KR20180081347A - 캔틸레버 보 구조의 광섬유 센서 모듈을 포함하는 광섬유 센서 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 광섬유 센서 시스템은 세 개의 광섬유가 삼각형 모양으로 결합되어 있고, 상기 세 개의 광섬유는 각각 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하며, 상기 세 개의 광섬유의 일단이 고정 지지단에 고정되어 있고, 타단이 자유단으로 되어 있는 형태인 캔틸레버 보(cantilever beam) 구조의 광섬유 센서 모듈, 상기 광섬유 센서 모듈에 둘 이상의 주파수 대역의 광 신호를 송신하고, 상기 광섬유 센서 모듈에서 반사되는 광 신호를 수신하기 위한 광원 송수신 장치, 상기 광섬유 센서 모듈과 상기 광원 송수신 장치를 전기적으로 연결시켜주기 위한 커플러 및 상기 광원 송수신 장치에서 수신한 광 신호를 분석하여 상기 광섬유 센서 모듈에서 감지한 물리량을 산출하는 컴퓨터를 포함한다. 본 발명에 의하면, 다양한 물리량을 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
Description
본 발명은 광섬유 센서 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캔틸레버 보 구조의 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 광섬유 센서 시스템에 관한 것이다.
항공, 선박, 열차, 자동차 등 수송기계 분야와 다양한 기계 설비 구조물과, 사회기반 구조물의 안전 계측을 위한 다양한 계측시스템이 사용되며, 각 적용 분야에 적합한 센서의 개발이 필요하다.
기존의 계측 시스템은 전자기 기반의 센서가 주류를 이루고 있다. 그러나, 전자기 기반의 센서는 전자기학적 잡음이 심한 환경, 초고온, 초저온, 초고압 등 극한 환경에서의 그 사용에 제약이 있으며, 초대형 구조물 그리고 원거리 계측에 있어 그 한계점이 존재한다. 예를 들어, 교량, 빌딩 등 구조물의 응력은 구조물의 상태를 평가하기 위하여 매우 중요한 측정항목이며, 일반적으로 구조물의 응력은 스트레인 게이지를 이용하여 변형률(strain)을 측정한 다음 탄성계수를 곱하여 응력으로 환산한다. 이러한 변형률 측정을 위하여 종래에는 전기저항식 변형률 게이지를 많이 사용하였으나, 전기저항식 센서류는 케이블 길이에 따라서 노이즈가 증가되는 단점이 있어, 대형 구조물 측정시 많은 단점을 내포하고 있으며, 장기 계측시 자기열 효과에 의하여 센싱부가 부식되는 등 장기적인 내구성에 적지 않은 문제점이 있었다. 또한, 하나의 센서마다 각각 수십에서 수백 미터의 케이블 포설이 필요하기 때문에 많은 인력이 필요할 뿐만 아니라, 획득된 신호의 품질도 양호하지 못한 단점이 있었다. 따라서 최근 고성능화를 위해 광학 기반의 센서 개발이 활발히 이루어지고 있다.
광섬유 센서는 기본적으로 광섬유를 기반으로 제작된 센서로서, 직경이 250 마이크로미터의 얇은 가닥 형태로 되어 있으며, 센서의 소형화가 가능하며, 유리 재질로 제작되어, 전자기학적 노이즈 및 부식에 강하고, 신호의 왜곡 없이 원거리 모니터링이 가능하다는 장점을 갖고 있다.
현재, 광섬유 센서(Optical Fiber Sensor)로 응응하여 활발한 연구가 진행되고 있는 광섬유 브래그 격자(FBG: Fiber Bragg Grating)는 광섬유 레이저 및 필터, 펄스압축 등에 이용되고 있다.
광섬유 브래그 격자(FBG) 센서의 장점은 단일 센서를 이용한 측정뿐만 아니라, 단일 광섬유 안에 여러 개의 센서를 삽입하여 여러 지점의 물리적 변화량을 측정할 수 있고, 센서에서 반사되어 돌아온 파장을 측정하기가 용이하다는 것이다.
광섬유 브래그 격자 센서는 광케이블에 특정파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시켜 인장-압축 또는 온도변화에 따라서 반사되는 파장이 달라지기 때문에, 초기 파장에서 변화된 반사파장의 변화량을 인장-압축 또는 온도로 환산함으로써 센서로서 활용하는 것으로, 하나의 케이블에 파장이 다른 여러 개의 센서를 동시에 설치할 수 있어 멀티플레싱이 가능하고, 빛이 소스이기 때문에 케이블 길이가 길어진다 하더라도 신호에 노이즈 및 왜곡이 발생되지 않으며, 수십 km까지 증폭기 없이 신호를 전달할 수 있는 장점이 있다. 또한, 전자기파에 영향이 거의 없으며, 유리재질이기 때문에 습기 등에 의한 부식의 영향이 거의 없어 장기적인 내구성이 매우 뛰어난 센서이다.
광섬유 브래그 격자 센서는 광섬유 코어 안에 주기적인 굴절률을 만들어 구성하며, 외부의 물리적 변화에 의해 광섬유 브래그 격자(FBG) 센서에 의해 반사된 광신호의 중심 파장이 물리적 변화량만큼 변화한다. 따라서, 파장 변화량을 검출한다면 물리적 변화량을 계산할 수 있는 것이다.
기존의 광섬유 센서를 적용한 진동형 센서는 추가적인 진동 구조물이 필요하여 전체 센서 모듈의 소형화가 곤란하다는 문제점이 있다. 또한, 단일 광섬유 가닥을 이용해 단순보 구조 센서의 경우 센서의 민감도가 매우 낮고, 하중의 방향 검출이 불가능하다는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광학 기반의 소형화 및 고기능화가 가능한 캔틸레버 보 구조의 광섬유 센서 모듈을 포함하는 광섬유 센서 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 특히, 본 발명에서는 여러 개의 센서를 단순한 광학계로 동시에 구동할 수 있는 장점을 갖고 있는 광섬유 브래그 격자 센서를 활용한 소형 센서 시스템을 개발하는 것이다.
또한, 본 발명은 다양한 물리량 측정이 가능한, 광섬유 브래그 격자 센서를 이용한 캔틸레버 보 구조의 광섬유 센서 시스템을 제공하는데 그 다른 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 광섬유 센서 시스템은 세 개의 광섬유가 삼각형 모양으로 결합되어 있고, 상기 세 개의 광섬유는 각각 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하며, 상기 세 개의 광섬유의 일단이 고정 지지단에 고정되어 있고, 타단이 자유단으로 되어 있는 형태인 캔틸레버 보(cantilever beam) 구조의 광섬유 센서 모듈, 상기 광섬유 센서 모듈에 둘 이상의 주파수 대역의 광 신호를 송신하고, 상기 광섬유 센서 모듈에서 반사되는 광 신호를 수신하기 위한 광원 송수신 장치, 상기 광섬유 센서 모듈과 상기 광원 송수신 장치를 전기적으로 연결시켜주기 위한 커플러 및 상기 광원 송수신 장치에서 수신한 광 신호를 분석하여 상기 광섬유 센서 모듈에서 감지한 물리량을 산출하는 컴퓨터를 포함한다.
상기 광섬유 센서 모듈은, 상기 세 개의 광섬유의 각 코어들 사이의 각이 60°이고, 광섬유 브래그 격자 센서들이 상기 고정 지지단 근방에 각각 위치하는 것으로 구현할 수 있다.
상기 세 개의 광섬유를 각각 제1 광섬유, 제2 광섬유, 제3 광섬유라고 하고, 상기 제1 광섬유가 제1 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하고, 상기 제2 광섬유가 제2 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하고, 상기 제3 광섬유가 제3 광섬유 브래그 격자 센서를 포함한다고 할 때, 상기 컴퓨터는 상기 제1 내지 제3 광섬유 브래그 격자 센서에서 감지한 변형률을 이용하여, 상기 광섬유 센서 모듈에 가해진 힘의 크기와 방향을 측정할 수 있다.
상기 제1 광섬유 브래그 격자 센서에서 감지한 변형률을 ε1이라 하고, 상기 제2 광섬유 브래그 격자 센서에서 감지한 변형률을 ε2라 하고, 상기 제3 광섬유 브래그 격자 센서에서 감지한 변형률을 ε3이라 하고, 상기 제1 내지 제3 광섬유가 형성하는 삼각형 형태의 중심을 중점이라 할 때, 상기 중점으로부터 상기 제1 광섬유의 코어를 지나가는 가상의 선을 제1 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제2 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제2 광섬유의 코어를 지나가는 가상의 선을 제3 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제2 광섬유와 상기 제3 광섬유가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제4 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제3 광섬유의 코어를 지나가는 가상의 선을 제5 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제3 광섬유와 상기 제1 광섬유가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제6 라인이라 하고, 상기 제1 라인과 상기 제2 라인 사이의 공간을 제1 영역이라 하고, 상기 제2 라인과 상기 제3 라인 사이의 공간을 제2 영역이라 하고, 상기 제3 라인과 상기 제4 라인 사이의 공간을 제3 영역이라 하고, 상기 제4 라인과 상기 제5 라인 사이의 공간을 제4 영역이라 하고, 상기 제5라인과 상기 제6 라인 사이의 공간을 제5 영역이라 하고, 상기 제6라인과 상기 제1 라인 사이의 공간을 제6 영역이라 할 때, 상기 컴퓨터는, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제1 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제2 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제3 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제4 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제5 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제6 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제1 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제2 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제3 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제4 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제5 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제6 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단할 수 있다.
본 발명에 의하면, 캔틸레버 보 구조의 광섬유 센서 모듈을 포함하는 광섬유 센서 시스템을 제안함으로써, 다양한 물리량을 용이하게 측정할 수 있는 효과가 있다. 예를 들어, 캔틸레버 보의 자유단 끝단에 질량을 추가하여 진동자 가속도계 센서를 설계할 수 있고, 자유단 끝단에 자성체를 부착하여 자력량 측정 센서를 설계할 수 있고, 자유단 끝단에 자성체와 전자석을 결합하여 전자석에 입력되는 전류의 크기를 측정할 수 있는 센서를 설계할 수 있다.
또한, 본 발명은 세 개의 광섬유를 이용함으로써, 온도 변화에 따라 발생할 수 있는 오차를 제거하여, 보다 정밀하게 굽힘 하중을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 광섬유 브래그 격자 센서의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 광섬유 브래그 격자 센서 시스템의 동작과 파형을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유의 결합 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈에 가해지는 힘의 크기와 방향을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈에 가해지는 힘의 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 광섬유 브래그 격자 센서 시스템의 동작과 파형을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유의 결합 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈에 가해지는 힘의 크기와 방향을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈에 가해지는 힘의 방향을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 광섬유 브래그 격자 센서(Fiber bragg grating sensor, FBG sensor)의 구조와 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광섬유 브래그 격자 센서는 광섬유의 코어(Core)에 주기적인 격자를 만들고, 이에 따른 빛의 굴절률 변화를 이용한다. 즉, 브래그 격자에 광대역 광을 입사시키면 굴절률이 변하는 경계면에서 빛을 반사시키게 되는데, 브래그 조건(Bragg condition)에 해당하는 브래그 파장 λB의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 이 외 다른 파장의 빛은 브래그 격자를 통과하게 된다. 브래그 조건은 다음 수학식과 같다.
여기서, ne는 광섬유 격자의 유효 굴절률(effective refractive index)로서 빛이 광섬유 브래그 격자의 한 주기를 진행할 때의 평균 굴절률을 나타내며, Λ는 광섬유 코어에 새겨진 격자의 간격(grating period)을 의미한다.
즉, 수학식 1과 같은 브래그 조건(Bragg Condition)에 해당하는 브래그 파장 의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 이 외에 다른 파장의 빛은 통과하게 되는 것이다.
수학식 1로 나타낼 수 있는 광섬유 브래그 격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수로서, 광섬유 브래그 격자에 단거리 변형률 등의 외부 물리량을 가할 경우, 이들 값에 의하여 브래그 파장이 달라진다. 이 브래그 파장의 변화를 정밀하게 측정함으로써, 광섬유 격자에 가해진 미지의 물리량이 구해질 수 있다.
광섬유 브래그 격자 센서는 측정량이 브래그 반사 파장의 변화량이므로 측정이 간편하며, 광섬유 브래그 격자의 반사 파장의 선폭이 좁기 때문에 분해능이 높은 센서를 구성할 수 있다. 또한, 브래그 반사 파장이 서로 다른 광섬유들은 서로 영향을 받지 않으므로 하나의 광섬유를 이용한 다중점 측정이 가능하다.
광섬유 브래그 격자 센서는 한 가닥의 광섬유에 여러 개의 격자가 사용되는데, 이 경우, 각 격자의 반사 파장을 모두 다르게 함으로써, 반사된 광원의 스펙트럼으로부터 특정 격자가 겪는 물리량을 쉽게 구분할 수 있다. 이러한 방법을 파장 분할 방식이라 한다.
격자에서 반사되는 브래그 파장은 유효 굴절률과 격자 간격의 함수이며, 광섬유 브래그 격자 센서에 외부 물리량을 인가할 경우, 브래그 파장이 달라지므로, 브래그 파장의 변화를 측정한다면 광섬유 브래그 격자 센서에 인가된 물리량을 구할 수 있다.
광섬유 브래그 격자 센서의 가장 큰 응용 중의 하나는 구조물의 상태를 진단하는 것이다. 예를 들면, 교량, 댐, 건축물 등의 제작시에 콘크리트 내에 광섬유 센서를 포설하고, 구조물 내부의 인장 분포나 구부림 정도를 감지하여 구조물의 안전 상태를 진단할 수 있다.
도 2는 광섬유 브래그 격자 센서 시스템의 동작과 파형을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광대역 광원(210)에서 광대역 광을 광섬유(230)에 입사시키면, 굴절률이 변하는 경계면에서 빛이 반사되고, 이들 중 수학식 1과 같은 브래그 조건에 해당하는 브래그 파장 λB의 빛은 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되며, 그 외 다른 빛은 브래그 격자를 통과하여 전송된다.
광 검출기(220)는 브래그 격자를 통과하지 못하고 반사되는 빛을 검출하는 역할을 한다.
도 2에서, 입력 스펙트럼 파형(a), 브래그 격자를 통과하여 전송된 신호 파형(b), 반사된 신호 파형(c)이 도시되어 있다.
수학식 1은 유효 굴절률과 격자의 주기로 표시되는데, 이는 온도와 변형률의 함수라고 할 수 있으며, 광섬유 브래그 격자에 온도나 변형률 등의 외란이 가해지면 브래그 파장 λB가 변한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 변화된 브래그 파장 ΔλB를 측정함으로써 광섬유 격자에 가해진 온도나 변형률을 계산할 수 있으며, 이에 대한 수학식은 다음과 같다.
수학식 2에서 αf는 온도에 의한 광 섬유의 열팽창 계수(thermal expansion coefficient)이고, ξf는 온도에 의한 광 섬유의 굴절률 변화를 나타내는 열광학 계수(thermo-optic coefficient)이고, ρe는 광 탄성 계수로서, 다음 수학식 3의 관계를 갖는다.
여기서, ρ11과 ρ12는 변형률 광학 텐서(strain-optic constant)의 성분이고, n은 코어의 굴절률이고, υ는 광섬유의 프와송의 비(Poisson's ratio)이다. 광탄성 상수 ρe는 gemanosilicate glass의 경우 대략 0.22의 값을 가진다.
수학식 2 및 수학식 3을 이용하여 다음 수학식과 같이 온도와 변형률을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 시스템은 광섬유 센서 모듈(310), 커플러(coupler)(320), 광원 송수신 장치(330), 컴퓨터(340)를 포함한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유의 결합 구조를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 광섬유 센서 모듈(310)은 세 개의 광섬유(311, 312, 313)가 삼각형 모양으로 결합되어 있고, 세 개의 광섬유는 각각 광섬유 브래그 격자 센서(314, 315, 316)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 세 개의 광섬유(311, 312, 313)가 서로 미끌림이 발생하지 않도록 완전히 접합시킨다.
본 발명에서 광섬유 센서 모듈(310)은 세 개의 광섬유(311, 312, 313)의 일단이 고정 지지단(317)에 고정되어 있고, 타단이 자유단으로 되어 있는 형태인 캔틸레버 보(cantilever beam) 구조로 구현된다.
커플러(320)는 광섬유 센서 모듈(310)과 광원 송수신 장치(330)를 전기적으로 연결시켜주는 역할을 한다. 본 발명의 일 실시예에서 커플러(320)는 세 개의 광섬유(311, 312, 313)에 대응되도록 3×1 광 커플러가 사용될 수 있다.
광원 송수신 장치(330)는 광섬유 센서 모듈(310)에 둘 이상의 주파수 대역의 광 신호를 송신하고, 광섬유 센서 모듈(310)에서 반사되는 광 신호를 수신하는 역할을 한다.
컴퓨터(340)는 광원 송수신 장치(330)에서 수신한 광 신호를 분석하여 광섬유 센서 모듈(310)에서 감지한 물리량을 산출한다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 광섬유 센서 모듈(310)은 세 개의 광섬유(311, 312, 313)의 각 코어들 사이의 각이 60°이고, 광섬유 브래그 격자 센서들(314, 315, 316)이 고정 지지단(317) 근방에 각각 위치하도록 구현한다.
본 발명에서는 캔틸레버 보의 길이 방향을 기준으로, 자유단 끝단에서 수직 하중이 작용할 경우, 캔틸레버 보의 처짐이 발생하고, 이를 고정 지지단(317) 근처에 위치한 광섬유 브래그 격자 센서(314, 315, 316)에서 변형률로 감지하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈에 가해지는 힘의 크기와 방향을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에서는 세 가닥의 광섬유(311, 312, 313)와 광섬유 브래그 격자 센서(314, 315, 316)를 이용하여, 기하학적 위치 차이에 의해 서로 다른 세 개의 변형률(ε1, ε2, ε3)을 측정하게 되며, 그 차이의 함수 관계를 이용해 힘의 크기와 작용 방향을 계산할 수 있다.
도 4 내지 도 6에서, 본 발명에서 세 개의 광섬유를 각각 제1 광섬유(311), 제2 광섬유(312), 제3 광섬유(313)라고 하고, 제1 광섬유(311)가 제1 광섬유 브래그 격자 센서(314)를 포함하고, 제2 광섬유(312)가 제2 광섬유 브래그 격자 센서(315)를 포함하고, 제3 광섬유(313)가 제3 광섬유 브래그 격자 센서(316)를 포함하는 것으로 하면, 컴퓨터(340)는 제1 내지 제3 광섬유 브래그 격자 센서(314~316)에서 감지한 변형률을 이용하여, 광섬유 센서 모듈(310)에 가해진 힘의 크기와 방향을 측정한다.
본 발명에서 제1 광섬유 브래그 격자 센서(314)에서 감지한 변형률을 ε1이라 하고, 제2 광섬유 브래그 격자 센서(315)에서 감지한 변형률을 ε2라 하고, 제3 광섬유 브래그 격자 센서(316)에서 감지한 변형률을 ε3이라 하자.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유 센서 모듈에 가해지는 힘의 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 제1 내지 제3 광섬유가 형성하는 삼각형 형태의 중심을 중점이라 할 때, 중점으로부터 제1 광섬유(311)의 코어를 지나가는 가상의 선을 제1 라인이라 하고, 중점으로부터 제1 광섬유(311)와 제2 광섬유(312)가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제2 라인이라 하고, 중점으로부터 제2 광섬유(312)의 코어를 지나가는 가상의 선을 제3 라인이라 하고, 중점으로부터 제2 광섬유(312)와 제3 광섬유(313)가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제4 라인이라 하고, 중점으로부터 제3 광섬유(313)의 코어를 지나가는 가상의 선을 제5 라인이라 하고, 중점으로부터 제3 광섬유(313)와 제1 광섬유(311)가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제6 라인이라 하자.
그리고, 제1 라인과 제2 라인 사이의 공간을 제1 영역이라 하고, 제2 라인과 제3 라인 사이의 공간을 제2 영역이라 하고, 제3 라인과 제4 라인 사이의 공간을 제3 영역이라 하고, 제4 라인과 제5 라인 사이의 공간을 제4 영역이라 하고, 제5라인과 제6 라인 사이의 공간을 제5 영역이라 하고, 제6라인과 제1 라인 사이의 공간을 제6 영역이라 하자.
이때, 컴퓨터(340)는 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제1 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제2 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제3 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제4 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제5 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제6 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단한다.
그리고, 컴퓨터(340)는 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제1 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제2 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제3 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제4 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 제5 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고, 
이면, 광섬유 센서 모듈(310)에 상기 제6 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단한다.
본 발명은 광섬유 센서 자체가 캔틸레버 보 역할을 할 수 있는 구조로 구현하여 구조를 단순화하고 소형화할 수 있다.
본 발명에 의하면, 캔틸레버 보 구조의 광섬유 센서 모듈(310)을 포함하는 광섬유 센서 시스템을 제안함으로써, 다양한 물리량을 용이하게 측정할 수 있다. 예를 들어, 캔틸레버 보의 자유단 끝단에 질량을 추가하여 M-C-K 진동자 가속도계 센서를 설계할 수 있고, 자유단 끝단에 자성체를 부착하여 자력량 측정 센서를 설계할 수 있고, 자유단 끝단에 자성체와 전자석을 결합하여 전자석에 입력되는 전류의 크기를 측정할 수 있는 센서를 설계할 수 있다.
또한, 본 발명은 세 개의 광섬유를 이용함으로써, 온도 변화에 따라 발생할 수 있는 오차를 제거하여, 보다 정밀하게 굽힘 하중을 측정할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
310 광섬유 센서 모듈
320 커플러
330 광원 송수신 장치 340 컴퓨터
330 광원 송수신 장치 340 컴퓨터
Claims (4)
- 세 개의 광섬유가 삼각형 모양으로 결합되어 있고, 상기 세 개의 광섬유는 각각 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하며, 상기 세 개의 광섬유의 일단이 고정 지지단에 고정되어 있고, 타단이 자유단으로 되어 있는 형태인 캔틸레버 보(cantilever beam) 구조의 광섬유 센서 모듈;
상기 광섬유 센서 모듈에 둘 이상의 주파수 대역의 광 신호를 송신하고, 상기 광섬유 센서 모듈에서 반사되는 광 신호를 수신하기 위한 광원 송수신 장치;
상기 광섬유 센서 모듈과 상기 광원 송수신 장치를 전기적으로 연결시켜주기 위한 커플러; 및
상기 광원 송수신 장치에서 수신한 광 신호를 분석하여 상기 광섬유 센서 모듈에서 감지한 물리량을 산출하는 컴퓨터를 포함하는 광섬유 센서 시스템.
- 청구항 1에 있어서,
상기 광섬유 센서 모듈은,
상기 세 개의 광섬유의 각 코어들 사이의 각이 60°이고,
광섬유 브래그 격자 센서들이 상기 고정 지지단 근방에 각각 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
- 청구항 2에 있어서,
상기 세 개의 광섬유를 각각 제1 광섬유, 제2 광섬유, 제3 광섬유라고 하고, 상기 제1 광섬유가 제1 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하고, 상기 제2 광섬유가 제2 광섬유 브래그 격자 센서를 포함하고, 상기 제3 광섬유가 제3 광섬유 브래그 격자 센서를 포함한다고 할 때,
상기 컴퓨터는 상기 제1 내지 제3 광섬유 브래그 격자 센서에서 감지한 변형률을 이용하여, 상기 광섬유 센서 모듈에 가해진 힘의 크기와 방향을 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
- 청구항 4에 있어서,
상기 제1 광섬유 브래그 격자 센서에서 감지한 변형률을 ε1이라 하고, 상기 제2 광섬유 브래그 격자 센서에서 감지한 변형률을 ε2라 하고, 상기 제3 광섬유 브래그 격자 센서에서 감지한 변형률을 ε3이라 하고,
상기 제1 내지 제3 광섬유가 형성하는 삼각형 형태의 중심을 중점이라 할 때, 상기 중점으로부터 상기 제1 광섬유의 코어를 지나가는 가상의 선을 제1 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제1 광섬유와 상기 제2 광섬유가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제2 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제2 광섬유의 코어를 지나가는 가상의 선을 제3 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제2 광섬유와 상기 제3 광섬유가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제4 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제3 광섬유의 코어를 지나가는 가상의 선을 제5 라인이라 하고, 상기 중점으로부터 상기 제3 광섬유와 상기 제1 광섬유가 접한 면을 지나가는 가상의 선을 제6 라인이라 하고,
상기 제1 라인과 상기 제2 라인 사이의 공간을 제1 영역이라 하고, 상기 제2 라인과 상기 제3 라인 사이의 공간을 제2 영역이라 하고, 상기 제3 라인과 상기 제4 라인 사이의 공간을 제3 영역이라 하고, 상기 제4 라인과 상기 제5 라인 사이의 공간을 제4 영역이라 하고, 상기 제5라인과 상기 제6 라인 사이의 공간을 제5 영역이라 하고, 상기 제6라인과 상기 제1 라인 사이의 공간을 제6 영역이라 할 때,
상기 컴퓨터는,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제1 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제2 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제3 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제4 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제5 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제6 라인의 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제1 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제2 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제3 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제4 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제5 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하고,
이면, 상기 광섬유 센서 모듈에 상기 제6 영역 중 어느 방향으로 힘이 가해진 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 시스템.
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