KR101889977B1 - 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법 - Google Patents

광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법 Download PDF

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Abstract

광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법에 관한 것으로, 광섬유 격자 센서를 이용한 변형율 센서에 적용되는 경우, 외형을 형성하는 케이스, 상기 케이스 내부에 미리 설정된 간격만큼 이격되어 서로 다른 가닥 수로 설치되는 제3 및 제4 광섬유 그리고 상기 제3 및 제4 광섬유 사이에 설치되고 상기 제3 및 제4 광섬유에 인가되는 장력에 의해 일정한 위치에 고정되는 연결수단을 포함하는 구성을 마련하여, 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치함으로써, 변형률 센서의 측정 감도 및 내구성을 조절할 수 있다.

Description

광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법{APPARATUS FOR MEASURING CONVERGENCE USING FBG SENSOR AND SENSITIVITY AND DURABILITY REGULATION METHOD THEREOF}
본 발명은 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 측정 대상의 변위에 따라 신축되는 광섬유 격자센서를 이용해서 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법에 관한 것이다.
일반적으로 광섬유 센서(optical fiber sensor)는 광섬유를 지나가는 빛의 세기, 광섬유의 굴절률 및 길이, 모드, 그리고 편광상태의 변화 등을 이용하여 피측정량을 추정하는 센서이다.
광섬유의 주성분은 석영 유리로 이루어져 있으며, 광섬유 센서는 굴절율이 약간 높도록 게르마늄을 첨가한 광섬유 중심인 코어 부분과 중심을 보호하는 덧겹층인 클래딩 부분으로 구성된다.
광섬유 코어로 입사된 빛은 굴절율이 높은 코어층과 굴절율이 낮은 클래딩층의 경계면에서 반사되어 광섬유 코어부분을 따라 전파된다.
이러한 광섬유 센서는 이용되는 효과에 따라 세기형, 위상형, 회절격자형, 모드변조형, 편광형, 분포측정형 등으로 구분되며, 전압, 전류, 온도, 압력, 스트레인, 회전율, 음향, 가스농도 등 다양한 측정값을 제공한다.
광섬유 센서는 초정밀 광대역 측정이 가능하고, 전자파의 영향를 받지 않으며, 원격측정이 용이하고, 센서부에서 전기를 사용하지 않으며, 실리카 재질의 뛰어난 내부식성으로 사용 환경에 대한 제약이 거의 없는 특징을 갖는다.
광섬유 센서 중에서 대표적인 것은 광섬유 격자센서(Fiber Bragg Grating Sensor) 타입의 광섬유 센서이다
광섬유 격자센서는 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.
따라서 광섬유 격자센서는 격자(grating)가 형성된 광섬유에 물리적인 힘의 작용으로 인하여 변형이 생겼을 때 격자에서의 빛 굴절 변화가 유발되고, 이러한 굴절 변화를 측정하여 광섬유의 변형률을 측정함으로써 광섬유가 고정되는 구조물의 변형률을 측정하여 구조물에 작용하는 하중 및 응력을 알 수 있다.
광섬유 격자센서는 광파이버의 코어부의 굴절율을 일정한 주기로 변화시킨 것으로서, 특정 파장의 광만을 선택적으로 반사한다.
이러한 광섬유 격자센서는 고유한 파장 값을 가지며, 전자기파의 영향을 받지 않는 등 물리적인 특성이 매우 우수하여 기존의 전기식 게이지를 대체해가고 있는 우수한 물리량 측정소자로서, 현재 그 활용범위가 급속도로 증대되고 있다.
그래서 광섬유 격자센서는 광섬유 내에서 굴절율이 높은 물질에서 낮은 물질로 빛이 진행될 때, 그 경계면에서 일정한 각도 내의 빛이 모두 반사되는 전반사의 원리를 이용해서 변형률, 각도, 가속도, 변위, 온도, 압력변위 등을 감지하는 감지센서로 사용되고 있다.
예를 들어, 본 발명자는 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등 다수에 FBG 센서를 이용한 기술을 개시하여 출원해서 등록받은 바 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1057309호(2011년 8월 16일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-00992628호(2010년 11월 5일 공고)
일반적으로 광섬유는 에너지 손실이 매우 적어 송수신하는 데이터의 손실율이 낮고, 외부 요인에 따른 영향을 거의 받지 않는 장점이 있다.
이러한 광섬유는 철의 열팽창계수에 비해 약 1/20 정도로 열팽창계수가 작고, 연신율이 약 3 내지 5% 이상이면 쉽게 파단되는 특성이 있다.
특히, 광섬유 격자센서는 단위면적당 인장력이 매우 높은 반면, 지름이 약 125㎛로 매우 작기 때문에 외부의 충격에 쉽게 파단 될 수 있어 건물이나 교각 등의 피측정물에 부착 시에는 매우 섬세한 작업이 요구된다.
즉, 광섬유 격자센서는 제조 공정상, 연신률이 약 0.5 내지 1% 이상이면 파단 되거나 손상이 발생하는 문제점이 있었다.
따라서 광섬유 격자센서의 감도 및 내구성 등의 특성을 고려하여 FBG 센서의 파단 및 손상을 방지하는 기술의 개발이 요구되고 있다.
한편, 광섬유 격자센서는 내부에서 온도 변화에 따른 굴절률의 변화로 인해 다른 파장을 나타낼 수 있다.
이로 인해, 종래에는 케이스 내부에 한 쌍의 금속막대를 동일 선상에 설치하고, 한 쌍의 금속막대 사이에 온도 보상용 광섬유 격자센서를 설치하기도 하였으나, 금속막대의 열변형시 정밀도가 저하되고, 정밀한 온도보상이 불가능한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 측정 대상의 변위에 따라 신축되는 광섬유 격자센서를 이용해서 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 광섬유 격자센서의 감도와 내구성을 조절해서 파단 및 손상을 방지할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광섬유 격자센서의 온도 변화에 따른 굴절률의 변화를 보상할 수 있는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치는 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서에 적용되는 경우, 외형을 형성하는 케이스, 상기 케이스 내부에 수직 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 제1 및 제2 광섬유 그리고 상기 제1 및 제2 광섬유 사이에 설치되고 상기 제1 및 제2 광섬유에 하중을 인가하는 하중인가수단을 포함하여 측정 대상의 진동에 의한 상기 하중인가수단의 상하 이동에 의해 상기 제1 및 제2 광섬유에 설치된 각 광섬유 격자센서에서 출력되는 파장의 변화를 이용해서 가속도의 방향 및 크기를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치는 광섬유 격자 센서를 이용한 변형율 센서에 적용되는 경우, 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 한 쌍의 부착부재, 상기 한 쌍의 부착부재 사이에 수평 방향을 따라 설치되는 제3 및 제4 광섬유 그리고 상기 제3 및 제4 광섬유 사이에 설치되고 상기 제3 및 제4 광섬유에 인가되는 장력에 의해 일정한 위치에 고정되는 연결수단을 포함하여 서로 다른 가닥 수로 설치된 상기 제3 및 제4 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 감도 및 내구성의 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법은 연결수단의 양측에 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치해서 상기 광섬유 격자센서에서 측정되는 감도 및 상기 광섬유 격자센서의 내구성 조절이 가능한 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치에 의하면, 서로 나란하게 설치된 한 쌍의 광섬유 사이에 하중인가수단을 설치함으로써, 진동 발생시 한 쌍의 광섬유에 각각 작용하는 인장력 및 압축력 변화를 이용해서 가속도를 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
그리고 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법에 의하면, 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치함으로써, 변형률 센서의 측정 감도 및 내구성을 조절할 수 있다는 효과가 얻어진다.
이에 따라, 본 발명에 의하면, 측정 대상의 변위를 정밀하게 측정하는 경우에는 한 쌍의 광섬유 중에서 가닥 수가 적은 광섬유에 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 감도를 높일 수 있다는 효과가 얻어진다.
반면, 본 발명에 의하면, 측정 대상의 변위가 큰 경우에는 한 쌍의 광섬유 중에서 가닥 수가 많은 광섬유에 광섬유 격자센서를 설치해서 광섬유 및 광섬유 격자센서의 내구성을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.
또, 본 발명에 의하면, 한 쌍의 부착부재에 설치된 연결수단과 제3 및 제4 설치부재 중에서 둘 이상에 온도보상용 광섬유 격자센서가 마련된 제5 광섬유를 느슨하게 설치해서 온도변화에 따른 보상값을 정밀하게 조절할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 서로 다른 가닥 수로 마련되는 한 쌍의 광섬유의 길이비를 조절해서 각 광섬유의 실제 변형율 절대값을 조절할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 의하면, 센서 고정장치를 이용해서 평면 형태의 측정 대상뿐만 아니라, 부착면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 면에 변형율 센서를 설치해서 측정대상의 변위를 정밀하게 측정할 수 있다는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서의 구성도,
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 정면도,
도 3은 도 2에 도시된 변형율 센서의 평면도,
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 구성도,
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 구성도,
도 6 및 도 7은 측정 대상에 설치된 변형율 센서를 예시한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 측정 대상의 변위에 따라 신축되는 광섬유 격자센서를 이용해서 변위를 측정하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 및 그의 감도 및 내구성 조절방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 측정 대상의 변위에 따라 신축되는 광섬유 격자센서를 이용해서 변위를 측정하는 과정에서 광섬유 격자센서의 감도 및 내구성을 조절하여 광섬유 격자센서의 손상을 방지한다.
이하에서는 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서와 변형률 센서의 구성을 제1 및 제2 실시 예로 구분해서 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서의 구성도이다.
이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.
본 발명의 제1 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 외형을 형성하는 케이스(11), 케이스(11) 내부에 수직 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 제1 및 제2 광섬유(12,13) 그리고 제1 및 제2 광섬유(12,13) 사이에 설치되고 제1 및 제2 광섬유(12,13)에 하중을 인가하는 하중인가수단(14)을 포함한다.
케이스(11)는 가로 및 세로 길이에 비해 높이가 긴 직육면체 형상으로 형성되고, 측정대상에 부착되거나 볼트 등을 이용해서 고정 설치될 수 있다.
이러한 케이스(11)의 상단과 하단 사이에는 제1 및 제2 광섬유(12,13)가 설치되는 제1 및 제2 설치부재(15,16)가 마련될 수 있다.
제1 및 제2 설치부재(15,16)는 설치 과정 및 설치 완료 후 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 손상이나 변형을 방지하도록 원판 형상으로 형성될 수 있다.
제1 및 제2 광섬유(12,13)는 각각 케이스(11) 내부에 상하 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이격되어 나란하게 설치되고, 제1 및 제2 광섬유(12,13) 중에서 어느 하나 이상에는 하나 이상의 광섬유 격자센서(도면 미도시)가 설치될 수 있다.
하중인가수단(14)은 미리 설정된 하중으로 제조되고, 제1 광섬유(12)와 제2 광섬유(13)의 중앙부에 각각 부착될 수 있다.
여기서, 하중인가수단(14)은 육면체 형상으로 형성되거나, 원판 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 하중인가수단(14)이 원판 형상으로 형성되는 경우, 제1 및 제2 광섬유(12,13)는 각각 하중인가수단(14)의 외주면에 부착되거나 0.5회 이상 감긴 상태로 설치될 수 있다.
여기서, 하중인가수단(14)의 좌우 양측에는 하중인가수단(14)의 좌우 방향 이동을 제한하도록 가이드(17)가 각각 설치될 수 있다.
그리고 하중인가수단(14)의 상측 및 하측에는 각각 과도한 변위 발생으로 인한 광섬유의 손상을 방지하도록, 하중인가수단(14)의 변위를 제한하는 변위제한수단(18)이 설치될 수 있다.
제1 및 제2 광섬유(12,13)는 서로 다른 횟수만큼 감겨서 서로 다른 가닥 수로 설치될 수 있다.
예를 들어, 제1 광섬유(12)는 제1 설치부재(15)와 하중인가수단(14)에 각각 0.5회씩 감겨서 총 2가닥으로 설치되고, 제2 광섬유(13)는 제2 설치부재(16)와 하중인가수단(14)에 각각 1회씩 감겨서 총 4가닥으로 설치될 수 있다.
이와 같이 제1 및 제2 광섬유(12,13) 사이에 하중인가수단(14)이 설치됨에 따라, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 상부에는 하중인가수단(14)의 하중에 의해 인장력이 발생하고, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 하부에는 하중인가수단(14)에 의해 압축력이 발생한다.
한편, 하중인가수단(14)이 상하 방향으로 진동하는 경우, 제1 및 제2 광섬유(12,13)에는 각각 인장력과 압축력이 교번적으로 발생할 수 있다.
예를 들어, 하중인가수단(14)이 상방으로 이동하는 경우, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 상부에 작용하는 인장력이 제거되고 압축력이 작용하며, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 하부에는 압축력이 제거되고 인장력이 작용한다.
다시 하중인가수단(14)이 하방으로 이동하면, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 상부에 작용하는 압축력이 제거되고 인장력이 작용하며, 제1 및 제2 광섬유(12,13)의 하부에 작용하는 인장력이 제거되고 압축력이 작용한다.
따라서 본 발명은 제1 및 제2 광섬유의 상부 및 하부에 각각 총 4개의 광섬유 격자센서를 설치해서 진동 발생으로 인한 각 광섬유 격자센서에서 출력되는 파장 변화를 이용해서 가속도의 방향 및 크기를 정확하게 측정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 서로 나란하게 설치된 한 쌍의 광섬유 사이에 하중인가수단을 설치함으로써, 진동 발생시 한 쌍의 광섬유에 각각 작용하는 인장력 및 압축력 변화를 이용해서 가속도를 측정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 정면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 변형율 센서의 평면도이다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서(20)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 한 쌍의 부착부재(21), 한 쌍의 부착부재(21) 사이에 수평 방향을 따라 설치되는 제3 및 제4 광섬유(22,23) 그리고 제3 및 제4 광섬유(22,23) 사이에 설치되고 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 인가되는 장력에 의해 일정한 위치에 고정되는 연결수단(24)을 포함한다.
부착부재(21)는 대략 사각판이나 육면체 형상으로 형성되고, 측정대상에 부착되거나 볼트 등을 이용해서 고정 설치될 수 있다.
이러한 한 쌍의 부착부재(21)에는 각각 제3 및 제4 광섬유(22,23)가 설치되는 제3 및 제4 설치부재(25,26)가 마련될 수 있다.
제3 및 제4 설치부재(25,26)는 광섬유 및 광섬유 격자센서의 설치 과정 및 설치 완료 후 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 손상이나 변형을 방지하도록 원판 형상으로 형성될 수 있다.
제3 및 제4 광섬유(22,23)는 각각 한 쌍의 부착부재(21) 사이에 좌우 방향을 따라 설치되고, 제3 및 제4 광섬유(22,23)에는 하나 이상의 광섬유 격자센서(도면 미도시)가 설치될 수 있다.
연결수단(24)은 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 하중이 인가되는 것을 최소화하기 위해, 알루미늄과 같은 경금속 재질 또는 합성수지 재질을 이용해서 원판 형상 또는 링 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26)의 외주면에는 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 각 가닥이 설치되는 복수의 설치홈(27)이 형성될 수 있다.
설치홈(27)은 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 각 가닥과 연결수단, 제3 및 제4 설치부재(25,26)의 외주면 사이에서 작용하는 마찰력을 증가시켜 각 가닥을 고정할 수 있도록, V 형상으로 형성될 수 있다.
즉, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 각 가닥이 V 형상의 설치홈(27) 내부에서 2개의 라인을 통해 선접촉함에 따라, 제3 및 제4 광섬유(22,23)와 연결수단(24), 제3 및 제4 설치부재(25,26) 사이의 마찰력을 증가시킬 수 있다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 설치홈(27)의 하단부를 평면으로 형성해서 3개의 라인을 통해 선 접촉시키거나, 설치홈(27)을 반원 형상 또는 U 형상으로 형성해서 면 접촉시키도록 변경될 수도 있다.
그래서 제3 및 제4 광섬유(22,23)는 각각 원판 형상으로 형성된 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26)의 외주면에 적어도 0.5회 이상 감긴 상태로 설치될 수 있다.
특히, 제3 및 제4 광섬유(22,23)는 서로 다른 횟수만큼 감겨서 서로 다른 가닥 수로 설치될 수 있다.
예를 들어, 제3 광섬유(22)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제3 설치부재(25)와 연결수단(24)에 각각 1회씩 감겨서 총 4가닥으로 설치되고, 제4 광섬유(23)는 제4 설치부재(26)와 연결수단(24)에 각각 2회씩 감겨서 총 8가닥으로 설치될 수 있다.
여기서, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 변형율은 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이 비 및 단면적 비에 따라 변화함에 따라, 본 실시 예에서는 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이 및 직경은 동일하게 설정될 수 있다.
물론, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제3 광섬유(22)를 1가닥 이상 설치하고, 제4 광섬유(23)를 2가닥 이상 설치해서 제3 및 제4 광섬유(22,23)를 서로 다른 가닥 수로 설치하도록 변경될 수 있다.
이와 같이, 제3 및 제4 광섬유(22,23)를 서로 다른 가닥 수로 설치함에 따라, 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 걸리는 전체 장력은 동일하고, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 각 가닥에 작용하는 장력은 가닥 수에 따라 변경될 수 있다.
즉, 제3 및 제4 광섬유(22,23)를 각각 4가닥과 8가닥으로 설치한 경우, 제3 광섬유(22)의 각 가닥에 작용하는 장력은 제4 광섬유(23)의 각 가닥에 작용하는 장력의 2배가 된다.
표 1은 광섬유의 장력에 따른 변화량 테이블이다.
장력(g) 파장 변화량 (nm) 길이 변화율 (με)
0 0.00 0
50 0.66 549
100 1.32 1099
150 1.98 1648
200 2.64 2197
250 3.30 2747
300 3.96 3296
360 4.61 3945
400 5.27 4395
450 5.93 4944
500 6.59 5493
550 7.25 6043
600 7.91 6592
표 1에는 직경이 약 125㎛이고 기준 파장이 1550㎚인 광섬유에서 장력에 따른 변화량이 기재되어 있다.
표 1에 기재된 바와 같이 광섬유에서 출력되는 파장은 장력 변화량 100g에 의해 약 1.32㎚만큼 변화하고, 광섬유의 길이가 약 1000με만큼 변화하여 길이변화량 0.1%인 경우, 약 1.2㎚만큼 변화할 수 있다.
이와 같은 장력 변화량과 길이 변화량에 따른 광섬유의 파장 변화를 이용해면, 측정대상의 변형율 측정이 가능하다.
그래서 본 실시 예에서 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 작용하는 장력 변화량이 각각 400g인 경우, 제3 광섬유(22)의 각 가닥에 작용하는 장력은 약 100g이고, 제4 광섬유의 각 가닥에 작용하는 장력은 약 50g이 된다.
이에 따라, 제3 광섬유(22)에서 출력되는 파장은 각 가닥에 작용하는 장력 변화량 100g에 의해 약 1.32㎚만큼 변화하고, 제4 광섬유(23)에서 출력되는 파장은 각 가닥에 작용하는 장력 변화량 50g에 의해 약 0.66㎚만큼 변화한다.
그리고 제3 광섬유(22)의 길이변화량은 제4 광섬유(23)의 길이변화량의 2배가 된다.
따라서 제3 광섬유(22)에서 출력되는 파장은 각 가닥에 작용하는 장력 변화량 100g에 의해 약 1.32㎚만큼 변화하고, 제4 광섬유(23)에서 출력되는 파장은 각 가닥에 작용하는 장력 변화량 50g에 의해 약 0.66㎚만큼 변화한다.
이와 같이, 본 발명은 연결수단을 이용해서 양측에 서로 다른 가닥 수를 갖는 한 쌍의 광섬유를 설치함으로써, 각 광섬유의 장력변화량 및 길이변화량에 따른 파장 변화를 이용해서 측정대상의 변형율을 측정할 수 있다.
그리고 본 발명은 가닥 수가 적은 제3 광섬유에 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 감도를 높일 수 있다.
반면, 본 발명은 가닥 수가 많은 제4 광섬유에 광섬유 격자센서를 설치해서 길이 변화량을 감소시킴으로써, 광섬유 격자센서의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치함으로써, 변형률 센서의 측정 감도 및 내구성을 조절할 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에서 제3 및 제4 광섬유의 외측단은 각각 양측으로 인출되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명은 제3 및 제4 광섬유 중에서 광섬유 격자센서가 설치되는 하나의 측단을 외부로 인출하도록 설치되는 것이 바람직하다.
물론, 제3 및 제4 광섬유에 각각 광섬유 격자센서가 설치되는 경우에는 각 광섬유의 측단을 외부로 인출하도록 설치될 수 있다.
한편, 본 발명은 광섬유 격자센서를 가속도 센서(10)와 변형율 센서(20)에 적용한 상태에서 온도 변화에 따른 광섬유 격자센서의 굴절률 변화로 인해 파장 변화를 방지하도록, 온도보상용 광섬유 격자센서를 더 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서(20)는 도 4에 도시된 바와 같이, 도 2를 참조해서 설명한 변형율 센서(20)의 구성과 유사하고, 다만 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26) 중에서 둘 이상에 선택적으로 설치되고 일측에 온도보상용 광섬유 격자센서(도면 미도시)가 설치되는 제5 광섬유(28)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 제5 광섬유(28)는 제3 및 제4 광섬유(22,23)와 별도로 마련되고, 연결수단(24)과 제3 설치부재(25)에 설치되거나, 연결수단(24)과 제4 설치부재(26)에 설치되거나, 또는 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26)에 모두 설치될 수 있다.
여기서, 제5 광섬유(28)는 장력 변화로 인해 출력되는 파장의 변화가 발생하는 것을 방지하기 위해, 연결수단(24)과 제3 및 제4 설치부재(25,26) 중에서 둘 이상에 장력이 작용하지 않도록 느슨하게 설치될 수 있다.
따라서 상기 온도보상용 광섬유 격자센서는 장력 변화와 무관하게 온도 변화에 따라 변화된 파장으로 출력할 수 있다.
한편, 본 실시 예에서는 제5 광섬유가 제3 및 제4 광섬유와 별도로 마련되는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 제3 또는 제4 광섬유를 연결수단과 설치부재에 추가로 1회 이상 느슨하게 설치하고, 광섬유 격자센서를 설치하도록 변경될 수 있다.
그리고 본 실시 예에서는 제2 실시 예에서 설명한 변형율 센서에 적용하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 제1 실시 예에서 설명한 기울기 센서에 제5 광섬유를 적용해서 온도 보상값을 정밀하게 조절하도록 변경될 수도 있다.
이와 같이, 본 발명은 한 쌍의 부착부재 사이에 설치된 연결수단과 제3 및 제4 설치부재 중에서 둘 이상에 온도보상용 광섬유 격자센서가 마련된 제5 광섬유를 느슨하게 설치해서 온도변화에 따른 보상값을 정밀하게 조절할 수 있다.
한편, 본 발명은 제3 광섬유와 제4 광섬유의 길이비를 조절해서 변형율을 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 구성도이다.
본 발명의 제4 실시 예에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서(20)는 도 5에 도시된 바와 같이, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 구성과 유사하고, 다만 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비를 서로 다르게 변경할 수 있다.
즉, 연결수단(24)의 위치를 조절해서 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비를 조절할 수 있다.
예를 들어, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비는 2:1, 5:1, 1:2 등 다양하게 설정될 수 있다.
여기서, 제3 및 제4 광섬유(22,23)에 걸리는 전체 장력은 동일함에 따라, 제3 및 제4 광섬유(22,23) 전체의 변형율은 길이비가 변화하더라도 항상 동일하다.
그러나 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비가 2:1 에서 5:1로 증가하면, 제3 및 제4 광섬유(22,23) 각각의 실제 변형율 절대값은 증가한다.
반면, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 길이비가 감소하면, 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 실제 변형율 절대값은 감소한다.
따라서 본 발명은 제3 광섬유의 길이를 증가시키고, 제4 광섬유의 길이를 감소시켜 광섬유 및 광섬유 격자센서의 내구성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 서로 다른 가닥 수로 마련되는 한 쌍의 광섬유의 길이비를 조절해서 각 광섬유의 실제 변형율 절대값을 조절할 수 있다.
다음, 도 6 및 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서의 설치방법을 상세하게 설명한다.
도 6 및 도 7은 측정 대상에 설치된 변형율 센서를 예시한 도면이다.
도 6에는 평면 형태의 측정 대상에 설치된 변형율 센서가 예시되어 있고, 도 7에는 측정 대상의 부착면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 면에 설치된 변형율 센서가 예시되어 있다.
본 발명에 따른 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서(20)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같은 센서 고정장치(30)를 이용해서 측정 대상에 설치될 수 있다.
센서 고정장치(30)는 내부에 변형율 센서(20)가 수용되는 보호관(31) 및 보호관(31)의 양단을 측정 대상에 고정하는 한 쌍의 고정 브래킷(32)을 포함할 수 있다.
각 고정 브래킷(32)은 상부에서 보았을 때 단면이 대략 '十' 형상의 블록으로 마련되고, 각 고정 브래킷(32)의 대향하는 측면에는 각각 보호관(31)의 양단이 결합될 수 있다.
각 고정 브래킷(32)은 상하 방향을 따라 관통 체결되는 고정볼트(33)에 의해 평면 형태의 측정 대상에 고정될 수 있다.
이를 위해, 각 고정 브래킷(32)의 양측에는 각각 고정볼트(33)가 체결되는 체결공이 형성될 수 있다.
이러한 각 고정 브래킷(32)의 외측단에는 변형율 센서(20)에 마련된 제3 및 제4 광섬유(22,23)의 양단을 각각 고착제를 매개로 고정하는 고정홈이 형성될 수 있다.
그래서 작업자는 상기와 같이 구성되는 센서 고정장치(30)의 보호관(31) 내부에 변형율 센서(20)를 배치한 상태에서 보호관(31)의 양단을 각각 한 쌍의 고정 브래킷(32)에 결합한다.
이때, 각 고정 브래킷(32)과 보호관(31) 양단이 결합된 부위에는 각각 변형율 센서(20)를 보호하고 세팅된 파장을 유지하는 세팅볼트(34)가 결합된 상태이다.
세팅볼트(34)는 한 쌍의 고정 브래킷(32) 중에서 어느 하나에만 설치될 수 있다.
그리고 한 쌍의 고정 브래킷(32)을 측정 대상 상에 배치한 후, 각 고정 브래킷(32)에 형성되는 체결공을 통해 고정볼트(33)를 체결해서 측정 대상에 고정한다.
이때, 작업자는 계측 대상의 변위가 변형율 센서(20)에 민감하게 전달되도록 각 세팅볼트(34)를 느슨하게 풀고 설치를 완료한다.
이와 같이, 센서 고정장치(30)를 이용해서 평면 형태의 측정 대상에 설치된 변형율 센서(20)는 측정 대상의 미세한 변위를 측정할 수 있다.
실험에 의하면, 본 발명에 따른 변형율 센서(20)는 분해능 약 1με까지 정밀하게 측정 가능함을 확인하였다.
한편, 본 발명에 따른 변형율 센서(20)는 측정 대상의 부착면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 면에 설치하는 경우, 도 7에 도시된 센서 고정장치(30)를 이용해서 설치될 수 있다.
센서 고정장치(30)는 도 7에 도시된 바와 같이, 도 6을 참조해서 설명한 센서 고정장치(30)의 구성과 유사하고, 다만 보호관(31)에 설치시 한 쌍의 고정 브래킷(32)을 상하 전후 좌우 방향으로 회전시켜 각도 조절이 가능하게 결합할 수 있다.
이를 위해, 보호관(31)의 양단에는 각각 고정구(35)가 결합되고, 각 고정구(35)의 외측단에는 각각 볼(36)이 결합될 수 있다.
각 고정 브래킷(32)은 볼(36)을 중심으로 상하부에서 서로 결합되어 결합각도를 조절하는 상부 브래킷(37)과 하부 브래킷(38)을 포함할 수 있다.
여기서, 각 고정구(35)는 대략 육면체 형상의 바디(41)와 바디(41) 외측단에 연결되고 외주면에 결합된 볼(36)을 이용해서 각 고정 브래킷(32)과 결합각도 조절이 가능하게 결합되는 결합부(42)를 포함할 수 있다.
바디(41)의 내측단에는 보호관(31)이 결합되는 결합공간(43)이 마련되고, 결합공간(43)의 외측단은 압축력에 의한 측정 대상의 변위 발생시 바디(41)와 보호관(31)의 접촉을 방지하도록, 미리 설정된 간격, 예컨대 약 3㎜만큼 이격되게 설치될 수 있다.
각 볼(36)의 중앙부에는 고정구(36)의 결합부(42)이 결합되는 결합공이 형성될 수 있다.
이러한 볼(36)은 완전한 링 형상으로 형성될 수 있으나, 탄성을 이용해서 결합부(42)의 외주면에 결합된 상태를 유지하도록, 볼(36)의 일측에는 개방부(39)가 형성될 수 있다.
따라서 작업자는 개방부(39)를 중심으로 볼(36)의 양단을 서로 멀어지도록 벌린 후, 각 결합부(42)의 외측단에 결합하고, 볼(36)은 본래 형상으로 복원되기 위해 작용하는 탄성력에 의해 결합부(42)에 안정적으로 결합된 상태를 유지할 수 있다.
여기서, 변형율 센서(20)의 양측단에 마련되는 제3 및 제4 설치부재(25,26)와 부착부재(21)는 각각 한 쌍의 고정구(35)에 마련된 각 결합부(42) 내부에 설치될 수 있다.
상부 브래킷(37)과 하부 브래킷(38)의 중앙부에는 각각 볼(36)이 삽입되는 삽입홈이 형성되고, 상부 브래킷(37)과 하부 브래킷(38)은 양측에 형성된 조립공에 체결되는 조립볼트(40)에 의해 조립될 수 있다.
그리고 하부 브래킷(38)의 양단에는 측정 대상에 고정하기 위한 고정볼트(33)가 체결되는 고정공이 형성될 수 있다.
그래서 작업자는 상기와 같이 구성된 센서 고정장치(30)에 마련된 한 쌍의 하부 브래킷(38)을 면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 부착면에 배치한다.
이때, 한 쌍의 하부 브래킷(38)은 각 고정구(35)에 설치된 한 쌍의 볼(36) 사이 거리에 대응되는 거리만큼 이격된 상태에서 고정볼트(33)에 의해 측정대상에 고정된다.
그리고 작업자는 각 하부 브래킷(38) 및 볼(36)의 상부에 상부 브래킷(37)을 배치한 후, 조립볼트(40)를 체결해서 상부 브래킷(37)과 하부 브래킷(38)을 조립한다.
이와 같이, 본 발명은 센서 고정장치를 이용해서 평면 형태의 측정 대상뿐만 아니라, 부착면이 고르지 않거나 터널과 같이 곡률이 있는 면 또는 바닥이 좌우로 뒤틀린 면에 변형율 센서를 설치해서 측정대상의 변위를 정밀하게 측정할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 서로 다른 가닥 수로 마련되는 한 쌍의 광섬유 사이에 하중인가수단을 설치하여 기울기를 측정하고, 연결수단을 설치해서 각 광섬유에서 작용하는 감도 및 내구성을 조절하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치 기술에 적용된다.
10: 광섬유 격자센서를 이용한 가속도 센서
11: 케이스 12,13: 제1,제2 광섬유
14: 하중인가수단 15,16: 제1,제2 설치부재
17: 가이드 18: 변위제한수단
20: 광섬유 격자센서를 이용한 변형율 센서
21: 부착부재 22,23: 제3,제4 광섬유
24: 연결수단 25,26: 제3,제4 설치부재
27: 설치홈 28: 제5 광섬유
30: 센서 고정장치 31: 보호관
32: 고정 브래킷 33: 고정볼트
34: 세팅볼트 35: 고정구
36: 볼 37,38: 상부,하부 브래킷
39: 개방부 40: 조립볼트
41: 바디 42: 결합부
43: 결합공간

Claims (12)

  1. 광섬유 격자 센서를 이용한 가속도 센서에 적용되는 경우,
    외형을 형성하는 케이스,
    상기 케이스 내부에 수직 방향을 따라 미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 제1 및 제2 광섬유 그리고
    상기 제1 및 제2 광섬유 사이에 설치되고 상기 제1 및 제2 광섬유에 하중을 인가하는 하중인가수단을 포함하여
    측정 대상의 진동에 의한 상기 하중인가수단의 상하 이동에 의해 상기 제1 및 제2 광섬유에 설치된 각 광섬유 격자센서에서 출력되는 파장의 변화를 이용해서 가속도의 방향 및 크기를 측정하며,
    상기 제1 및 제2 광섬유는 각각 상기 하중인가수단의 외주면에 서로 다른 횟수만큼 감겨서 서로 다른 가닥 수로 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광섬유 중에서 어느 하나 이상에는 하나 이상의 광섬유 격자센서가 설치되고,
    상기 케이스의 상단과 하단 사이에는 상기 제1 및 제2 광섬유의 일단부가 설치되는 제1 및 제2 설치부재가 마련되며,
    상기 하중인가수단과 제1 및 제2 설치부재는 각각 원판 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  3. 삭제
  4. 광섬유 격자 센서를 이용한 변형율 센서에 적용되는 경우,
    미리 설정된 간격만큼 이격 설치되는 한 쌍의 부착부재,
    상기 한 쌍의 부착부재 사이에 수평 방향을 따라 설치되는 제3 및 제4 광섬유 그리고
    상기 제3 및 제4 광섬유 사이에 설치되고 상기 제3 및 제4 광섬유에 인가되는 장력에 의해 일정한 위치에 고정되는 연결수단을 포함하여
    서로 다른 가닥 수로 설치된 상기 제3 및 제4 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 감도 및 내구성의 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연결수단은 상기 제3 및 제4 광섬유에 하중이 인가되는 것을 방지하도록, 경금속 재질 또는 합성수지 재질을 이용해서 원판 형상으로 형성되고,
    상기 제3 및 제4 광섬유는 상기 연결수단의 외주면에 서로 다른 횟수만큼 감겨서 서로 다른 가닥 수로 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연결수단의 외주면에는 상기 제3 및 제4 광섬유의 각 가닥과 연결수단 사이의 마찰력을 증가시키도록, 복수의 설치홈이 형성되고,
    상기 설치홈은 V 형상 또는 V 형상의 하단부가 평면인 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광섬유 격자센서는 측정 대상의 변위를 측정하는 감도를 증가시키는 경우, 상기 제3 및 제4 광섬유 중에서 가닥 수가 적은 광섬유에 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광섬유 격자센서는 내구성을 증대하는 경우, 상기 제3 및 제4 광섬유 중에서 가닥 수가 많은 광섬유에 설치되는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  9. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형율 센서는 센서 고정장치를 이용해서 측정 대상에 설치되고,
    상기 센서 고정장치는 내부에 상기 변형율 센서가 수용되는 보호관 및
    상기 보호관의 양단을 측정 대상에 고정하는 한 쌍의 고정 브래킷을 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 보호관의 양단에는 각각 고정구가 결합되고,
    각 고정구의 외측단에는 각각 볼이 결합되며,
    각 고정 브래킷은 상기 볼을 중심으로 상하부에서 서로 결합되는 상부 브래킷과 하부 브래킷을 포함하고,
    상기 고정 브래킷은 상기 고정구에 설치된 볼을 중심으로 회전하여 상기 고정구의 결합각도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치.
  11. 연결수단의 양측에 서로 다른 가닥 수로 설치된 한 쌍의 광섬유 중에서 선택적으로 어느 하나에 광섬유 격자센서를 설치해서 상기 광섬유 격자센서에서 측정되는 감도 및 상기 광섬유 격자센서의 내구성 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치의 감도 및 내구성 조절방법.
  12. 제11항에 있어서,
    (a) 한 쌍의 부착부재 사이에 상기 연결수단을 배치하고, 상기 한 쌍의 광섬유를 상기 연결수단에 서로 다른 횟수로 감아서 서로 다른 가닥 수로 설치하는 단계,
    (b) 상기 한 쌍의 광섬유 중에서 상대적으로 가닥 수가 적은 광섬유에 상기 광섬유 격자센서를 설치해서 측정 대상의 변위를 측정하는 감도를 증가시키는 단계 및
    (c) 상기 한 쌍의 광섬유 중에서 상대적으로 가닥 수가 많은 광섬유에 상기 광섬유 격자센서를 설치해서 상기 광섬유 격자센서의 내구성을 증대하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 격자센서를 이용한 변위 측정장치의 감도 및 내구성 조절방법.
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