KR20170021583A

KR20170021583A - 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서

Info

Publication number: KR20170021583A
Application number: KR1020150116156A
Authority: KR
Inventors: 김광택
Original assignee: 호남대학교 산학협력단
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2017-02-28

Abstract

본 발명은 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서에 관한 것으로서, 베이스 플레이트로부터 상방으로 연장되게 설치되며 외풍의 방향 및 속도에 대응되어 탄성적인 구부림이 가능한 소재로 형성된 스윙부재와, 광섬유에 제1격자가 형성되어 스윙부재의 길이방향을 따라 결합된 제1광섬유격자와, 스윙부재의 중심을 기준으로 제1광섬유격자의 결합방향과 다른 각도에서 제1광섬유격자와 이격되어 스윙부재의 길이방향을 따라 결합되며 광섬유에 제2격자가 형성된 제2광섬유격자와, 광원과, 광원에서 출사된 광을 전송선을 통해 제1광섬유격자와 제2광섬유격자로 전송하고, 제1광섬유격자 및 제2광섬유격자로부터 반사되어 역으로 진행하는 광을 출력단을 통해 출력하는 광중계부와, 광중계부의 출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출부와, 광검출부에서 검출된 광으로부터 스윙부재에 인가되는 외풍에 대한 풍속과 풍향을 산출하는 산출부를 구비한다. 이러한 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서에 의하면, 광신호를 이용함으로써 전기적 영향을 받지 않아 설치 환경에 대한 제약이 완화되며 구조가 단순화 되는 장점을 제공한다.

Description

광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서{apparatus for measuring speed and direction of wind}

본 발명은 풍향과 풍속을 측정하는 풍속 및 풍향 센서에 관한 것으로서, 상세하게는 광섬유격자를 이용하여 풍향과 풍속을 측정하는 풍속 및 풍향 센서에 관한 것이다.

일반적으로 풍향 및 풍속을 측정하는 장치로 풍차형의 풍향 풍속계를 사용하고 있다. 이러한 풍차형 풍향 풍속계는 풍차의 회전속도가 풍속에 비례하는 원리를 이용한 것으로 풍차를 수직꼬리날개를 가진 유선형 동체의 선단에 붙인 구조로 되어 있다.

또한, 풍차형 풍향 풍속계는 풍차의 회전축에 직류 또는 교류의 소형발전기를 장착하고, 소형 발전기에서 생성되는 기전력을 통해 풍속을 측정하도록 되어 있다.

또한, 풍차형 풍향 풍속계는 풍향에 따른 풍향 풍속계의 회전위치를 검출하여 풍향을 측정하도록 되어 있어 구조가 복잡한 단점이 있다.

한편, 풍차를 이용하는 방식과 다르게 탄성플레이트가 바람의 세기 및 방향에 따라 변형될 때 연동되는 전기적 저항값을 검출하는 스트레인 게이지 방식의 풍향 및 풍속 측정장치가 국내 등록특허 제10-1168568호에 게시되어 있다.

그런데, 이러한 풍향 및 풍속 측정방식은 모두 전기적 신호를 이용하여 검출하는 방식으로서 외부에 노출되게 설치되어야 하는 특성상 외부에서 발생되는 전기적 노이즈의 영향을 받아 측정정밀도가 떨어질 수 있고, 특히 낙뢰 또는 빗물 등에 의해 전기적인 부품의 손상 또는 파손이 발생할 수 있는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 광신호를 이용하여 풍향 및 풍속을 측정할 수 있으면서 구조가 단순한 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서는 베이스 플레이트와; 상기 베이스 플레이트로부터 상방으로 연장되게 설치되며 외풍의 방향 및 속도에 대응되어 탄성적인 구부림이 가능한 소재로 형성된 스윙부재와; 광섬유에 제1격자가 형성되어 상기 스윙부재의 길이방향을 따라 결합된 제1광섬유격자와; 상기 스윙부재의 중심을 기준으로 상기 제1광섬유격자의 결합방향과 다른 각도에서 상기 제1광섬유격자와 이격되어 상기 스윙부재의 길이방향을 따라 결합되며 광섬유에 제2격자가 형성된 제2광섬유격자와; 광원과; 상기 광원에서 출사된 광을 전송선을 통해 상기 제1광섬유격자와 상기 제2광섬유격자로 전송하고, 상기 제1광섬유격자 및 상기 제2광섬유격자로부터 반사되어 역으로 진행하는 광을 상기 출력단을 통해 출력하는 광중계부와; 상기 광중계부의 상기 출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출부와; 상기 광검출부에서 검출된 광으로부터 상기 스윙부재에 인가되는 외풍에 대한 풍속과 풍향을 산출하는 산출부;를 구비한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1광섬유격자와 상기 제2광섬유격자는 직렬상으로 접속되어 있고, 상기 광중계부는 상기 광원에서 출사된 광을 수신받아 제1중계단을 통해 상기 제1광섬유격자로부터 상기 제2광섬유격자로 이어지는 광전송선으로 전송하고, 상기 제1광섬유격자 및 상기 제2광섬유격자로부터 반사되어 수신된 광을 제1출력단을 통해 출력하는 광써큘레이터가 적용된다.

바람직하게는 상기 제1광섬유격자와 상기 제2광섬유격자의 외력이 인가되지 않은 상태에서 반사되는 광의 중심파장이 상호 다르게 상기 제1격자들의 이격간격과 상기 제2격자들의 이격 간격이 다르게 형성된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 광중계부는 상기 광원에서 출사되는 광을 제1분기라인과 제2분기라인으로 분기시키는 광분배기와; 상기 제1분기라인을 통해 전송된 광을 제1전송선을 통해 상기 제1광섬유격자로 전송하고, 상기 제1광섬유격자에서 역으로 진행되는 광을 제1출력단을 통해 출력하는 제1광써큘레이터와; 상기 제2분기라인을 통해 전송된 광을 제2전송선을 통해 상기 제2광섬유격자로 전송하고, 상기 제2광섬유격자에서 역으로 진행되는 광을 제2출력단을 통해 출력하는 제2광써큘레이터;를 구비하고, 상기 광검출부는 상기 제1출력단을 통해 출력되는 광을 검출하여 상기 산출부로 제공하는 제1광검출부와; 상기 제2출력단을 통해 출력되는 광을 검출하여 상기 산출부로 제공하는 제2광검출부;를 구비한다.

상기 스윙부재는 단면형상이 원형 형태로 형성된 것을 적용하고, 상기 스윙부재의 상단에는 상기 스윙부재보다 외경이 크며 구형형상으로 형성된 감도증진볼;이 마련된 것이 바람직하다.

또한, 상기 스윙부재에는 외측면에 길이방향을 따라 상호 이격되게 연장된 제1 및 제2수용홈이 형성되어 있고, 상기 제1 및 제2수용홈에 상기 제1 및 제2광섬유격자가 수용되어 접합제로 접합처리된다.

상기 제1광섬유격자와 상기 제2광섬유격자는 상기 스윙부재의 중앙을 기준으로 90도 각도로 교차하는 위치에서 수직상으로 연장되게 접합된다.

본 발명에 따른 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서에 의하면, 광신호를 이용함으로써 전기적 영향을 받지 않아 설치 환경에 대한 제약이 완화되며 구조가 단순화 되는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 풍속 및 풍향 센서를 나타내 보인 도면이고,
도 2는 도 1의 스윙부재의 제1 및 제2 광섬유격자가 결합된 부분의 단면을 나타내 보인 단면도이고,
도 3은 도 1의 제1광섬유격자와 제2광섬유격자의 외풍에 의한 중심파장 이동을 설명하기 위한 그래프이고,
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서를 나타내 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서를 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서를 나타내 보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 풍속 및 풍향 센서(100)는 광원(110), 광써큘레이터(130), 제1광섬유격자(FGB1)(141), 제2광섬유격자(FGB2)(142), 탄성 변형체(150), 광검출부(170), 산출부(181)를 구비한다.

광원(110)은 넓은 파장범위의 광을 출사하는 광대역 광원을 적용한다.

광써큘레이터(130)는 광중계부로서 적용된 것으로서, 광원(110)에서 출사된 광을 제1입력단(130a)을 통해 입력받아 제1중계단(130b)에 접속된 전송선(135)을 통해 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)로 전송하고, 제1광섬유격자(141) 및 제2광섬유격자(142)로부터 반사되어 역으로 진행하는 광을 수신하여 제1출력단(130c)을 통해 출력한다.

제1광섬유격자(141)는 광섬유에 제1격자가 등간격으로 다수개 형성된 구조로 되어 있고, 후술되는 스윙부재(153)의 길이방향을 따라 수직상으로 결합되어 있다.

제2광섬유격자(142)는 스윙부재(153)의 중심을 기준으로 제1광섬유격자(141)의 결합방향과 다른 각도에서 제1광섬유격자(141)와 이격되어 스윙부재(153)의 길이방향을 따라 결합되며 광섬유에 제2격자가 등간격으로 다수 형성되어 있다.

제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)는 중계 광섬유부분(136)을 통해 직렬상으로 접속되어 있다.

이 경우 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)의 외력이 인가되지 않은 상태에서 반사되는 광의 중심파장이 상호 다르게 제1격자들의 이격간격과 제2격자들의 이격 간격이 다르게 형성된 것이 바람직하다.

또한, 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)는 도 2에 도시된 바와 같이 스윙부재(153)의 중앙을 기준으로 90도 각도로 교차하는 위치에서 수직상으로 연장되게 접합되어 있다.

탄성 변형체(150)는 외풍에 대응하여 탄성적으로 구부려질 수 있게 형성되어 있다.

탄성 변형체(150)는 베이스 플레이트(151), 스윙부재(153) 및 감도증진볼(155)를 구비한다.

베이스 플레이트(151)는 스윙부재(153)의 하단이 결합에 의해 지지될 수 있는 지지영역을 제공하며 지면으로 상방으로 연장되게 설치된 지주체와 같은 설치대상체에 볼트, 접합제와 같은 결합부재를 이용하여 고정시켜 설치할 수 있도록 형성되면 된다.

또 다르게는 베이스 플레이트(151)는 지면에 삽입되어 고정되게 설치될 수 있음은 물론이다.

스윙부재(153)는 베이스 플레이트(151)의 상면으로부터 상방으로 수직하게 연장되게 설치되며 외풍의 방향 및 속도에 대응되어 탄성적인 구부림이 가능한 소재로 형성되어 있다.

스윙부재(153)는 탄성적 복원력이 좋은 금속소재로 형성될 수 있다.

스윙부재(153)는 도 2에 도시된 바와 같이 단면형상이 원형 형태로 형성되어 상방으로 연장된 원기둥 형상으로 형성된 것을 적용한다.

또한, 스윙부재(153)는 외측면에 길이방향을 따라 상호 이격되게 연장된 제1 및 제2수용홈(153a)(153b)이 형성되어 있고, 제1 및 제2수용홈(153a)(153b)에 제1 및 제2광섬유격자(141)(142)가 수용되어 접합제(154)로 접합처리되어 있다.

여기서, 제1 및 제2수용홈(153a)(153b)은 스윙부재(153)의 중앙(O)을 기준으로 사이각(a)이 90도 각도로 교차하는 위치에서 수직상으로 각각 연장되게 형성되어 있다.

따라서, 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)도 스윙부재(153)의 중앙(O)을 기준으로 90도 각도로 교차하는 위치에서 수직상으로 결합되어 있다.

감도증진볼(155)는 스윙부재(153)보다 외경이 크며 구형형상으로 되어 스윙부재(153)의 상단에 결합되어 있다.

감도증진볼(155)에 적용하는 하중 및 외경에 따라 외풍에 대해 스윙부재(153)가 탄성적으로 휘어지는 정도가 달라질 수 있어 요구되는 감도에 맞취 적절하게 하중 및 외경을 갖는 것을 적용하면 된다.

광검출부(170)는 광써큘레이터(130)의 제1출력단(130c)을 통해 출력되는 광을 검출하여 산출부(181)에 제공한다.

산출부(181)는 광원(110)의 구동을 제어하고, 광검출부(170)에서 검출된 광으로부터 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)의 격자 간격변화에 의한 중심파장의 이동을 검출하고, 이로부터 스윙부재(153)에 인가되는 외풍에 대한 풍속과 풍향을 산출한다.

이를 더욱 상세히 설명하면, 도 2에 표기된 방향 표시에 따라 제1광섬유격자(141)가 남쪽에 대응되게 배치되어 있고, 제2광섬유격자(142)가 남쪽에 대응되게 배치되어 있는 경우 외풍이 인가되지 않는 상태에서 제1광섬유격자(141)에서 반사되는 기준 중심파장은 도 3에 도시된 바와 같이 λ1이고, 제2광섬유격자(142)에서 반사되는 기준 중심파장은 λ2인 경우를 고려한다.

이 경우 남쪽에서 북쪽방향으로 바람이 부분 경우 제1광섬유격자(141)의 격자 간격이 벌어지는 방향으로 제1광섬유격자(141)가 신장되어 휘어지게 되고, 그에 대응되어 파장이 기준중심파장(λ1)보다 장파장쪽으로 이동된 반사신호가 광검출부(170)에 인가된다. 또한, 제2광섬유격자(142)도 제1광섬유격자(141)보다는 덜 휘어지며 스윙부재(153)의 휘어짐에 대응되어 기준중심파장(λ1)보다 장파장쪽으로 이동된 반사신호가 광검출부(170)에 인가된다.

반대로 북쪽에서 남쪽방향으로 바람이 부분 경우 제1광섬유격자(141)의 격자 간격이 좁아지는 방향으로 제1광섬유격자(142)가 오므라드면서 휘어지게 되고, 그에 대응되어 파장이 기준중심파장(λ1)보다 단파장쪽으로 이동된 반사신호가 광검출부(170)에 인가된다. 또한, 제2광섬유격자(142)도 제1광섬유격자(141)보다는 덜 휘어지며 스윙부재(153)의 휘어짐에 대응되어 기준중심파장(λ1)보다 장파장쪽으로 이동된 반사신호가 광검출부(170)에 인가된다.

이러한 제1광섬유격자(142)의 반사 파장이동과 제2광섬유격자(142)의 반사파장 이동의 조합정보로부터 풍향 및 풍속을 산출할 수 있다.

여기서, 제1광섬유격자(142)의 반사 파장이동과 제2광섬유격자(142)의 반사파장 이동의 조합에 대응되는 풍향 및 풍속은 실험에 의해 미리 산출된 후 신출부(l81)의 룩업테이블에 기록되어 있다.

따라서, 산출부(181)는 광검출부(170)에서 제1광섬유격자(141)와 제2섬유격자(142)의 파장이동정보를 룩업데이블에 기록된 정보와 비교하여 풍향 및 풍속을 산출한다.

통신부(185)는 산출부(181)에 제어되어 산출된 풍속 및 풍향 정보를 통신망(미도시)을 통해 설정된 관리서버(미도시)의 통신주소로 전송한다.

여기서 통신망은 유무선 인터넷이 적용될 수 있다.

표시부(183)는 산출부(181)에 제어되어 산출된 풍향 및 풍속정보를 표시한다.

한편, 도시된 예와 다르게 중계부가 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142)를 분리된 상태로 설치하는 방식으로 구축될 수 있고 그 예를 도 4를 참조하여 설명한다.

앞서 도시된 예와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 풍속 및 풍향 센서는 광원(110), 광분배기(120), 제1 및 제2 광써큘레이터(131)(132), 제1 광섬유격자(FGB1)(141), 제2광섬유격자(FGB2)(142), 스윙부재(153), 제1 및 제2 광검출부(171)(172), 산출부(181)를 구비한다.

광분배기(120)는 광원(110)에서 출사되는 광을 제1분기라인(121)과 제2분기라인(122)으로 분기시켜 출력한다.

광분배기(120)는 광커플러가 적용될 수 있다.

제1광써큘레이터(131)는 제1분기라인(121)을 통해 전송되어 제1입력단(131a)을 통해 수신된 광을 제1중계단(131b)에 접속된 제1전송선(135a)을 통해 제1광섬유격자(141)로 전송하고, 제1광섬유격자(141)에서 역으로 진행되는 광을 제1출력단(131c)을 통해 제1광검출부(171)로 출력한다.

제2광써큘레이터(132)는 제2분기라인(122)을 통해 전송되어 제2입력단(132a)을 통해 수신된 광을 제2중계단(132b)에 접속된 제2전송선(135b)을 통해 제2광섬유격자(142)로 전송하고, 제2광섬유격자(142)에서 역으로 진행되는 광을 제2출력단(132c)을 통해 제2검출부(172)로 출력한다.

제1광검출부(171)는 제1출력단(131c)을 통해 출력되는 광을 검출하여 산출부(181)에 제공한다.

제2광검출부(172)는 제2출력단(132c)을 통해 출력되는 광을 검출하여 산출부(181)로 제공한다.

산출부(181)는 제1 및 제2광검출부(171)(172)에서 출력되는 신호를 이용하여 앞서 설명된 방식으로 풍속 및 풍향을 산출한다.

이러한 제1 및 제2 광섬유격자(141)(142) 분리방식은 구조가 복잡해지는 반면, 제1광섬유격자(141)와 제2광섬유격자(142) 상호간의 영향을 배제할 수 있고, 격자 간격 설정에 대한 제약되 완화된다.

한편, 이상의 설명에서는 스윙부재(153)상에 방사상으로 직교되는 방향에 2 개의 광섬유격자가 설치된 것을 예시하였고, 감도 및 정밀도를 높이기 위해 90간격으로 4개의 광섬유격자를 설치할 수 있음은 물론이다.

이상에서 설명된 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서(100)에 의하면, 광신호를 이용함으로써 전기적 영향을 받지 않아 설치 환경에 대한 제약이 완화되며 구조가 단순화 되는 장점을 제공한다.

110: 광원 130: 광써큘레이터
141: 제1광섬유격자(FGB1) 142: 제2광섬유격자
153: 스윙부재 170: 광검출부
181: 산출부

Claims

베이스 플레이트와;
상기 베이스 플레이트로부터 상방으로 연장되게 설치되며 외풍의 방향 및 속도에 대응되어 탄성적인 구부림이 가능한 소재로 형성된 스윙부재와;
광섬유에 제1격자가 형성되어 상기 스윙부재의 길이방향을 따라 결합된 제1광섬유격자와;
상기 스윙부재의 중심을 기준으로 상기 제1광섬유격자의 결합방향과 다른 각도에서 상기 제1광섬유격자와 이격되어 상기 스윙부재의 길이방향을 따라 결합되며 광섬유에 제2격자가 형성된 제2광섬유격자와;
광원과;
상기 광원에서 출사된 광을 전송선을 통해 상기 제1광섬유격자와 상기 제2광섬유격자로 전송하고, 상기 제1광섬유격자 및 상기 제2광섬유격자로부터 반사되어 역으로 진행하는 광을 상기 출력단을 통해 출력하는 광중계부와;
상기 광중계부의 상기 출력단을 통해 출력되는 광을 검출하는 광검출부와;
상기 광검출부에서 검출된 광으로부터 상기 스윙부재에 인가되는 외풍에 대한 풍속과 풍향을 산출하는 산출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서.
제1항에 있어서, 상기 제1광섬유격자와 상기 제2광섬유격자는 직렬상으로 접속되어 있고,
상기 광중계부는
상기 광원에서 출사된 광을 수신받아 제1중계단을 통해 상기 제1광섬유격자로부터 상기 제2광섬유격자로 이어지는 광전송선으로 전송하고, 상기 제1광섬유격자 및 상기 제2광섬유격자로부터 반사되어 수신된 광을 제1출력단을 통해 출력하는 광써큘레이터가 적용된 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서.
제2항에 있어서, 상기 제1광섬유격자와 상기 제2광섬유격자의 외력이 인가되지 않은 상태에서 반사되는 광의 중심파장이 상호 다르게 상기 제1격자들의 이격간격과 상기 제2격자들의 이격 간격이 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서.
제1항에 있어서, 상기 광중계부는
상기 광원에서 출사되는 광을 제1분기라인과 제2분기라인으로 분기시키는 광분배기와;
상기 제1분기라인을 통해 전송된 광을 제1전송선을 통해 상기 제1광섬유격자로 전송하고, 상기 제1광섬유격자에서 역으로 진행되는 광을 제1출력단을 통해 출력하는 제1광써큘레이터와;
상기 제2분기라인을 통해 전송된 광을 제2전송선을 통해 상기 제2광섬유격자로 전송하고, 상기 제2광섬유격자에서 역으로 진행되는 광을 제2출력단을 통해 출력하는 제2광써큘레이터;를 구비하고,
상기 광검출부는
상기 제1출력단을 통해 출력되는 광을 검출하여 상기 산출부로 제공하는 제1광검출부와;
상기 제2출력단을 통해 출력되는 광을 검출하여 상기 산출부로 제공하는 제2광검출부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서.
제1항에 있어서, 상기 스윙부재는 단면형상이 원형 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서.
제5항에 있어서, 상기 스윙부재의 상단에는 상기 스윙부재보다 외경이 크며 구형형상으로 형성된 감도증진볼;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서.
제6항에 있어서, 상기 스윙부재에는 외측면에 길이방향을 따라 상호 이격되게 연장된 제1 및 제2수용홈이 형성되어 있고, 상기 제1 및 제2수용홈에 상기 제1 및 제2광섬유격자가 수용되어 접합제로 접합처리된 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서.
제7항에 있어서, 상기 제1광섬유격자와 상기 제2광섬유격자는 상기 스윙부재의 중앙을 기준으로 90도 각도로 교차하는 위치에서 수직상으로 연장되게 접합된 것을 특징으로 하는 광섬유격자를 이용한 풍속 및 풍향 센서.