KR101185508B1 - 광섬유 센서의 온도 보상 방법 - Google Patents

광섬유 센서의 온도 보상 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광섬유 센서의 온도 보상 방법에 관한 것으로, 광섬유 센서 및 온도 보정용 더미 센서에 대해 온도 조정 환경에서의 변형률 데이터를 수집하는 단계와, 수집된 변형률 데이터의 특성에 따라 전체 변형률을 도출하고 복수의 계측 결과에 대해 환경 조건 계수를 추정하는 단계와, 추정된 환경 조건 계수에 따른 온도 보상 조건을 이용하여 상기 광섬유 센서의 온도 보상을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

광섬유 센서의 온도 보상 방법{TEMPERATURE COMPENSATION METHOD OF FIBER OPTIC SENSOR}
본 발명의 실시예는 광섬유 센서의 온도 보상 방법에 관한 것이다.
최근, 선박, 항공기, 고속전철, 교량, 발전소의 터빈 등과 같은 대형 구조물의 안전성 확보를 위한 실시간 모니터링 기술에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다. 이러한 대형 구조물은 사용 기간 동안 적절한 유지 보수가 필요하며, 잔존 수명 예측에 대한 보다 효율적이고 정확한 진단 기술을 필요로 한다.
특히, 선박의 경우 대형 유조선의 사고에 따른 기름 유출이나 대형 LNG 운반선의 슬로싱(sloshing), 대형 컨테이너선의 휘핑(whipping) 등은 환경 문제뿐만 아니라 선박 구조물에 대한 자체 안전 진단 시스템이 더욱 더 요구되고 있다.
이러한 구조물 자체가 외부 환경의 변화를 스스로 감지하고 판단하여 능동적으로 대처하는 기능을 가진 구조물을 스마트 구조물(smart structure) 또는 지능 구조물(intelligent structure)이라 하는데, 스마트 구조물에서 가장 중요한 감지계인 센서 체계 중에서 선박 구조물의 변형, 파손 및 파괴 여부를 실시간으로 모니터링하기 위해 광섬유 센서(fiber optic sensor)를 활용할 수 있다.
도 1은 종래의 광섬유 센서를 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광섬유 센서(100)는 중앙의 원통형 물질인 코어(core, 110)와, 코어(110)를 원통형으로 둘러싸고 있는 클래딩층(cladding layer)과, 이들을 덮고 있는 재킷(jacket, 130)으로 구성될 수 있다.
여기에서, 코어(110)는 광파를 전달하고, 클래딩층(120)은 광파를 코어(110) 내로 유지시킴과 동시에 코어(110)에 강도(strength)를 제공하며, 재킷(130)은 광섬유를 수분과 부식으로부터 보호하는 역할을 할 수 있다.
이러한 광섬유 센서(100)는 자외선을 격자 형태로 조사하게 되면 격자의 간격에 따라 특정 파장을 반사할 수 있다. 즉, 광섬유에 주기적인 굴절률 변조를 주어 특정 파장의 빛을 반사시킬 수 있다. 이러한 반사 파장이 특정 물리량의 변화에 선형적으로 변화함으로써, 센서로서 기능할 수 있다.
상술한 바와 같은 광섬유 센서(100)는 저온, 고온, 고압 등 극한의 환경에 대해 견고하고 폭발의 위험이 없으며 노이즈에 강하고 시스템이 간단하다는 장점이 있지만, 온도 보정을 해야하는 문제점이 있으며, 온도 센서를 이용할 경우 주변 환경 조건에 따라 오차가 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예들에서는 광섬유 센서의 온도 보정을 수행할 수 있는 광섬유 센서의 온도 보상 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광섬유 센서 및 온도 보정용 더미 센서에 대해 온도 조정 환경에서의 변형률 데이터를 수집하는 단계와, 상기 수집된 변형률 데이터의 특성에 따라 전체 변형률을 도출하고 복수의 계측 결과에 대해 환경 조건 계수를 추정하는 단계와, 상기 추정된 환경 조건 계수에 따른 온도 보상 조건을 이용하여 상기 광섬유 센서의 온도 보상을 수행하는 단계를 포함하는 광섬유 센서의 온도 보상 방법이 제공될 수 있다.
또한, 온도 보정용 더미 센서는, 상기 광섬유 센서와 동일한 종류의 센서인 것이 바람직하다.
또한, 환경 조건 계수는, 최소자승법(Least-square method)을 이용하여 추정될 수 있다.
또한, 온도 보상 조건은, 상기 광섬유 센서의 파장 변화 및 변형 민감도와 상기 온도 보정용 더미 센서의 파장 변화 및 변형 민감도와 상기 환경 조건 계수를 이용하여 도출될 수 있다.
또한, 수집된 변형률 데이터는, 응력에 의한 변형률을 '0'으로 치환할 수 있는 계측 조건을 이용하여 수집될 수 있다.
또한, 온도 보상 조건은, 복수개의 광섬유 센서 설치 환경에 대한 각각의 환경 조건 계수에 따라 도출될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서의 온도 보상 방법에 의해 설치 환경을 고려하여 변형률을 센싱하는 광섬유 센서의 온도 보상을 더욱 정밀하게 수행할 수 있다.
도 1은 종래의 광섬유 센서를 예시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유 센서의 온도를 보상하는 과정을 나타낸 흐름도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 광섬유 센서의 온도를 보상하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유 센서의 온도를 보상하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에서 각종 데이터의 센싱, 기록, 저장, 분석, 해석 등은 컴퓨터 장치에 의해 진행될 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 컴퓨터 장치는 광섬유 센서의 온도 보상 단계를 실행하도록 구성될 수 있다.
변형률을 센싱하는 광섬유 센서의 전체 변형률을 이용하여 응력에 의한 변형률을 나타내는 응력 성분을 도출할 수 있다(S202).
예를 들면, 변형률을 센싱하는 광섬유 센서의 전체 변형률은 아래의 수학식 1과 같이 응력(stress)에 따른 응력 성분, 온도(temperature)에 따른 온도 성분, 센서가 설치된 구조물의 열팽창에 따른 열팽창 성분을 포함할 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00001
여기에서,
Figure 112011019608291-pat00002
는 전체 변형률을 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00003
는 응력에 의한 변형률을 의미하며,
Figure 112011019608291-pat00004
는 온도에 의한 변형률을 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00005
는 열팽창에 의한 변형률을 의미한다. 이 때, 광섬유 센서의 온도 보상을 위해 고려해야 하는 성분은 응력에 따른 응력 성분으로 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00006
그리고, 광섬유 센서에 근접하여 온도 보정용 더미 센서를 설치할 수 있다(S204). 이러한 온도 보정용 더미 센서는 변형률을 센싱하기 위한 광섬유 센서와 동일한 종류의 광섬유 센서를 사용할 수 있다.
여기에서, 광섬유 센서에 근접하여 온도 보정용 더미 센서를 설치하는 이유는 온도에 따른 변형률(
Figure 112011019608291-pat00007
)과 열팽창에 따른 변형률(
Figure 112011019608291-pat00008
)을 도출하기 위해서이다.
이에 따라, 온도에 따른 변형률(
Figure 112011019608291-pat00009
)과 열팽창에 따른 변형률(
Figure 112011019608291-pat00010
)을 도출할 수 있다(S206).
예를 들면, 상기 수학식 2의 우변항을 각각 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00011
여기에서,
Figure 112011019608291-pat00012
는 광섬유 센서의 파장 변화를 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00013
는 온도 보정용 더미 센서의 파장 변화를 의미하며,
Figure 112011019608291-pat00014
는 광섬유 센서의 변형에 대한 민감도를 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00015
는 광섬유 센서의 온도에 대한 민감도를 의미하며,
Figure 112011019608291-pat00016
는 온도 보정용 더미 센서의 변형에 대한 민감도를 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00017
는 온도 보정용 더미 센서의 온도에 대한 민감도를 의미하며,
Figure 112011019608291-pat00018
는 센서가 설치되는 구조물의 열팽창계수를 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00019
는 온도 보정용 센서의 주변 온도 변화를 의미한다.
상기 수학식 3의 각 식을 상기 수학식 2에 대입하면 아래의 수학식 4와 같이 응력에 따른 변형률을 도출할 수 있다(S208).
Figure 112011019608291-pat00020
여기에서, 온도 보정용 더미 센서로 변형률을 센싱하기 위한 광섬유 센서와 동일한 광섬유 센서를 사용하기 때문에 아래의 수학식 5와 같은 관계를 도출할 수 있다(S210).
Figure 112011019608291-pat00021
상기 수학식 4는 상기 수학식 5에 나타낸 관계에 따라 응력에 따른 변형률을 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00022
상기 수학식 6과 같이 나타낸 응력에 따른 변형률에 대한 온도 보상 조건을 적용하여 광섬유 센서의 온도를 보상할 수 있다(S212).
하지만, 상기 수학식 6의 경우 센서 설치 환경에 따른 설치 환경 성분을 고려하지 않아 정확한 온도 보상이 이루어질 수 없기 때문에 설치 환경 성분까지 포함된 온도 보상 방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따라 광섬유 센서의 온도를 보상하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 변형률을 센싱하는 광섬유 센서의 전체 변형률을 설치 환경을 고려하여 도출할 수 있다(S302).
예를 들면, 변형률을 센싱하는 광섬유 센서의 전체 변형률은 아래의 수학식 7과 같이 응력에 따른 응력 성분, 온도에 따른 온도 성분, 센서가 설치된 구조물의 열팽창에 따른 열팽창 성분, 센서가 설치된 설치 환경에 따른 설치 환경 성분을 포함할 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00023
여기에서,
Figure 112011019608291-pat00024
는 전체 변형률을 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00025
는 응력에 의한 변형률을 의미하며,
Figure 112011019608291-pat00026
는 온도에 의한 변형률을 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00027
는 열팽창에 의한 변형률을 의미하며,
Figure 112011019608291-pat00028
는 설치 환경에 따른 변형률을 의미한다.
상기 수학식 7의 전체 변형률을 이용하여 광섬유 센서의 응력에 따른 변형률(즉, 응력 변형률)을 도출할 수 있다(S304). 이러한 응력에 따른 변형률은 온도 보정용 더미 센서의 변형률과 환경 조건 계수(environmental condition coefficient)를 이용하여 도출할 수 있다(S306). 여기에서, 온도 보정용 더미 센서로는 변형률을 센싱하기 위한 광섬유 센서와 동일한 종류의 광섬유 센서를 사용할 수 있다.
예를 들면, 광섬유 센서의 온도 보상을 위해 고려해야 하는 응력에 의한 변형률은 설치 환경 성분을 소거하기 위해 아래의 수학식 8와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00029
여기에서,
Figure 112011019608291-pat00030
는 온도 보정용 더미 센서의 더미 변형률이고,
Figure 112011019608291-pat00031
와
Figure 112011019608291-pat00032
는 온도 보상을 위해 계산되는 환경 조건 계수를 의미한다.
이러한 환경 조건 계수를 추정하기 위해서는 응력에 의한 변형률(
Figure 112011019608291-pat00033
)을 '0'으로 치환할 수 있는 계측 조건이 만족되도록, 광섬유 센서의 전체 변형률(
Figure 112011019608291-pat00034
)과 온도 보정용 더미 센서의 변형률(
Figure 112011019608291-pat00035
)과 같은 변형률 데이터를 장시간(예: 1일 이상)동안 1분마다 계측하여 컴퓨터 장치에 저장할 수 있다(S308).
여기서, 계측 조건은 광섬유 센서 및 온도 보정용 더미 센서가 온도에 의해 변화하도록 조정된 환경(예: 온도 조정 환경)을 갖는 센서 설치 영역에 광섬유 센서 및 온도 보정용 더미 센서를 설치하는 것과, 센서 설치 영역에 응력이 작용하지 않는 기간을 선별하는 것을 포함할 수 있다.
이러한 과정에 따라 수집된 변형률 데이터의 특성을 이용하여 전체 변형률을 도출할 수 있다(S310). 여기에서, 변형률 데이터는 응력에 대한 영향이 없기 때문에 그 특성에 따라 상기 수학식 8에서 응력에 의한 변형률(
Figure 112011019608291-pat00036
)을 0으로 가정할 수 있고, 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00037
한편, 복수의 계측 결과에 대해 최소자승법(Least-square method)을 이용하여 환경 조건 계수를 추정할 수 있다(S312). 예를 들면, N(N은 정수)개의 계측 결과를 바탕으로 최소자승법을 이용하여 환경 조건 계수
Figure 112011019608291-pat00038
와
Figure 112011019608291-pat00039
를 아래의 수학식 10과 같이 추정할 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00040
이에 따라, 상기 수학식 10과 같이 추정된 온도 조건 계수에 따라 광섬유 센서의 파장 변화 및 변형에 대한 민감도(즉, 변형 민감도)와 온도 보정용 더미 센서의 파장 변화 및 변형에 대한 민감도(즉, 변형 민감도)를 이용하여 온도 보상 조건을 도출하고(S314), 이를 이용하여 광섬유 센서에 대한 온도 보상을 수행할 수 있다(S316).
예를 들면, 광섬유 센서에 대한 최종 온도 보상은 아래의 수학식 11을 적용하여 수행될 수 있다.
Figure 112011019608291-pat00041
여기에서,
Figure 112011019608291-pat00042
는 온도 보정용 더미 센서의 파장 변화를 의미하고,
Figure 112011019608291-pat00043
는 온도 보정용 더미 센서의 변형에 대한 민감도를 의미한다.
이 때, 광섬유 센서의 설치 위치마다 환경적 조건이 각각 다르기 때문에, 복수개의 광섬유 센서 설치 위치에 대해 각각의 환경 조건 계수를 정의할 수 있으며, 이를 통해 광섬유 센서에 대한 온도 보상을 더욱 정밀하게 수행할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 광섬유 센서의 온도 보상 방법의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
100 : 광섬유 센서 110 : 코어
120 : 클래딩층 130 : 재킷

Claims (6)

  1. 광섬유 센서 및 온도 보정용 더미 센서에 대해 온도 조정 환경에서의 변형률 데이터를 수집하는 단계와,
    상기 수집된 변형률 데이터의 특성에 따라 전체 변형률을 도출하고 복수의 계측 결과에 대해 환경 조건 계수를 추정하는 단계와,
    상기 추정된 환경 조건 계수에 따른 온도 보상 조건을 이용하여 상기 광섬유 센서의 온도 보상을 수행하는 단계를 포함하는
    광섬유 센서의 온도 보상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 보정용 더미 센서는, 상기 광섬유 센서와 동일한 종류의 센서인 것을 특징으로 하는
    광섬유 센서의 온도 보상 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 환경 조건 계수는, 최소자승법(Least-square method)을 이용하여 추정되는
    광섬유 센서의 온도 보상 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 보상 조건은, 상기 광섬유 센서의 파장 변화 및 변형 민감도와, 상기 온도 보정용 더미 센서의 파장 변화 및 변형 민감도와 상기 환경 조건 계수를 이용하여 도출되는
    광섬유 센서의 온도 보상 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수집된 변형률 데이터는,
    응력에 의한 변형률을 '0'으로 치환할 수 있는 계측 조건을 이용하여 수집된 것을 특징으로 하는
    광섬유 센서의 온도 보상 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 보상 조건은, 복수개의 광섬유 센서 설치 환경에 대한 각각의 환경 조건 계수에 따라 도출되는
    광섬유 센서의 온도 보상 방법.
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