KR20190134312A - 광학식 회전 속도 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
광학식 회전 속도 측정 장치 및 그 방법이 개시된다.
이 장치에서, 광 발생부는 광을 발생하고, 광 반사부는 광을 반사시키며, 광 검출부는 광 강도를 검출한다. 광 전달부는 상기 광 발생부로부터 발생된 광을 상기 광 반사부로 전달하고, 상기 광 반사부에 의해 반사되는 광을 상기 광 검출부로 전달하되, 광 전달시 상기 회전체의 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시킨다. 회전 속도 측정부는 상기 광 검출부에 의해 검출된 광 강도의 변화를 측정하고, 측정되는 상기 광 강도의 변화를 사용하여 상기 회전체의 회전 속도를 측정한다.
이 장치에서, 광 발생부는 광을 발생하고, 광 반사부는 광을 반사시키며, 광 검출부는 광 강도를 검출한다. 광 전달부는 상기 광 발생부로부터 발생된 광을 상기 광 반사부로 전달하고, 상기 광 반사부에 의해 반사되는 광을 상기 광 검출부로 전달하되, 광 전달시 상기 회전체의 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시킨다. 회전 속도 측정부는 상기 광 검출부에 의해 검출된 광 강도의 변화를 측정하고, 측정되는 상기 광 강도의 변화를 사용하여 상기 회전체의 회전 속도를 측정한다.
Description
본 발명은 광학식 회전 속도 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기상 관측 및 재해 안전 진단에 사용되는 회전 속도 측정 장치는 대부분이 전자기식 측정 방식을 사용하고 있다.
이러한 전자기식 측정 방식은 전자기적 잡음의 영향을 많이 받으며, 측정 센서와 데이터 로거와의 설치 거리가 제한된다. 따라서, 장거리 계측이 필요한 경우 전자기 신호의 증폭을 위한 별도의 장치들이 추가적으로 필요하다. 또한, 빗물이나 안개 등에 의한 수분 침투나 낙뢰 등이 발생될 수 있는 설치 환경 조건에서 측정 센서의 오작동 및 고장이 자주 발생하여 전자기식 측정 방식을 사용하는 회전 속도 측정 장치에 대한 유지 및 관리 비용이 많이 발생되는 문제점을 가지고 있다.
한편, 기존의 광섬유 센서(Fiber Bragg Grating, FBG)를 이용한 광학식 측정 방식에서는 센서로 사용되는 광섬유 센서(FBG)가 온도 변화에 민감하기 때문에 회전 속도 측정의 정확도 향상을 위해 온도 보상용 센서를 추가로 사용하거나, 외부 환경의 온도 변화에 영향을 받지 않도록 특수 패키지로 구성된 고가의 광섬유 센서를 사용하여야 하는 문제점이 있다. 또한, 광섬유 센서에 직접적으로 물리적 힘을 인가하여 광섬유 센서에서 반사되는 빛의 파장 변화를 발생시키는 구조를 가지고 있기 때문에 광섬유 센서의 내구성 및 신뢰성 확보가 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 회전체의 회전 속도 측정에 있어서 장거리 계측이 가능한 광학식 회전 속도 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 회전 속도 측정에 사용되는 센서의 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 광학식 회전 속도 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다른 물리량 측정을 위한 광섬유 센서의 연속 설치가 가능하고 광 측정 방식의 저가형 센서 제작이 가능한 광학식 회전 속도 측정 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 특징에 따른 회전 속도 측정 장치는,
회전체의 회전 속도를 측정하는 장치로서, 광을 발생하는 광 발생부, 광을 반사시키는 광 반사부, 광 강도를 검출하는 광 검출부, 상기 광 발생부로부터 발생된 광을 상기 광 반사부로 전달하고, 상기 광 반사부에 의해 반사되는 광을 상기 광 검출부로 전달하되, 광 전달시 상기 회전체의 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시키도록 상기 회전체에 결합되는 광 전달부, 그리고 상기 광 검출부에 의해 검출된 광 강도의 변화를 측정하고, 측정되는 상기 광 강도의 변화를 사용하여 상기 회전체의 회전 속도를 측정하는 회전 속도 측정부를 포함한다.
여기서, 상기 회전 속도 측정부는, 상기 광 검출부에 의해 검출되는 광 강도의 변화를 일정 시간 동안 측정하는 광 강도 변화 측정부, 상기 광 강도 변화 측정부에 의해 측정되는 광 강도 변화의 주파수를 획득하는 주파수 획득부, 그리고 상기 주파수 획득부에 의해 획득되는 주파수를 사용하여 상기 회전체의 회전 속도를 산출하는 회전 속도 산출부를 포함한다.
또한, 상기 주파수 획득부는 상기 광 강도 변화 측정부에 의해 일정 시간 동안 검출되는 광 강도 변화에 대해 푸리에 변환(Fourier Transform)을 사용하여 주파수를 획득한다.
또한, 상기 광 발생부로부터 발생한 광을 상기 광 전달부로 전달하고, 상기 광 전달부로부터 전달되는 광을 상기 광 검출부로 전달하는 광 결합부를 더 포함하고, 상기 광 전달부는, 상기 광 결합부에 연결되며 회전되지 않도록 고정된 고정자, 그리고 상기 광 반사부 및 상기 회전체에 연결되고, 상기 회전체의 회전에 따라 상기 고정자에 대하여 상대적으로 회전하는 회전자를 포함하는 광섬유 로터리 조인트(Rotary Joint)이다.
또한, 상기 회전자는 상기 회전자를 통과하는 광에 대해 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시킨다.
또한, 상기 광 발생부로부터 발생한 광을 상기 광 전달부로 전달하고, 상기 광 전달부로부터 전달되는 광을 상기 광 검출부로 전달하는 광 결합부를 더 포함하고, 상기 광 전달부는, 내부에 자유 공간을 형성하는 브라켓, 상기 브라켓의 일측에 형성되어 상기 광 결합부에서 전달되는 광을 평행광으로 만들어서 상기 자유 공간으로 입사시키는 제1 광섬유 콜리메이터(collimator), 상기 브라켓의 타측에 형성되며, 상기 자유 공간을 통해 상기 제1 광섬유 콜리메이터로부터 입사되는 광을 수신하여 상기 광 반사부로 전달하고, 상기 광 반사부에서 전달되는 광을 평행광으로 만들어서 상기 자유 공간을 통해 상기 제1 광섬유 콜리메이터로 입사시키는 제2 광섬유 콜리메이터, 그리고 회전축이 상기 회전체에 연결되어 상기 회전체의 회전에 따라 함께 회전하며, 상기 제1 광섬유 콜리메이터와 상기 제2 광섬유 콜리메이터 사이에 전달되는 평행광이 통과할 수 있도록 회전하는 일부가 상기 브라켓의 자유 공간 내에 위치하도록 형성된 광 감쇄기를 포함한다.
또한, 상기 광 감쇄기는 상기 회전하는 일부를 통과하는 광에 대해 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시킨다.
또한, 상기 광 반사부를 기준으로 상기 브라켓에 대칭되는 측에 연결되는 복수의 광섬유 센서를 더 포함하며, 상기 복수의 광섬유 센서 및 상기 광 반사부에서 반사되는 광의 파장이 서로 겹치지 않도록 상기 복수의 광섬유 센서 및 상기 광 반사부의 파장 특성이 결정된다.
또한, 상기 복수의 광 섬유 센서에서 반사되는 광들의 강도 변화를 각각 측정하여 상기 복수의 광 섬유 센서 각각에 대응되는 물리량을 측정한다.
본 발명의 다른 특징에 따른 회전 속도 측정 방법은,
회전 속도 측정 장치가 회전체의 회전 속도를 측정하는 방법으로서, 광 전달시 상기 회전체의 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시키는 광 전달부로 광을 입사시키는 단계, 상기 광 전달부의 후단에 연결된 광 반사부에 의해 반사되어 상기 광 전달부로 재입사되는 반사광의 광 강도를 검출하는 단계, 상기 반사광의 광 강도의 변화를 측정하는 단계, 그리고 상기 광 강도의 변화를 사용하여 상기 회전체의 회전 속도를 측정하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 회전체의 회전 속도를 측정하는 단계에서, 상기 회전 속도는 상기 광 강도의 변화의 주파수를 사용하여 측정된다.
또한, 상기 광 강도의 변화의 주파수는 일정 시간 동안 측정되는 상기 광 강도의 변화에 대해 푸리에 변환을 사용하여 획득된다.
또한, 상기 광 전달부가 광 전달시 발생되는 상기 회전체의 회전 각도에 따른 주기적인 광 손실 변화는, 회전되지 않도록 고정된 고정자 및 상기 회전체의 회전에 따라 상기 고정자에 대하여 상대적으로 회전하는 회전자를 포함하는 광섬유 로터리 조인트의 상기 회전자를 광이 통과할 때 상기 회전자의 회전에 의해 발생된다.
또한, 상기 광 전달부가 광 전달시 발생되는 상기 회전체의 회전 각도에 따른 주기적인 광 손실 변화는, 회전축이 상기 회전체에 연결된 광 감쇄기를 광이 통과할 때 상기 광 감쇄기의 회전에 의해 발생된다.
또한, 상기 광 반사부가, 반사하는 광의 파장이 서로 겹치지 않는 파장 특성을 갖는 복수의 광 섬유 센서를 포함하는 경우, 상기 반사광의 광 강도의 변화를 측정하는 단계에서, 상기 복수의 광 섬유 센서에서 각각 반사되는 광들의 강도 변화를 각각 측정하고, 상기 회전체의 회전 속도를 측정하는 단계에서, 상기 복수의 광 섬유 센서에서 각각 반사되는 광들의 강도 변화를 사용하여 상기 복수의 광 섬유 센서 각각에 대응되는 물리량을 측정한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광을 사용하기 때문에 회전체의 회전 속도 측정에 있어서 장거리 계측이 가능하고, 광섬유 센서(FBG)를 사용하는 경우 센서에 직접적으로 물리적인 힘을 인가시키지 않기 때문에 센서의 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 다른 물리량 측정을 위한 광섬유 센서의 연속 설치가 가능하고, 온도 보상을 위한 별도의 센서 및 특수 패키징된 센서가 필요하지 않기 때문에 광 측정 방식의 저가형 센서 제작이 가능하다.
또한, 기상 관측 및 재해 안전 진단에 사용되는 전자기적 방식의 측정 센서를 광학식 센서로 대체할 수 있어, 수분 침투(빗물, 안개 등) 및 낙뢰 등이 발생될 수 있는 설치 환경 조건에서도 센서의 오작동 및 고장이 적게 발생하여 유지/관리 비용이 적게 발생하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 광 발생부에서 발생되는 광의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 회전 속도 측정부의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치에서의 광 출력과 회전 각도 사이의 관계 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 광 전달부를 광섬유 로터리 조인트를 사용하여 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 광 전달부를 광섬유 콜리메이터를 사용하여 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 회전축과 광 감쇄기의 개략적인 외부 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 광학식 회전 속도 측정 장치에서 3개의 광섬유 센서를 사용한 경우의 각 신호 변화를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 방법의 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광 발생부에서 발생되는 광의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 회전 속도 측정부의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치에서의 광 출력과 회전 각도 사이의 관계 그래프를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 광 전달부를 광섬유 로터리 조인트를 사용하여 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 광 전달부를 광섬유 콜리메이터를 사용하여 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 회전축과 광 감쇄기의 개략적인 외부 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 광학식 회전 속도 측정 장치에서 3개의 광섬유 센서를 사용한 경우의 각 신호 변화를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 방법의 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치(100)는 광 발생부(110), 광 검출부(120), 광 결합부(130), 광 전달부(140), 광 반사부(150) 및 회전 속도 측정부(160)를 포함한다.
광 발생부(110)는 소정 파장의 광을 발생하여 광섬유(F1)를 통해 광 결합부(130)로 입사시킨다. 여기서, 광 발생부(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 광 출력이 일정하게 유지되며 넓은 파장 영역을 갖는 광을 발생할 수 있다. 이러한 광 발생부(110)는 레이저 다이오드(laser diode, LD), 초발광 다이오드(super luminescent diode, SLD), 발광 다이오드(light emission diode, LED) 등을 사용하여 광을 발생시킬 수 있다.
광 검출부(120)는 광섬유(F2)를 통해 광 결합부(130)로부터 입사되는 광을 검출하여 광 강도를 측정한다. 이러한 광 검출부(120)는 광 신호를 검출하여 대응되는 전기 신호로 변환해주는 포토 디텍터(photo detector)를 사용하여 구현될 수 있다.
광 결합부(130)는 광섬유(F1)를 통해 광 발생부(110)로부터 입사되는 광을 광섬유(F3)를 통해 광 전달부(140)로 입사시키고, 또한 광섬유(F3)를 통해 광 전달부(140)로부터 입사되는 광을 광 검출부(120)로 입사시킨다.
광 전달부(140)는 입력 포트인 광섬유(F3)와 출력 포트인 광섬유(F4) 사이에 광을 전달하되, 광 전달부(140)의 일측에 연결된 외부의 회전체(도시되지 않음)의 회전 각도에 따라 전달되는 광의 손실 변화가 발생하도록 광 전달을 수행한다. 특히, 광 전달부(140)는 회전체의 360도 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화가 발생하도록 구성된다.
구체적으로, 광 전달부(140)는 입력 포트인 광섬유(F3)를 통해 광 결합부(130)로부터 입사되는 광을 출력 포트인 광섬유(F4)를 통해 광 반사부(150)로 입사시키고, 출력 포트인 광섬유(F4)를 통해 광 반사부(150)로부터 입사되는 광을 입력 포트인 광섬유(F3)를 통해 광 결합부(130)로 입사시킨다. 이 때, 광 전달부(140)를 통해 광섬유(F3)와 광섬유(F4) 사이에 전달되는 광에서 회전체의 회전 각도에 따른 광 손실이 발생하여 전달된다.
다음, 광 반사부(150)는 특정 파장의 광 또는 넓은 파장 영역의 광을 반사시키는 광 부품으로 구성되며, 출력 포트인 광섬유(F4)를 통해 광 전달부(140)로부터 입사되는 광을 반사시켜 광섬유(F4)를 통해 다시 광 전달부(140)로 입사시킨다. 여기서, 광 반사부(150)로는 특정 파장의 광을 반사시키는 광섬유 센서(FBG)가 사용될 수 있다.
회전 속도 측정부(160)는 광 검출부(120)에 의해 검출되는 광 강도, 즉 광 출력을 사용하여 회전체의 회전 속도를 산출한다. 구체적으로, 회전 속도 측정부(160)는 광 결합부(130)로부터 입사되는 광의 강도의 변화를 광 검출부(120)를 통해 일정 시간 동안 측정하고, 측정되는 광 강도의 변화로부터 광 강도 변화의 주파수를 찾아낸 후, 찾아낸 주파수를 사용하여 회전체의 회전 속도를 산출한다. 여기서, 광 결합부(130)로부터 입사되는 광의 강도의 변화로부터 주파수를 찾아내기 위해 푸리에 변환(Fourier Transform)이 사용될 수 있다. 이러한 푸리에 변환에 대해서는 이미 잘 알려져 있으므로 구체적이 설명은 생략한다.
도 3은 도 1에 도시된 회전 속도 측정부(160)의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 회전 속도 측정부(160)는 광 강도 변화 측정부(161), 주파수 획득부(162) 및 회전 속도 산출부(163)를 포함한다.
광 강도 변화 측정부(161)는 광 검출부(120)를 통해 일정 시간 동안 검출되는 광 강도 변화를 측정한다. 광 전달부(140)에서는, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전체의 회전 각도에 따라 광 전달부(140)를 통과하는 광의 손실이 변화하기 때문에 광 강도 변화 측정부(161)에서 일정 시간 동안에 검출되는 광 강도 변화도 이와 같다.
주파수 획득부(162)는 광 강도 변화 측정부(161)에 의해 측정되는 광 강도 변화에 대해 푸리에 변환을 사용하여 대응되는 주파수를 획득한다. 즉, 주파수 획득부(162)는 도 4에 도시된 바와 같은 광 강도 변화를 통해 일정 시간 동안의 광 강도 변화의 주파수를 획득할 수 있다. 예를 들어, 1초에 10회 회전하는 회전체의 경우 광 강도 변화 측정부(161)에서 일정 시간 동안 측정되는 광 강도 변화에 대해 주파수 획득부(162)에서의 푸리에 변환이 사용되면 10hz라는 주파수가 획득될 것이다.
회전 속도 산출부(163)는 주파수 획득부(162)에 의해 획득되는 주파수를 사용하여 회전 속도를 산출한다.
선택적으로, 본 발명의 실시예에 따른 회전 속도 측정부(160)는 회전 속도 산출부(163)에서 산출되는 회전체의 회전 속도를 외부로 표시할 수 있는 디스플레이 장치를 더 포함할 수 있다.
한편, 전술한 광 전달부(140)는 다양한 방식을 통해 구현될 수 있지만, 본 발명의 실시예에서는 광 전달부(140)가 광섬유 로터리 조인트(Rotary Joint)와 광섬유 콜리메이터(Collimator)를 사용하여 구현되는 예를 사용하여 설명한다.
먼저, 광 전달부(140)가 광섬유 로터리 조인트를 사용하여 구현되는 일 실시예에 대해 설명한다.
도 5는 도 1에 도시된 광 전달부(140)를 광섬유 로터리 조인트를 사용하여 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 광섬유 로터리 조인트(240)는 고정자(241) 및 회전자(242)를 포함한다. 고정자(241)는 입력 포트인 광섬유(F3)에 연결되며 회전되지 않도록 고정된다. 회전자(242)는 출력 포트인 광섬유(F4)에 연결되며 고정자(241)에 대하여 상대적으로 하나의 회전축을 중심으로 회전 운동을 하도록 장착된다. 여기서, 하나의 회전축의 예로는 고정자(241)와 회전자(242)의 각 길이 방향과 일치하는 축일 수 있다. 또한, 회전자(242)는 회전하는 외부의 회전체(도시하지 않음)에 연결되어 회전체의 회전에 따라 함께 회전하도록 구현된다. 이 때의 회전자(242)의 회전축은 회전체의 회전축과 같거나 평행할 수 있다.
고정자(241)와 회전자(242)는 입력 포트(F3)에서 출력 포트(F4) 방향으로 또는 출력 포트(F4)에서 입력 포트(3) 방향으로 광을 전달할 수 있다.
이러한 광섬유 로터리 조인트(240)는 회전자(242)의 회전 각도에 따라 광섬유 로터리 조인트(240)를 통과하는 광의 손실이 다르도록 구현된다. 이와 같이, 광섬유 로터리 조인트(240)를 통과하는 광의 손실이 변화하기 때문에 광 반사부(150)에서 반사되어 되돌아오는 광의 강도 변화를 측정함으로써 회전자(242)의 회전 속도를 측정할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치(100)의 동작 원리에 대해 설명한다.
설명 전에, 광섬유 로터리 조인트(240)의 회전자(242)가 외부의 회전체(도시되지 않음)에 연결되어 회전체의 회전에 따라 회전자(242)가 함께 회전하고 있는 것으로 가정하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광 발생부(110)에서 발생된, 광 출력이 일정하게 유지되며 넓은 파장 영역을 갖는 광이 광섬유(F1)를 통해 광 결합부(130)를 거쳐 입력 포트인 광섬유(F3)를 통해 광섬유 로터리 조인트(240)로 입사된다.
입사된 광은 광섬유 로터리 조인트(240)의 고정자(241) 및 회전자(242)를 통과한 후 출력 포트인 광섬유(F4)에 연결되어 있는 광 반사부(150)로 입사된다.
광 반사부(150)에 입사된 광은 광 반사에 의해 다시 광섬유(F4)를 통해 광섬유 로터리 조인트(240)의 회전자(242)와 고정자(241)를 거쳐 입력 포트인 광섬유(F3)에 연결되어 있는 광 결합부(130)를 통해 광 검출부(120)로 입사된다.
광 검출부(120)는 입사되는 광의 강도를 검출하여 대응되는 신호로서 회전 속도 측정부(160)로 전달하고, 회전 속도 측정부(160)는 광 검출부(120)로부터 전달되는 광 강도 신호를 사용하여 회전체의 회전 속도를 측정한다.
한편, 광 반사부(150)가 특정 파장의 광을 반사시키는 광섬유 센서(FBG)를 사용하는 경우 광섬유 센서(FBG)에 의해 반사되는 특정 파장의 광의 세기 변화, 즉 검출되는 광의 강도만을 측정하여 사용하면 된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에서는 광을 사용하기 때문에 회전체의 회전 속도 측정에 있어서 장거리 계측이 가능하고, 광섬유 센서(FBG)를 사용하는 경우 센서에 직접적으로 물리적인 힘을 인가시키지 않기 때문에 센서의 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
다음, 광 전달부(140)가 광섬유 콜리메이터를 사용하여 구현되는 다른 실시예에 대해 설명한다.
도 6은 도 1에 도시된 광 전달부(140)를 광섬유 콜리메이터를 사용하여 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 광 전달부(140)는 광섬유 콜리메이터(141, 142), 브라켓(143), 회전축(144) 및 광 감쇄기(145)를 포함한다.
광섬유 콜리메이터(141, 142)는 광섬유(F3, F4)를 통해 입사되는 광을 평행광으로 만들어 출사한다. 즉, 광섬유 콜리메이터(141)는 광섬유(F3)를 통해 입사되는 광을 평행광으로 만들어서 광섬유 콜리메이터(142)로 입사되도록 하고, 반대로 광섬유 콜리메이터(142)는 광섬유(F4)를 통해 입사되는 광을 평행광으로 만들어서 광섬유 콜리메이터(141)로 입사되도록 한다. 결과적으로, 광섬유 콜리메이터(141, 142)는 광섬유(F3, F4)로부터 입사되는 광이 브라켓(143) 내에 형성되는 자유 공간(147)을 평행광으로서 통과하도록 하는 기능을 수행한다.
브라켓(143)은, 구체적으로, 'ㄷ'자 형태로 구성되어, 그 내부에 광 감쇄기(145)가 삽입될 수 있도록 자유 공간(147)을 형성한다
회전축(144)은 외부의 회전체(도시되지 않음)가 연결되어 회전축(144)을 중심으로 회전 운동을 하도록 형성된다. 따라서, 회전축(144)은 회전체의 회전축과 동일하거나 평행하도록 형성된다.
광 감쇄기(145)는, 도 7에 도시된 예를 참조하면, 원형 판 형태로 형성되며, 그 중심에 회전축(144)이 삽입되어 회전축(144)의 회전에 따라 광 감쇄기(145)가 함께 회전될 수 있도록 형성된다.
그리고, 광 감쇄기(145)는, 광섬유 콜리메이터(141, 142)에 의해 브라켓(143) 내를 통과하는 광이 광 감쇄기(145)를 통과하여 전달될 수 있도록, 일부, 구체적으로는 회전축(144)이 삽입된 중심으로부터 원형 판의 가장자리에 해당하는 부분이 브라켓(143) 내에 형성된 자유 공간(147) 내에 삽입된다.
또한, 광 감쇄기(145)는 회전 각도에 따라 광 감쇄기(145)를 통과하는 광의 손실이 다르도록 구현된다. 이와 같이, 광 감쇄기(145)를 통과하는 광의 손실이 변화하기 때문에 광 반사부(150)에서 반사되어 되돌아오는 광의 강도 변화를 측정함으로써 광 감쇄기(145)의 회전 속도를 측정할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 4 및 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 장치(100)의 동작 원리에 대해 설명한다.
설명 전에, 광 감쇄기(145)에 연결된 회전축(144)이 외부의 회전체(도시되지 않음)에 연결되어 회전체의 회전에 따라 광 감쇄기(145)가 함께 회전하고 있는 것으로 가정하여 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광 발생부(110)에서 발생된, 광 출력이 일정하게 유지되며 넓은 파장 영역을 갖는 광이 광섬유(F1)를 통해 광 결합부(130)를 거쳐 입력 포트인 광섬유(F3)를 통해 광섬유 콜리메이터(141)로 입사된다.
입사된 광은 광섬유 콜리메이터(141)에 의해 평행광을 형성하여 브라켓(143)의 자유 공간(147)을 통해 광섬유 콜리메이터(142)로 전달된다. 이 때, 광섬유 콜리메이터(141)에 의해 형성된 평행광은 브라켓(143)의 자유 공간(147) 내에 삽입되어 회전하고 있는 광 감쇄기(145)를 통과하여 광섬유 콜리메이터(142)로 전달된다.
광섬유 콜리메이터(142)로 전달된 광은 출력 포트인 광섬유(F4)에 연결되어 있는 광 반사부(150)로 입사된다.
광 반사부(150)에 입사된 광은 광 반사에 의해 다시 광섬유(F4)를 통해 광섬유 콜리메이터(142)로 입사된다.
입사된 반사광은 광섬유 콜리메이터(142)에 의해 평행광을 형성하여 브라켓(143)의 자유 공간(147)을 통해 광섬유 콜리메이터(141)로 다시 전달된다. 이 때, 광섬유 콜리메이터(142)에 의해 형성된 평행광은 브라켓(143)의 자유 공간(147) 내에 삽입되어 회전하고 있는 광 감쇄기(145)를 역으로 통과하여 광섬유 콜리메이터(141)로 전달된다.
그 후, 광섬유 콜리메이터(141)로 전달된 광은 입력 포트인 광섬유(F3)에 연결되어 있는 광 결합부(130)를 통해 광 검출부(120)로 입사된다.
광 검출부(120)는 입사되는 광의 강도를 검출하여 대응되는 신호로서 회전 속도 측정부(160)로 전달하고, 회전 속도 측정부(160)는 광 검출부(120)로부터 전달되는 광 강도 신호를 사용하여 회전체의 회전 속도를 측정한다.
한편, 광 반사부(150)가 특정 파장의 광을 반사시키는 광섬유 센서(FBG)를 사용하는 경우 광섬유 센서(FBG)에 의해 반사되는 특정 파장의 광의 세기 변화, 즉 검출되는 광의 강도만을 측정하여 사용하면 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에서는 회전 속도 측정을 위한 광섬유 센서가 회전하지 않고 고정될 수 있는 구조이기 때문에, 도 8에 도시된 바와 같이, 회전 속도 측정을 위한 광섬유 센서(150) 이후에 별도의 물리량 측정이 가능한 광섬유 센서(151, 152)를 연속적으로 설치 가능하다.
이와 같이, 회전체의 회전 속도를 측정하기 위해서는 회전 속도 측정을 위해 설치한 광섬유 센서(150)에서 반사된 광의 세기 변화를 측정하면 되고, 별도의 물리량(변형률, 온도, 가속도 등) 측정을 위해 설치된 광섬유 센서(151, 152)에서는, 광섬유 센서(151, 152)에서 반사되는 광의 파장 변화를 측정하여 해당하는 물리량을 측정할 수 있다.
도 9는 도 8에 도시된 광학식 회전 속도 측정 장치에서 3개의 광섬유 센서를 사용한 경우의 각 신호 변화를 나타낸 도면이다.
도 9를 참조하면, 도 8에 도시된 광학식 회전 속도 측정 장치에서 회전 속도 측정을 위한 광섬유 센서(150), 온도 측정을 위한 광섬유 센서(151) 및 변형률 측정을 위한 광섬유 센서(152)가 설치되는 경우, 각 광섬유 센서(150, 151, 152)에서 반사되는 광에 대해 광 검출부(120)를 통해 각각 검출된 광 출력의 예가 도시되어 있다.
여기서, 복수의 광섬유 센서(150, 151, 152)가 설치되는 경우, 각 광섬유 센서(150, 151, 152)에서 반사되는 광의 파장이 서로 겹치지 않도록 구성되어야 하며, 광섬유 센서(150)에서 반사되는 광의 강도에 의해 회전 속도 측정을 수행하고, 광섬유 센서(151)에서 반사되는 광의 강도에 의해 온도 측정이 수행되며, 광섬유 센서(152)에서 반사되는 광의 강도에 의해 변형률 측정이 수행된다. 이 때, 온도나 변형률의 변화에 따라 광섬유 센서(151, 152)에서 반사되는 광의 파장도 변화하기 때문에 해당 광섬유 센서(151, 152)에서 반사되는 광의 파장 변화를 측정하여 온도와 변형률을 각각 측정한다. 따라서, 하나의 광섬유에 여러 개의 광섬유 센서(150, 151, 152)를 연속적으로 연결하는 경우, 회전 속도, 온도, 변형률 등을 동시에 측정할 수 있다
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 방법에 대해 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 방법의 흐름도이다.
도 10을 참조하여 설명되는 본 발명의 실시예에 따른 광학식 회전 속도 측정 방법은 상기한 도 1, 도 5 또는 도 6에 도시된 광학식 회전 속도 측정 장치(100)에서 수행된다.
도 10을 참조하면, 먼저 회전체의 회전 속도 측정을 위한 광을 광 발생부(110)를 통해 발생시켜서 광 결합부(130)를 통해 광 전달부(140)로 입사되도록 한다(S100).
그 후, 광 전달부(140)로 입사되어 광 반사부(150)에 의해 반사되어 다시 광 전달부(140)를 통과하여 광 결합부(130)를 통해 입사되는 광에 대해 광 검출부(120)가 일정 시간 동안 광 검출을 수행하여 검출되는 광의 강도 변화를 측정한다(S110, S120).
그리고, 회전 속도 측정부(160)는 상기 단계(S120)에서 측정되는 광의 강도 변화에 대해 푸리에 변환을 적용하여 대응되는 주파수를 획득한 후(S130), 획득되는 주파수를 사용하여 회전체의 회전 속도를 산출한다(S140).
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 광을 사용하기 때문에 회전체의 회전 속도 측정에 있어서 장거리 계측이 가능하고, 광섬유 센서(FBG)를 사용하는 경우 센서에 직접적으로 물리적인 힘을 인가시키지 않기 때문에 센서의 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다.
또한, 다른 물리량 측정을 위한 광섬유 센서의 연속 설치가 가능하고, 온도 보상을 위한 별도의 센서 및 특수 패키징된 센서가 필요하지 않기 때문에 광 측정 방식의 저가형 센서 제작이 가능하다.
또한, 기상 관측 및 재해 안전 진단에 사용되는 전자기적 방식의 측정 센서를 광학식 센서로 대체할 수 있어, 수분 침투(빗물, 안개 등) 및 낙뢰 등이 발생될 수 있는 설치 환경 조건에서도 센서의 오작동 및 고장이 적게 발생하여 유지/관리 비용이 적게 발생하는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (15)
- 회전체의 회전 속도를 측정하는 장치로서,
광을 발생하는 광 발생부,
광을 반사시키는 광 반사부,
광 강도를 검출하는 광 검출부,
상기 광 발생부로부터 발생된 광을 상기 광 반사부로 전달하고, 상기 광 반사부에 의해 반사되는 광을 상기 광 검출부로 전달하되, 광 전달시 상기 회전체의 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시키도록 상기 회전체에 결합되는 광 전달부, 그리고
상기 광 검출부에 의해 검출된 광 강도의 변화를 측정하고, 측정되는 상기 광 강도의 변화를 사용하여 상기 회전체의 회전 속도를 측정하는 회전 속도 측정부
를 포함하는 회전 속도 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 회전 속도 측정부는,
상기 광 검출부에 의해 검출되는 광 강도의 변화를 일정 시간 동안 측정하는 광 강도 변화 측정부,
상기 광 강도 변화 측정부에 의해 측정되는 광 강도 변화의 주파수를 획득하는 주파수 획득부, 그리고
상기 주파수 획득부에 의해 획득되는 주파수를 사용하여 상기 회전체의 회전 속도를 산출하는 회전 속도 산출부
를 포함하는, 회전 속도 측정 장치. - 제2항에 있어서,
상기 주파수 획득부는 상기 광 강도 변화 측정부에 의해 일정 시간 동안 검출되는 광 강도 변화에 대해 푸리에 변환(Fourier Transform)을 사용하여 주파수를 획득하는, 회전 속도 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광 발생부로부터 발생한 광을 상기 광 전달부로 전달하고, 상기 광 전달부로부터 전달되는 광을 상기 광 검출부로 전달하는 광 결합부를 더 포함하고,
상기 광 전달부는,
상기 광 결합부에 연결되며 회전되지 않도록 고정된 고정자, 그리고
상기 광 반사부 및 상기 회전체에 연결되고, 상기 회전체의 회전에 따라 상기 고정자에 대하여 상대적으로 회전하는 회전자를 포함하는 광섬유 로터리 조인트(Rotary Joint)인,
회전 속도 측정 장치. - 제4항에 있어서,
상기 회전자는 상기 회전자를 통과하는 광에 대해 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시키는, 회전 속도 측정 장치. - 제1항에 있어서,
상기 광 발생부로부터 발생한 광을 상기 광 전달부로 전달하고, 상기 광 전달부로부터 전달되는 광을 상기 광 검출부로 전달하는 광 결합부를 더 포함하고,
상기 광 전달부는,
내부에 자유 공간을 형성하는 브라켓,
상기 브라켓의 일측에 형성되어 상기 광 결합부에서 전달되는 광을 평행광으로 만들어서 상기 자유 공간으로 입사시키는 제1 광섬유 콜리메이터(collimator),
상기 브라켓의 타측에 형성되며, 상기 자유 공간을 통해 상기 제1 광섬유 콜리메이터로부터 입사되는 광을 수신하여 상기 광 반사부로 전달하고, 상기 광 반사부에서 전달되는 광을 평행광으로 만들어서 상기 자유 공간을 통해 상기 제1 광섬유 콜리메이터로 입사시키는 제2 광섬유 콜리메이터, 그리고
회전축이 상기 회전체에 연결되어 상기 회전체의 회전에 따라 함께 회전하며, 상기 제1 광섬유 콜리메이터와 상기 제2 광섬유 콜리메이터 사이에 전달되는 평행광이 통과할 수 있도록 회전하는 일부가 상기 브라켓의 자유 공간 내에 위치하도록 형성된 광 감쇄기
를 포함하는, 회전 속도 측정 장치. - 제6항에 있어서,
상기 광 감쇄기는 상기 회전하는 일부를 통과하는 광에 대해 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시키는, 회전 속도 측정 장치. - 제6항에 있어서,
상기 광 반사부를 기준으로 상기 브라켓에 대칭되는 측에 연결되는 복수의 광섬유 센서를 더 포함하며,
상기 복수의 광섬유 센서 및 상기 광 반사부에서 반사되는 광의 파장이 서로 겹치지 않도록 상기 복수의 광섬유 센서 및 상기 광 반사부의 파장 특성이 결정되는,
회전 속도 측정 장치. - 제8항에 있어서,
상기 복수의 광 섬유 센서에서 반사되는 광들의 강도 변화를 각각 측정하여 상기 복수의 광 섬유 센서 각각에 대응되는 물리량을 측정하는, 회전 속도 측정 장치. - 회전 속도 측정 장치가 회전체의 회전 속도를 측정하는 방법으로서,
광 전달시 상기 회전체의 회전 각도에 따라 주기적인 광 손실 변화를 발생시키는 광 전달부로 광을 입사시키는 단계,
상기 광 전달부의 후단에 연결된 광 반사부에 의해 반사되어 상기 광 전달부로 재입사되는 반사광의 광 강도를 검출하는 단계,
상기 반사광의 광 강도의 변화를 측정하는 단계, 그리고
상기 광 강도의 변화를 사용하여 상기 회전체의 회전 속도를 측정하는 단계
를 포함하는 회전 속도 측정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 회전체의 회전 속도를 측정하는 단계에서, 상기 회전 속도는 상기 광 강도의 변화의 주파수를 사용하여 측정되는, 회전 속도 측정 방법. - 제11항에 있어서,
상기 광 강도의 변화의 주파수는 일정 시간 동안 측정되는 상기 광 강도의 변화에 대해 푸리에 변환을 사용하여 획득되는, 회전 속도 측정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 광 전달부가 광 전달시 발생되는 상기 회전체의 회전 각도에 따른 주기적인 광 손실 변화는,
회전되지 않도록 고정된 고정자 및 상기 회전체의 회전에 따라 상기 고정자에 대하여 상대적으로 회전하는 회전자를 포함하는 광섬유 로터리 조인트의 상기 회전자를 광이 통과할 때 상기 회전자의 회전에 의해 발생되는,
회전 속도 측정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 광 전달부가 광 전달시 발생되는 상기 회전체의 회전 각도에 따른 주기적인 광 손실 변화는,
회전축이 상기 회전체에 연결된 광 감쇄기를 광이 통과할 때 상기 광 감쇄기의 회전에 의해 발생되는,
회전 속도 측정 방법. - 제10항에 있어서,
상기 광 반사부가, 반사하는 광의 파장이 서로 겹치지 않는 파장 특성을 갖는 복수의 광 섬유 센서를 포함하는 경우,
상기 반사광의 광 강도의 변화를 측정하는 단계에서, 상기 복수의 광 섬유 센서에서 각각 반사되는 광들의 강도 변화를 각각 측정하고,
상기 회전체의 회전 속도를 측정하는 단계에서, 상기 복수의 광 섬유 센서에서 각각 반사되는 광들의 강도 변화를 사용하여 상기 복수의 광 섬유 센서 각각에 대응되는 물리량을 측정하는,
회전 속도 측정 방법.
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