the hydrogen detecting metal 210 and the sensor module 220 as one configuration of the FBG hydrogen detecting device 10. [ And may further include an FBG sensor supporting member 231 (232) and a fixing bracket 240. [

수소검출 금속(210)은, 광섬유(100)의 길이방향을 따라 일 측에 구비될 수 있다. 수소검출 금속(210)은, 광섬유(100)의 일 측에 FBG 센서 지지부재(231)(232)로 고정시켜 FBG 수소 센서(200)에 설치될 수 있다. 수소검출 금속(210)은, 높은 수소검출 속도와 반응감도를 갖기 위하여 판 형상 내지 박막 형태일 수 있다.The hydrogen detecting metal 210 may be provided on one side along the longitudinal direction of the optical fiber 100. The hydrogen detecting metal 210 may be installed on the FBG hydrogen sensor 200 by being fixed to the FBG sensor supporting members 231 and 232 on one side of the optical fiber 100. The hydrogen detecting metal 210 may be in the form of a plate or a thin film to have a high detection rate of hydrogen and a sensitivity of reaction.

수소검출 금속(210)은, 팔라듐(Pd, Palladium)이나 팔라듐(Pd)을 포함한 합금일 수 있다. 수소검출 금속(210)은 팔라듐(Pd)을 포함한 합금으로써, 팔라듐(Pd)에 니켈, 은 및 크롬 중 적어도 1종의 금속을 포함할 수 있다.The hydrogen detecting metal 210 may be an alloy containing palladium (Pd) or palladium (Pd). The hydrogen detecting metal 210 is an alloy including palladium (Pd), and may include at least one metal of nickel, silver and chromium in palladium (Pd).

팔라듐(Pd)은, 격자 결정체 구조로 수소에 대한 선택성이 높아 수소 흡장 시 체적이 팽창할 수 있다. 팔라듐(Pd)은, 수소 흡장에 따라 팽창되어 광섬유(100) 내 광섬유 변형률 센서(221)의 브래그 격자(220) 간격의 변형을 가져오고, 격자 간격의 변형에 의해 발생되는 브래그(Bragg) 파장 변화, 즉 광섬유 변형률 센서(221)의 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 특정 반사파(Bragg 파장영역) 변화를 계측함으로써, 수소를 검출할 수 있다.Palladium (Pd) has a lattice-crystalline structure and is highly selective for hydrogen, so that the volume can expand when hydrogen is occluded. Palladium (Pd) expands due to the hydrogen occlusion, causing deformation of the interval of the Bragg grating 220 of the optical fiber strain sensor 221 in the optical fiber 100, and the Bragg wavelength change (Bragg wavelength region) reflected from the optical fiber Bragg grating of the optical fiber strain sensor 221, thereby detecting hydrogen.

팔라듐(Pd)을 포함한 합금은, 고농도 수소 기체에 대한 불가역적인 물질 특성 변화를 억제시키는 데 유리할 수 있다. 즉, 순수한 팔라듐(Pd)과 달리 고농도의 수소 기체가 있는 경우 불가역적인 물질 특성 변화로, FBG 수소 센서(200) 주변에 수소 기체가 없어도, 수소 기체를 올바르게 검출할 수 있다.Alloys containing palladium (Pd) may be advantageous to inhibit irreversible changes in material properties to high-concentration hydrogen gas. That is, unlike pure palladium (Pd), when there is a high concentration of hydrogen gas, the irreversible change of the material characteristic enables the hydrogen gas to be correctly detected even without the hydrogen gas around the FBG hydrogen sensor 200.

위와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 흡장에 따라 팽창특성을 가지는 수소검출 금속(210)을 사용함으로써, 직접 전기가 흐를 필요가 없어 전기방전에 의한 수소폭발 위험을 줄일 수 있는 이점이 있다.
As described above, by using the hydrogen detecting metal 210 having the expansion characteristic according to the hydrogen occlusion according to an embodiment of the present invention, there is no need to directly flow electricity, which is advantageous in reducing the risk of hydrogen explosion by electric discharge.

도 2 내지 도 3에 예시된 것과 같이 센서 모듈(220)은, 수소검출 금속(210)의 상면에 수평 방향으로 수소검출 금속(210)에 나란하게 구비될 수 있다. 센서 모듈(220)은, 광섬유 변형률 센서(221)와 온도보상 센서(222)를 포함할 수 있다. 더 나아가 광섬유 변형률 센서(221)와 온도보상 센서(222)를 내부에 수용하는 FBG 센서 보호관(223)을 더 포함하여 구성될 수 있다.2 to 3, the sensor module 220 may be provided on the upper surface of the hydrogen sensing metal 210 in parallel with the hydrogen sensing metal 210 in the horizontal direction. The sensor module 220 may include an optical fiber strain sensor 221 and a temperature compensation sensor 222. And further includes an FBG sensor protection pipe 223 for accommodating the optical fiber strain sensor 221 and the temperature compensation sensor 222 therein.

FBG 수소 센서(200)의 작동원리에 있어서, 광섬유(100)에 광대역의 레이저를 입광시키면 광섬유(100)의 코어에 위치한 회절격자(Grating)에서 특정 파형의 파장을 반사, 나머지는 통과하는데, 그 반사된 특정 파장을 브래그(Bragg) 파장이라 한다. FBG 수소 센서(200)는, 광섬유(100) 케이블 당 10 내지 30개로 제한되고 있으나, 다만 이 경우에도 시간분할 다중방법(TDM, Time Division Multiplexer) 내지 광주파수 영역의 반사측정법(OFDR, Optical Frequency Domain Reflectometry) 등을 이용함으로써 다수의 방법으로 측정할 수 있다. In the operation principle of the FBG hydrogen sensor 200, when a wide-band laser beam is incident on the optical fiber 100, the wavelength of a specific waveform is reflected by the grating located in the core of the optical fiber 100, The specific wavelength reflected is called a Bragg wavelength. The FBG hydrogen sensor 200 is limited to 10 to 30 per 100 cables of the optical fiber. However, in this case, the FBG hydrogen sensor 200 may be a time division multiplexer (TDM) Reflectometry) can be used.

그 중 광섬유 변형률 센서(221)는, FBG 센서로, 수소 흡장에 따라 수소검출 금속(210)의 팽창 시 광섬유(100) 코어의 회결격자와 굴절률이 변화하므로 결과적으로 브래그(Bragg) 파장이 변동하는데, 그 브래그(Bragg) 파장의 변동값을 이용하여 센서로 활용할 수 있다.Among them, the FBG sensor 221 is an FBG sensor, and when the hydrogen detecting metal 210 expands due to the hydrogen occlusion, the refractive index and the refractive index of the core of the optical fiber 100 change. As a result, the Bragg wavelength fluctuates , And the variation value of the Bragg wavelength can be used as a sensor.

도 2 내지 도 3에 예시된 것과 같이 광섬유 변형률 센서(221)는, 수소검출 금속(210)이 팽창하여 길이방향으로 신장되면 그에 따라 광섬유 변형률 센서(221)의 파장도 장파장으로 이동하게 되며, 수소가 빠져나가 수소검출 금속(210)이 수축하게 되면 다시 단파장으로 이동하게 되므로, 광섬유 변형률 센서(221)의 파장이 한계치 이상 장파장으로 이동함에 따라 수소농도 값을 예측할 수 있다.As illustrated in FIGS. 2 to 3, when the hydrogen detecting metal 210 expands and extends in the longitudinal direction, the optical fiber strain sensor 221 moves to the longer wavelength of the optical fiber strain sensor 221, And the hydrogen sensing metal 210 moves to a short wavelength again when the hydrogen sensing metal 210 is contracted. Therefore, the hydrogen concentration value can be predicted as the wavelength of the optical fiber strain sensor 221 moves to a long wavelength longer than the limit value.

광섬유 변형률 센서(221)는, 환봉 형태일 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니다. 더 나아가 광섬유 변형률 센서(221)는, 구조적으로 변형이 일어날 수 있고, 내열성 또는 내방사선 효능을 구비함으로써, 고온 내지 고방사선 환경 하에서 강한 내성을 가져 충분히 수소 계측이 가능할 수 있다.The optical fiber strain sensor 221 may be in the form of a round bar, but is not limited thereto. Further, the optical fiber strain sensor 221 can be structurally deformed, and has heat resistance or radiation resistance, so that it can have a sufficient resistance under a high temperature to high radiation environment to enable sufficient hydrogen measurement.

광섬유 변형률 센서(221)는, FBG 센서 지지부재(231)(232)와 고정 브래킷(240)에 의해 수소검출 금속(210)에 고정 결합될 수 있다.The optical fiber strain sensor 221 can be fixedly coupled to the hydrogen detecting metal 210 by the FBG sensor supporting members 231 and 232 and the fixing bracket 240. [

광섬유 변형률 센서(221)는 길이방향으로 팽팽한 상태로 유지되도록 수소검출 금속(210)에 구비될 수 있다. 광섬유(100)는 기 설정된 초기 인장길이만큼 팽팽하게 잡아당겨진 상태로 설치될 수 있다. 수소검출 금속(210)의 수소 흡장 및 온도 변화에 따라 광섬유 변형률 센서(221)에 처짐이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.
The optical fiber strain sensor 221 may be provided on the hydrogen detecting metal 210 so as to be kept in a state of being stretched in the longitudinal direction. The optical fiber 100 may be installed in a state in which it is stretched by a predetermined initial tension length. And to prevent deflection of the optical fiber strain sensor 221 from occurring due to hydrogen occlusion and temperature change of the hydrogen detecting metal 210.

도 2 내지 도 3에 예시된 것과 같이 온도보상 센서(222)는, FBG 센서로, 광섬유 변형률 센서(221)의 일 측에 나란하게 구비되어 센서 모듈(220) 내 다층 구조를 형성할 수도 있다. 또한 온도보상 센서(222)는, 수소검출 금속(210)의 부피 팽창에 의한 변화(인장력)에는 반응하지 않으며, 광섬유 변형률 센서(221)와 독립적으로 분리 설치될 수 있다. 온도보상 센서(222)는, 수소검출 금속(210)의 변형률 계측지점의 온도 변화값을 보상해주기 위한 것으로, 광섬유 변형률 센서(221)와 동일한 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 온도보상 센서(222)는, 온도 변화에 의한 광섬유(100) 코어의 회절격자와 굴절률 변화로 브래그(Bragg) 파장이 변동하므로, 온도에 따른 파장변화를 보상해주기 위해 변화된 파장값을 측정하는 센서로 이용될 수 있다.2 to 3, the temperature-compensated sensor 222 may be an FBG sensor, and may be provided on one side of the optical fiber strain sensor 221 to form a multi-layer structure in the sensor module 220. Also, the temperature-compensated sensor 222 does not respond to the change (tensile force) due to the volume expansion of the hydrogen detecting metal 210, and can be separately installed from the optical fiber strain sensor 221. The temperature compensating sensor 222 compensates for the temperature change of the strain measuring point of the hydrogen detecting metal 210 and is preferably provided at the same position as the optical fiber strain sensor 221. The temperature compensating sensor 222 is a sensor for measuring a wavelength value changed to compensate for a wavelength change due to a change in Bragg wavelength due to a diffraction grating and a refractive index change of the optical fiber 100 core due to a temperature change Can be used.

FBG 수소 센서(200)의 파장이 변화할 경우 수소검출 금속(210)의 변형에 따른 파장변화와 온도 변화에 따른 파장변화가 발생할 수 있다. 온도보상 센서(222)는, 온도 변화에 따른 파장변이의 측정오차를 줄이기 위해 온도에 의한 변화량을 보상할 수 있다.When the wavelength of the FBG hydrogen sensor 200 changes, a wavelength change due to the deformation of the hydrogen detection metal 210 and a wavelength change due to the temperature change may occur. The temperature compensation sensor 222 can compensate for the amount of change due to temperature in order to reduce the measurement error of the wavelength variation according to the temperature change.

온도보상 센서(222)는, 광섬유 변형률 센서(221)와 동일 형태의 형상일 수 있다. 더 나아가 온도보상 센서(222)는, 내열성 또는 내방사선 효능을 구비함으로써, 고온 내지 고방사선 환경 하에서 강한 내성을 가져 충분히 수소 계측이 가능할 수 있다.The temperature compensation sensor 222 may have the same shape as the optical fiber strain sensor 221. Furthermore, the temperature-compensated sensor 222 has heat resistance or resistance to radiation, so that it can be sufficiently resistant to hydrogen measurement under high temperature to high radiation environments.

위와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 변형률 센서(221)와 아울러 온도보상 센서(222)을 구비함으로써 온도 변화에 따른 파장 변경을 미연에 방지함으로써 정확하게 수소 검출할 수 있는 이점이 있다.
As described above, the optical fiber strain sensor 221 according to an embodiment of the present invention is provided with the temperature compensation sensor 222 as well as an advantage of precisely detecting the hydrogen by preventing the wavelength change according to the temperature change in advance.

도 2 내지 도 3에 예시된 것과 같이 FBG 센서 보호관(223)은, 하나의 라인으로써 SUS 304 등의 금속 재질로 이루어질 수 있다. FBG 센서 보호관(223)은, 광섬유 변형률 센서(221)와 온도보상 센서(222)를 내부에 수용할 수 있다. FBG 센서 보호관(223)은, 원통 형상의 관으로, 굽힘이나 외부충격으로부터 내부의 광섬유 변형률 센서(221)와 온도보상 센서(222)를 보호할 수 있다.
As illustrated in FIGS. 2 to 3, the FBG sensor protection pipe 223 may be made of a metal material such as SUS 304 as one line. The FBG sensor protection pipe 223 can house the fiber strain sensor 221 and the temperature compensation sensor 222 therein. The FBG sensor protection pipe 223 is a cylindrical pipe and can protect the internal fiber strain sensor 221 and the temperature compensation sensor 222 from bending or external impact.

FBG 센서 지지부재(231)(232)는, FBG 센서 보호관(223)을 양 끝단에서 물림 지지할 수 있다. 또한 FBG 센서 지지부재(231)(232)는, 고정 브래킷(240)에 의해 수소검출 금속(210)에 고정 결합되어, 수소검출 금속(210)의 신축에 따라 2 자유도 운동할 수 있다. FBG 센서 지지부재(231)(232)는, FBG 센서 보호관(223)의 양 끝단부에 서로 마주보며 각각 구비될 수 있다. FBG 센서 지지부재(231)(232)는, 고정 브래킷(240)의 자유단에 고정 결합될 수 있다.The FBG sensor support members 231 and 232 can support the FBG sensor protection pipe 223 at both ends. The FBG sensor supporting members 231 and 232 are fixedly coupled to the hydrogen detecting metal 210 by the fixing bracket 240 and can move in two degrees of freedom according to the elongation and contraction of the hydrogen detecting metal 210. The FBG sensor support members 231 and 232 may be provided on opposite ends of the FBG sensor protection pipe 223, respectively. The FBG sensor supporting members 231 and 232 can be fixedly coupled to the free end of the fixing bracket 240.

FBG 센서 지지부재(231)(232)는, 일단에는 삽입요홈(231)이 형성되고, 타단에는 고정용 돌기(232)가 형성마련 될 수 있다. 삽입요홈(231)은, FBG 센서 보호관(223)의 끝단부 일 측이 내삽되도록 FBG 센서 지지부재(231)(232)의 일단에 형성 마련될 수 있다. 고정용 돌기(232)는, 고정 브래킷(240)에 의해 수소검출 금속(210)에 고정 결합되도록 삽입요홈(231) 형성부의 타단에 구비될 수 있다. The FBG sensor support members 231 and 232 may have insertion grooves 231 at one end and fixing protrusions 232 at the other end. The insertion groove 231 may be formed at one end of the FBG sensor support members 231 and 232 so that one end of the FBG sensor protection pipe 223 is inserted. The fixing protrusion 232 may be provided at the other end of the insertion groove 231 forming portion so as to be fixedly coupled to the hydrogen detecting metal 210 by the fixing bracket 240.

FBG 센서 지지부재(231)(232)는, 구조적으로 광섬유 변형률 센서(221)와 일체화되어 결합하나, 수소검출 금속(210)이 수소 흡장 시에는 광섬유 변형률 센서(221)와 분리될 수 있다. FBG 센서 지지부재(231)(232)는, 광섬유 변형률 센서(221)와 분리되어 있어, 선택적 분리에 따라 변형률을 직접적으로 계측할 수 있다.The FBG sensor support members 231 and 232 are structurally combined with the optical fiber strain sensor 221 so that they can be separated from the optical fiber strain sensor 221 when the hydrogen detection metal 210 is loaded with hydrogen. The FBG sensor support members 231 and 232 are separated from the optical fiber strain sensor 221 and can directly measure the strain according to selective separation.

FBG 센서 지지부재(231)(232)는, 수소검출 금속(210)의 길이가 L에서 L + △L로 변화할 경우 고정 브래킷(240)로 수소 흡장 시 수수검출 금속(200)의 신장에 대응되어 같이 2 자유도 운동하게 됨으로써, 대기 중 수소의 일정량 이상의 수소 검출에 따른 미세 변형률을 정확하게 측정할 수 있다.FBG sensor support member 231, 232, corresponding to the height of the hydrogen detecting metal when the length of the 210 changes from L to L + △ L during hydrogen occlusion by the fixed bracket 240, sorghum detecting metal 200 So that the micro-strain due to the detection of hydrogen over a certain amount of hydrogen in the atmosphere can be accurately measured.

위와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 센서 지지부재(231)(232)를 구비함으로써, 광섬유(100) 외면에 수소검출 금속(210)의 부착이 용이한 이점이 있다.
The provision of the FBG sensor supporting members 231 and 232 according to an embodiment of the present invention makes it possible to easily attach the hydrogen detecting metal 210 to the outer surface of the optical fiber 100.

고정 브래킷(240)은, FBG 센서 지지부재(231)(232)를 수소검출 금속(210)에 대해 직교하도록 수직방향으로 고정 체결하여, 센서 모듈(220)을 지지 고정할 수 있다. 고정 브래킷(240)은, 수소검출 금속(210)에 광섬유 변형률 센서(221)와 온도보상 센서(222)를 지지 고정시킬 수 있다. 고정 브래킷(240)은, 수소검출 금속(210)과 광섬유 변형률 센서(221), 온도보상 센서(222)가 순차적으로 적층되어 다층 구조로 배치되는 것이 바람직하다.The fixing bracket 240 can fix and support the sensor module 220 by fixing the FBG sensor supporting members 231 and 232 in the vertical direction so as to be perpendicular to the hydrogen detecting metal 210. [ The fixing bracket 240 can support and fix the optical fiber strain sensor 221 and the temperature compensation sensor 222 to the hydrogen detecting metal 210. [ It is preferable that the fixing bracket 240 is disposed in a multilayer structure in which the hydrogen detecting metal 210, the optical fiber strain sensor 221, and the temperature compensation sensor 222 are sequentially stacked.

고정 브래킷(240)은, 하단이 수소검출 금속(210)에 고정되어 결합될 수 있다. 고정 브래킷(240)은, 각각 기 설정된 거리값, 센서 모듈(220)의 길이만큼 이격 구비되어, 센서 모듈(220)의 양단을 지지 고정할 수 있다.The lower end of the fixing bracket 240 can be fixedly coupled to the hydrogen detecting metal 210. The fixing bracket 240 is spaced apart from the sensor module 220 by a preset distance value and can support and fix both ends of the sensor module 220.

위와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 고정 브래킷(240)을 이용해 수소검출 금속(210)을 고정시키되 수소검출 금속(210)의 표면에 광섬유 변형률 센서(221)와 온도보상 센서(222)를 부착하여 정밀 측정이 가능한 이점이 있다.As described above, the hydrogen detecting metal 210 is fixed using the fixing bracket 240 according to an embodiment of the present invention, and the optical fiber strain sensor 221 and the temperature compensating sensor 222 are attached to the surface of the hydrogen detecting metal 210 So that there is an advantage that precise measurement can be performed.

위와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서(200)는 수소 저장에 의해 팽창 특성을 가지는 팔라듐과 같은 수소검출 금속(210)을 이용한 FBG 수소 센서(200)의 브래그(Bragg) 파장 변화로 변환함으로써 수소검출의 정확성을 향상시킨 이점이 있다.
As described above, the FBG hydrogen sensor 200 according to one embodiment of the present invention is a Bragg wavelength change of the FBG hydrogen sensor 200 using the hydrogen detecting metal 210 such as palladium having expansion characteristics by storing hydrogen. There is an advantage that the accuracy of the hydrogen detection is improved.

도 1에 예시된 것과 같이 광센싱 인터로게이터(300)는, 센서 모듈(220)과 연결될 수 있따. 광센싱 인터로게이터(300)는, 1번 채널에서 광섬유 변형률 센서(221)로 수소검출 금속(210)의 변형에 의한 브래그(Bragg) 파장 변화를 측정하고, 또다른 2번 채널로는 온도보상 센서(222)에 의해 외부 온도변화에 따른 브래그(Bragg) 파장 변화를 측정할 수 있다. 이 경우 광섬유 변형률 센서(221)와 온도보상 센서(222)에서 반사되는 브래그(Bragg) 파장의 범위는 약 1,510~1,590nm이며, 광센싱 인터로게이터(300)의 성능에 따라 1,600nm 이상으로 확장 가능하다.The light sensing interrogator 300, as illustrated in FIG. 1, may be coupled to the sensor module 220. The optical sensing interrogator 300 measures the Bragg wavelength change due to the deformation of the hydrogen detecting metal 210 from the channel 1 to the optical fiber strain sensor 221, The sensor 222 can measure a Bragg wavelength change according to an external temperature change. In this case, the range of the Bragg wavelength reflected from the optical fiber strain sensor 221 and the temperature compensation sensor 222 is about 1,510 to 1,590 nm, and it is expanded to 1,600 nm or more according to the performance of the optical sensing interrogator 300 It is possible.

광섬유 변형률 센서(221)와 온도보상 센서(222)와 연결되는 채널은 서로 상이하므로 브래그(Bragg) 파장이 겹치더라도 측정하는데 독립적이어서 서로 영향을 받지 않을 수 있다.Since the channels connected to the optical fiber strain sensor 221 and the temperature compensation sensor 222 are different from each other, even if the Bragg wavelengths overlap, they may be independent of measurement and may not be influenced by each other.

도 1에 예시된 것과 같이 데이터 수집부(400)는, 광센싱 인터로게이터(300)에서 측정한 파장변화값을 저장 및 분석할 수 있다. 데이터 수집부(400)는, 분석된 파장변화값을 통해 수소검출여부를 모니터(미도시)로 제공할 수 있다.
As illustrated in FIG. 1, the data collecting unit 400 may store and analyze the wavelength change value measured by the optical sensing interrogator 300. The data collecting unit 400 may monitor whether the hydrogen is detected through the analyzed wavelength change value (not shown).

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 탐지 장치(1)의 동작 상태를 상세히 설명한다.Hereinafter, the operating state of the FBG hydrogen detection device 1 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 FBG 수소 센서의 동작 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating an operation of the FBG hydrogen sensor according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 것과 같이 대기 중에 수소 노출로 수소농도가 상승하면(S1) 수소검출 금속(210)이 수소를 흡장하여 변형, 즉 부피 팽창될 수 있다.(S2) 수소검출 금속(210)의 부피 팽창으로 인해, 수소검출 금속(210)에 고정 브래킷(240)으로 결합된 FBG 센서 지지부재(231)(232) 간 길이방향으로 인장력이 발생하여, FBG 센서 지지부재(231)(232) 간 변위를 측정할 수 있다.(S3)4, when the hydrogen concentration rises due to hydrogen exposure in the atmosphere (S1), the hydrogen detecting metal 210 can absorb hydrogen and deform or expand (expand). (S2) A tensile force is generated in the longitudinal direction between the FBG sensor supporting members 231 and 232 coupled to the hydrogen detecting metal 210 by the fixing bracket 240 and the FBG sensor supporting members 231 and 232 The displacement can be measured. (S3)

이와 별도로 FBG 수소 센서(200) 내 브래그(Bragg) 파장 변화에 있어서, 온도 변화가 발생한 경우 대기 중 온도 변화에 따른 파장 변화값을 고려하기 위하여 온도보상 센서(222)를 작동시킬 수 있다. 즉 온도보상 센서(222)로 온도에 의한 파장 변화값을 측정할 수 있다.(S4)Apart from this, in the Bragg wavelength change in the FBG hydrogen sensor 200, when the temperature change occurs, the temperature compensation sensor 222 can be operated to take into account the wavelength change value according to the atmospheric temperature change. That is, the wavelength change value due to temperature can be measured by the temperature compensation sensor 222. (S4)

온도변화에 따른 브래그(Bragg) 파장 변화될 경우, 온도에 의한 파장 변화값을 광센싱 인터로게이터(400)를 통해 데이터 수집부(500)에서 수집할 수 있다.(S5)When the Bragg wavelength is changed according to the temperature change, the wavelength change value due to the temperature can be collected in the data collecting unit 500 through the optical sensing interrogator 400. (S5)

데이터 수집부(500)에서는 측정된 변위 측정값에서, 온도보상 센서(222)로 측정된 파장 변위 값만큼 보정할 수 있다.(S5)The data acquisition unit 500 can correct the measured displacement value by the wavelength displacement value measured by the temperature compensation sensor 222. (S5)

순수하게 수소검출 금속(210)의 변형에 의해 측정한 변위 측정값을 검출한 수소량으로 환산할 수 있다.(S6)
The displacement measurement value measured by the deformation of the hydrogen detecting metal 210 can be converted into the detected hydrogen amount. (S6)

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the inventions. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

10 : FBG 수소 탐지 장치
100 : 광섬유
200 : FBG 수소 센서 210 : 수소검출 금속
220 : 센서 모듈 221 : 광섬유 변형률 센서
222 : 온도보상 센서 223 : FBG 센서 보호관
231, 232 : FBG 센서 지지부재 231 : 삽입요홈
232 : 고정용 돌기
240 : 고정 브래킷
300 : 광센싱 인터로게이터
400 : 데이터 수집부10: FBG hydrogen detectors
100: Optical fiber
200: FBG hydrogen sensor 210: hydrogen detection metal
220: Sensor module 221: Fiber strain sensor
222: Temperature compensating sensor 223: FBG sensor protecting tube
231, 232: FBG sensor supporting member 231: insertion groove
232: Fixing projection
240: Retaining bracket
300: Optical sensing interrogator
400: Data collecting unit

Claims (6)

광섬유의 길이방향을 따라 일 측에 구비된 수소검출 금속; 및
상기 수소검출 금속의 상면에 수평 방향으로 나란하게 구비된 센서 모듈;을 포함하는, FBG 수소 센서.A hydrogen detecting metal provided on one side along the longitudinal direction of the optical fiber; And
And a sensor module provided in parallel on the upper surface of the hydrogen detecting metal in a horizontal direction. 제1항에 있어서,
상기 수소검출 금속은 판 형상인 것을 특징으로 하는, FBG 수소 센서.The method according to claim 1,
Wherein the hydrogen detecting metal is plate-shaped. 제1항에 있어서,
상기 수소검출 금속은 팔라듐 또는 팔라듐에 니켈, 은 및 크롬 중 어느 하나가 포함된 합금인 것을 특징으로 하는, FBG 수소 센서.The method according to claim 1,
The hydrogen detecting metal may be palladium or palladium Nickel, silver, and chromium. ≪ RTI ID = 0.0 > 21. < / RTI > 제1항에 있어서,
상기 센서 모듈은,
광섬유 변형률 센서; 및
상기 광섬유 변형률 센서의 일 측에 나란하게 구비된 온도보상 센서;인 것을 특징으로 하는, FBG 수소 센서.The method according to claim 1,
The sensor module includes:
Fiber strain sensor; And
And a temperature compensating sensor provided on one side of the optical fiber strain sensor. 제4항에 있어서,
상기 센서 모듈의 양단을 물림 지지하는 FBG 센서 지지부재;를 더 포함하며,
상기 FBG 센서 지지부재는,
상기 센서 모듈의 일 측이 내삽되도록 일단에 삽입요홈이 형성되고, 타단은 고정 브래킷에 의해 상기 수소검출 금속에 고정되는 고정용 돌기가 구비된 것을 특징으로 하는, FBG 수소 센서.5. The method of claim 4,
And an FBG sensor supporting member for supporting both ends of the sensor module,
Wherein the FBG sensor support member comprises:
Wherein an insertion groove is formed at one end of the sensor module so that one side of the sensor module is inserted and the other end is provided with a fixing protrusion fixed to the hydrogen detecting metal by a fixing bracket. 제5항에 있어서,
상기 고정 브래킷은,
하단이 상기 수소검출 금속에 고정되며, 상기 센서 모듈의 길이만큼 이격되어 상기 센서 모듈의 양단을 지지 고정하는 것을 특징으로 하는, FBG 수소 센서.6. The method of claim 5,
The fixing bracket includes:
And a lower end fixed to the hydrogen detecting metal and spaced apart from the sensor module by the length of the sensor module to support and fix both ends of the sensor module.
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